PI Glossar

Die absolute Genauigkeit ist die maximale Differenz zwischen der Soll-Position und der Ist- Position. Die Genauigkeit wird durch Umkehrspiel, Hysterese, Drift, Nichtlinearität im Antrieb oder Messsystem, Verkippung etc. begrenzt. Die höchste Genauigkeit kann mit Direktmetrologie- Messsystemen erreicht werden. Dabei wird z. B. mit einem Interferometer oder Linearencoder direkt die Position der Stellplattform gemessen, sodass mechanisches Spiel innerhalb des Antriebsstrangs keinen Einfluss auf die Positionsmessung hat. Systeme mit indirekter Metrologie (z. B. Rotationsencoder auf der Motorwelle) oder ungeregelte, schrittmotorgetriebene Tische bieten deutlich schlechtere Absolutgenauigkeit. Unabhängig davon können sie trotzdem hohe Auflösungen und Wiederholbarkeiten erreichen.

Auflösung in der Positionierung bezeichnet die kleinste Abstandsänderung, die vom System unterschieden werden kann. Die ungeregelte Auflösung von Piezo-Nanopositionierern und Piezoaktoren ist im Prinzip unbegrenzt, weil sie nicht durch Haft- oder Gleitreibung limitiert wird. Stattdessen ist das Äquivalent zum Elektronikrauschen spezifiziert.

Siehe auch  >> Rechnerische Auflösung und  >> Kleinste Schrittweite

Gibt an, welche Antriebsarten durch den Controller / Verstärker unterstützt werden, z. B. DC-Motoren, Piezoschreitantriebe, Piezoaktoren.

Zeitkonstante des Verstärkers/Controllers. Zeit, die benötigt wird, um von 10 % auf 90 % des maximalen Spannungshubs zu kommen.

Gemessene Werte bei Umgebungstemperatur 20 °C. Als Steuersignal wird ein Sinus verwendet, im ungeregelten Betrieb (open-loop). Der Verstärker arbeitet innerhalb der Aussteuergrenzen linear, insbesondere ohne thermische Begrenzung.

Die Ausgangsspannung von Piezocontrollern zeigt Schwankungen von nur wenigen Millivolt und ist damit besonders langzeitstabil.

Gemessener Wert. Angegeben ist die Frequenz in kHz, bei der die Amplitude um -3 dB abgefallen ist. Großsignalwerte: bei maximaler Ausgangsspannung. Kleinsignalwerte: bei Ausgangsspannung von 10 Vpp. Die Werte sind im Aussteuerdiagramm des Controllers / Verstärkers abzulesen.

Sicherer Betrieb, ohne Schaden für den Antrieb. Alle technischen Daten im Datenblatt beziehen sich auf Zimmertemperatur (22 ±3 °C).

Erlaubter Eingangsspannungsbereich, ggf. auch Eingangsfrequenz, für die Versorgung des Geräts.

Maximale Belastbarkeit vertikal, wenn der Versteller horizontal montiert ist. Der Angriffspunkt der Last liegt in der Mitte der Plattform.

Die Genauigkeit, mit der jede Position innerhalb des Stellbereiches nach einer beliebigen Positionsänderung erneut angefahren werden kann. Effekte wie z. B. Hysterese und Umkehrspiel wirken sich direkt auf die bidirektionale Wiederholbarkeit aus, wenn das System nicht über "Direktmetrologie" verfügt.

Siehe auch  >> Unidirektionale Wiederholbarkeit

Der Cosinusfehler ist ein akkumulativer Positionsfehler in Linearsystemen, der auftritt, wenn ein Winkelfehler zwischen dem Antrieb und der Stellplattform existiert. Der Positionsfehler errechnet sich aus dem Produkt der Positionsänderung und der Differenz zwischen 1 und dem Cosinus des Winkelfehlers.

Für Mehrachsen-Controller erfolgt die Angabe pro Kanal. Gemessener Wert. Steht über längere Zeit zu verlässig zur Verfügung.

X

Linearbewegung in Richtung der Positionierung

Y

Linearbewegung senkrecht zur X-Achse

Z

Linearbewegung senkrecht zu X und Y

θX Drehung um X

θY Drehung um Y

θZ Drehung um Z

Maximale Kraft in Bewegungsrichtung. Einige Versteller bringen evtl. höhere Kräfte auf, was die Lebensdauer beeinträchtigen kann.

Für kapazitive Sensoren. Gemessen im nominalen Messbereich, Bandbreite s. Datentabelle.

Siehe auch  >> Statische Auflösung

Siehe auch  >> Übersprechen

Jeder Endschalter sendet sein Signal auf einer eigens zugewiesenen Leitung zum Controller. Der Controller sorgt dann für den Abbruch der Bewegung und verhindert so, dass der Versteller bis an den mechanischen Anschlag fährt und Schaden nimmt. PI Versteller sind mit mechanischen oder mit berührungslosen optischen oder Hall-Effekt-Endschaltern ausgestattet. Funktionsweise, z. B. optisch, magnetisch.

Erlaubte Eingangspegel für digitale Schnittstellen.

Maximale Bandbreite (-3 dB) der Eingangssignale für den Encodereingang.

Für kapazitive Sensoren, wird bei PI gesetzt.

Auch Eingangssteuerspannung, für Piezocontroller / Verstärker. Empfohlen ist ein Bereich von -2 bis 12 V. Der übliche Verstärkungsfaktor von 10 bewirkt eine Ausgangsspannung von -20 bis 120 V. Die meisten PI Controller erlauben einen Eingangsspannungsbereich von -3 bis 13 V.

Die Abweichung von theoretischer und tatsächlicher Rotationsachse bei Drehverstellern.

Der Führungsfehler beschreibt die Abweichungen der Stellplattform von der gewünschten Bahn senkrecht zur Stellrichtung, sowie die Verkippung um die Achsen. Bei einem einachsigen Lineartisch sind das z. B. die unerwünschten Bewegungen in allen anderen fünf Freiheitsgraden. Für jede Translation in X treten auch lineare Komponenten in Y und Z und Verkippungen um X (θX, Rollen), um Y (θY, Neigen) und um Z (θZ, Gieren) auf. Führungsfehler werden durch das Führungssystem, die Montage des Positioniertisches (Verspannungen) und die Last (z. B. Drehmomente) verursacht.

Ein Freiheitsgrad entspricht einer aktiven Achse eines Positioniersystems. Ein XY-Positioniertisch hat zwei Freiheitsgrade, ein Hexapod sechs.

Siehe auch  >> Übersprechen

Der Betrieb in Regelung erfordert die Auswertung eines Positionsmesssystems. Ein Regelalgorithmus vergleicht dann die kommandierte Soll- mit der gemessenen Ist-Position. Die Regelung sorgt für bessere Wiederholgenauigkeit und Positionsstabilität.

Siehe auch  >> Übersprechen

Für geschaltete Verstärker. Stabilisiert die Ausgangsspannung auch ohne angeschlossene kapazitive Last (Piezoaktor). Die mögliche Ausgangsleistung eines Piezocontrollers/Verstärkers hängt von den internen und externen kapazitiven Lasten ab.

Angegeben ist der kurzzeitige Spitzenwert bei horizontaler Montage, ohne zusätzliche Last. Dieser Wert ist nicht für den kontinuierlichen Betrieb geeignet. Durchschnitts- und Dauergeschwindigkeit sind niedriger als der Spitzenwert und hängen von den Randbedingungen der Anwendung ab. Daten für Vakuumversionen können abweichen.

Piezomotor-Linearantriebe sind im Ruhezustand selbsthemmend, verbrauchen keinen Strom und erzeugen keine Wärme. Bei längerem Abschalten sinkt die Haltekraft, dies ist typisch für Piezomotoren. Die Daten geben die Mindesthaltekraft im Langzeitbetrieb an.

Die Hysterese ist ein Positionsfehler, der beim Umkehren der Stellrichtung auftritt. Sie kann durch elastische Deformation, wie reibungsbedingte Ver- und Entspannungen, verursacht werden. Die Hysterese eines Positioniersystems ändert sich meist mit der Belastung, Beschleunigung und Geschwindigkeit.

Die kleinste Bewegung, die wiederholbar durchgeführt werden kann, wird kleinste Schrittweite oder typische Auflösung genannt und wird durch Messungen ermittelt. Die Datentabelle enthält typische Messwerte. Die kleinste Schrittweite unterscheidet sich meist stark von der rechnerischen Auflösung, die numerisch wesentlich kleiner ausfallen kann. Wiederholbare Bewegungen im Nanometer oder Sub-Nanometerbereich können mit Piezostelltechnik und reibungsfreien Flexure Führungen durchgeführt werden.

Siehe auch >> Rechnerische Auflösung

Wert aus Realmessung mit externem, rückführbaren Messmittel. Bezeichnet den Betrag der maximalen Abweichung von einer idealen geradlinigen Bewegung. Die Angabe erfolgt in % in Bezug auf den gesamten Messbereich. Die Linearitätsabweichung hat keinen Einfluss auf die Auflösung und Wiederholbarkeit einer Messung. Messung der Linearitätsabweichung: Die Soll und gemessenen Istwerte der Positionen werden gegeneinander aufgetragen, eine Gerade durch den ersten und letzten Datenpunkt gelegt und die betragsmäßig maximale Abweichung von dieser Gerade bestimmt. 0,1 % Linearitätsabweichung entspricht damit einem Fenster von ±0,1 % um die ideale Gerade. Beispiel: Eine Linearitätsabweichung von 0,1 % über einen Messbereich von 100 μm ergibt eine mögliche maximale Abweichung des Messwertes zum Istwert von 0,1 μm.

Maximale Leistungsaufnahme bei Volllast.

Integrierte Methode, z. B. ILS, Polynome n-ter Ordnung, Sensorlinearisierung.

Mikropositioniertische sind normalerweise aus eloxiertem Aluminium oder rostfreiem Stahl gefertigt. Geringe Mengen anderer Materialien können enthalten sein, z. B. für Lager, Vorspannung, Kupplung, Montage, etc. Auf Wunsch können andere Materialien, wie z.B. unmagnetischer Stahl oder Invar verwendet werden.

Die Messwerte wie Umkehrspiel und Wiederholgenauigkeit werden nach der VDI-Norm 3114 ermittelt.

"Mean Time Between Failure": Maß für die Betriebsdauer und Zuverlässigkeit des Verstellers.

Siehe auch  >> Übersprechen.

Siehe auch  >> Rechtwinkligkeit.

Values measured at an ambient temperature of 20°C. A sine is used as control signal in openloop operation. The amplifier works linearly within the operating limits, in particular without thermal limitation.

Mehrachsiges System, bei dem alle Aktoren direkt auf dieselbe bewegte Plattform wirken. Vorteile gegenüber serieller Kinematik sind ein geringeres Massenträgheitsmoment, keine bewegten Kabel, niedrigerer Schwerpunkt, keine Akkumulation von Führungsfehlern und ein kompakterer Aufbau.

Präzision ist ein nicht genau definierter Begriff und wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich für Wiederholbarkeit, Genauigkeit oder Auflösung verwendet. PI verwendet den Begriff im Sinne einer nicht quantifizierten hohen Genauigkeit.

Produkte der Präzisionsklasse eignen sich für hochpräzise Positionieranwendungen. 

Lineare Interpolation, Punkt-zu-Punkt, Trapez, S-Kurven. Für mehrere Achsen: elektronische Getriebefunktion.

Der PWM-Modus ist ein hocheffizienter Verstärkerbetrieb, bei dem nicht die Amplitude des Ausgangssignales geregelt wird, sondern dessen Einschaltdauer.

Maximal zulässige Kraft orthogonal zur Stellrichtung. Dieser Wert gilt direkt für die bewegte Plattform und reduziert sich, wenn die Kraft oberhalb der Plattform angreift.

Für kapazitive Sensoren in erweiterten Messbereichen ist das Rauschen deutlich höher als im nominalen Messbereich.

Siehe auch >> Stick Slip Effekt.

Die theoretisch kleinste Bewegung, die ein Positioniersystem durchführen kann. Dieser Wert darf nicht mit der kleinsten Schrittweite verwechselt werden. Bei indirektem Positionsmessverfahren gehen in die Berechnung der Auflösung z. B. die Werte für die Spindelsteigung, Getriebeuntersetzung, Auflösung des Motors bzw. Sensors / Encoders etc. ein. Sie liegt oft wesentlich unter der kleinsten Schrittweite der Mechanik. Bei direkten Messverfahren wird die Auflösung des Sensorsystems angegeben.

Die Rechtwinkligkeit beschreibt die Abweichung vom idealen 90° Winkel der X, Y und Z Bewegungsachsen.

Höchste Ansprüche an Sensorauflösung und Positionier- und Führungsgenauigkeit garantiert die Referenzklasse.

Viele Versteller verfügen über einen richtungserkennenden Referenzschalter ca. in der Mitte des Stellbereichs. Für die beste Wiederholbarkeit des Positionierens empfiehlt es sich, den Referenzschalter immer von derselben Seite anzufahren. Funktionsweise: optisch, magnetisch.

Der Sensor kann das kritische Element der Positionsauflösung sein, weshalb die Sensorauflösung erforderlichenfalls separat spezifiziert wird. Rotationsencoder: Impulse pro Spindeldrehung. Linearencoder: Kleinste Bewegung, die vom verwendeten Sensorsystem noch detektiert wird.

Gemessener Wert. Angegeben ist die Frequenz, bei der die Amplitude bei auf -3 dB abgefallen ist.

Mehrachsiges System, bei dem alle Aktoren auf eine eigene Stellplattform wirken. Vorteile sind einfacher mechanischer Aufbau und Kontrollalgorithmen. Nachteile gegenüber paralleler Kinematik sind schlechtere dynamische Eigenschaften, keine integrierte Parallelmetrologie möglich, Akkumulation von Führungsfehlern, geringere Genauigkeit.

Für geschaltete Verstärker. Die mögliche Ausgangsleistung eines Piezocontrollers/Verstärkers hängt von den internen und externen kapazitiven Lasten ab.

Steht nur für sehr kurze Zeiten zur Verfügung, typisch unter einigen Millisekunden. Dient der Abschätzung der möglichen Dynamik mit einer bestimmten kapazitiven Last. Hinweis: Der Piezo controller/Verstärker arbeitet dabei nicht unbedingt linear.

Besonders preisgünstige Positioniersysteme zählen zur Standardklasse. 

Für kapazitive Sensoren. Gemessen bei einer Bandbreite von 10 Hz, nominaler Messbereich.

Der maximal mögliche Stellweg wird durch die Länge der Antriebsspindel begrenzt. Falls vorhanden, bestimmt der Abstand der Endschalter den Stellbereich.

Dieser Effekt begrenzt die kleinste Schrittweite. Er tritt beim Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung auf und bewirkt einen Bewegungssprung. Reibungsfreie Antriebe, wie z. B. Piezoaktoren mit Flexure Festkörperführungen, werden vom Stick-Slip-Effekt nicht beeinträchtigt und ermöglichen deshalb Auflösungen im Sub-Nanometerbereich.

Stromverbrauch des Systems auf der Versorgungsseite. Angegeben im Leerlauf (Controller ohne Last). Alternativ Leistungsaufnahme.

Kurzschlussfestigkeit.

Der Taumelfehler beschreibt bei Rotationstischen das unerwünschte Verkippen um die Drehachse je voller Umdrehung.

Die Genauigkeit, mit der jede Position innerhalb des Positionierbereichs nach einer beliebigen Positionsänderung aus der gleichen Richtung wieder angefahren werden kann. Weil Hysterese und Umkehrspiel nur einen geringen Einfluss auf die unidirektionale Wiederholbarkeit haben, ist dieser Wert meist deutlich besser als die "Bidirektionale Wiederholbarkeit".

Betrieb ohne Auswertung eines Positionssensors und Regelkreis. Versteller mit Schrittmotoren führen präzise und wiederholbare Schritte aus und benötigen daher keine Regelung. Die Regelung sorgt für bessere Wiederholgenauigkeit und Positionsstabilität.

Positionierfehler, der bei einer Richtungsänderung auftritt. Er wird durch mechanisches Spiel im Antriebsstrang, z. B. in Lagern oder Getrieben, und durch Reibung der Führungen verursacht. Im Gegensatz zur Hysterese kann Umkehrspiel in positionsgeregelten Systemen zur Instabilität führen, da es für eine Totzeit im Regelkreis sorgt. Das Umkehrspiel hängt ab von Temperatur, Beschleunigung, Belastung, Spindelposition, Stellrichtung, Abnutzung usw. Umkehrspiel wird unterdrückt durch Vorspannung des Antriebsstrangs. Ein Positionsmessverfahren, das die Position der Plattform direkt misst, eliminiert sämtliche Fehler aus dem Antriebsstrang (Direktmetrologie). Die Datentabelle enthält typische Messwerte. Daten für Vakuumversionen können abweichen.

Über den gesamten Stellweg gemessene Abweichung von der idealen, geraden Bewegung als Verkippung um die Y- (Neigen) und Z-Achse (Gieren), wobei die Bewegung in X-Richtung erfolgt (rechtwinkliges Koordinatensystem). Die Datentabelle enthält typische Messwerte als ±Werte. Geradheit (bezogen auf Z) und Ebenheit (bezogen auf Y) beziehen sich auf die entsprechende Absolutabweichung und werden in μm angegeben.

Abschalttemperatur für den Spannungsausgang. Kein automatisches Wiedereinschalten.

Nur fur digital angesteuerte Verstarker: Messung des kleinsten digitalen Ausgabewerts (LSB) in mV.

PI verwendet folgende Verstärkerprinzipien: Ladungsgesteuert, geschaltet (class D), linear.

Siehe auch  >> Übersprechen

Restwelligkeit der Spannung in mVpp mit eindeutiger Frequenz. Rauschen über gesamten Frequenzbereich.