Wiederholgenauigkeit

Wie wird die unidirektionale Wiederholgenauigkeit erfasst?

Das Positioniersystem wird auf eine beliebige Position innerhalb des Verfahrwegs gefahren. Ein externes Messsystem (Laserinterinterferometer, Messtaster) erfasst diese Position. Das Positioniersystem verfährt während der Messung wiederholt, aus der gleichen Richtung kommend, auf diese Position. Das externe Messsystem misst wiederholt diese Position. Nach einer festgelegten Anzahl von Wiederholungen dieses Ablaufs steht eine Wertereihe von Messwerten dieser Position zur Verfügung, aus der die zweifache Standardabweichung berechnet wird. Dieser Wert entspricht der unidirektionalen Wiederholgenauigkeit an der jeweiligen Position im Verfahrweg.

Um zusätzliche Sicherheit bei der Angabe dieses Werts zu erhalten, wird die unidirektionale Wiederholgenauigkeit an mehreren Positionen im Verfahrweg ermittelt und der größte aufgetretene Wert als Kennwert des Positioniersystems angegeben.

Wie wird die bidirektionale Wiederholgenauigkeit erfasst?

Das Positioniersystem wird auf eine beliebige Position innerhalb des Verfahrwegs gefahren. Ein externes Messsystem (Laserinterinterferometer, Messtaster) erfasst diese Position.

Das Positioniersystem fährt während der Messung diese Position, aus beiden Richtungen kommend, an. Das externe Messsystem misst wiederholt diese Position.Nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen dieses Ablaufs steht eine Wertereihe von Messwerten dieser Position zur Verfügung, aus der die zweifache Standardabweichung berechnet wird. Dieser Wert entspricht der bidirektionalen Wiederholgenauigkeit an der jeweiligen Position im Verfahrweg. 

Um zusätzliche Sicherheit bei der Angabe dieses Werts zu erhalten, wird die bidirektionale Wiederholgenauigkeit an mehreren Positionen im Verfahrweg ermittelt und der größte aufgetretene Wert als Kennwert des Positioniersystems angegeben.

Wie unterscheiden sich bidirektionale Wiederholgenauigkeit und unidirektionale Wiederholgenauigkeit?

Die Wiederholgenauigkeit (auch Reproduzierbarkeit oder auch Wiederholbarkeit) beschreibt die Abweichung, mit der eine bestimmte Position beim wiederholten Anfahren wieder zu erreichen ist. Die Wiederholgenauigkeit wird unterschieden in die bidirektionale und unidirektionale Wiederholgenauigkeit. Erstere beschreibt den die Streuung der Position, welche beim wiederholten Anfahren der gleichen gewünschten Position aus sowohl Richtung und Gegenrichtung entsteht. Dieser Wert ist immer größer als die einseitige, also unidirektionale Wiederholgenauigkeit, da viele Systeme mechanisches Spiel haben bzw. auch immer Hystereseeffekte präsent sind. Die unidirektionale Wiederholgenauigkeit ist definiert als die Streuung der Position der beim wiederholten Anfahren aus der immer Verfahrrichtung auftritt.

Wie unterscheiden sich Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit?

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie stark der gemessene Positionswert bei Anfahren der immer gleichen gewünschten Position streut. Dabei ist nicht relevant, wie weit weg der tatsächlich angefahrene Wert von dem gewünschten Wert wirklich liegt.

Die Genauigkeit hingegen beschreibt, wie weit weg man von der tatsächlich gewünschten Position ist.

Die Wiederholgenauigkeit ist folglich besser (also im Wert kleiner) oder mindestens gleich der Genauigkeit, da nicht sämtliche Fehlerquellen eingehen. Z.?B. wirken sich der Spindelsteigungsfehler oder Nick und Gierfehler nicht auf die Wiederholgenauigkeit aus, wohl aber das Spiel in den Bauteilen.

Die Genauigkeit ist bei den meisten Positionieraufgaben weniger relevant. Oft ist es nicht notwendig einen exakten Längenwert in der Form von 234,445mm anzufahren sondern man fährt, bis der gewünschte Punkt (zum Beispiel gegeben durch ein Musterteil) erreicht ist und speichert diesen ab. Bei hoher Wiederholgenauigkeit kann diese Position dann immer wieder angefahren werden. Dieses Vorgehen nennt man „Teachen“ oder „Anlernen“ und ist im weiteren Sinne ein Kalibrieren. Der Vorteil ist, dass Wiederholbare Systeme wesentlich preiswerter herstellbar sind, als genaue Systeme.

Warum ist Wiederholgenauigkeit preiswerter als Positioniergenauigkeit?

Genaue Tische müssen in der angefahren Strecke einem Bruchteil der von der ISO definierten Entfernung „Meter“ zurücklegen. Das bedeutet, dass im Lineartisch ein Teil verbaut sein muss, welches in seiner Länge möglichst genau bekannt ist. Derartig genaue Teile sind teuer. Ein Beispiel wäre der Einbau von hochgenauen und damit teuren Maßstäben oder die Verwendung einer Präzisionsspindel. Wegen des Einflusses von Nicken und Gieren stellt ein hochgenauer Tisch auch immer hohe Anforderungen an das Führungssystem.

Wenn jedoch ein Tisch „nur“ wiederholbar konstruiert wird, so kann man wesentlich preiswertere Messsyteme einsetzen und die Anforderungen an das Führungssystem sinken. Durch Teaching oder Kompensation können wiederholbare Systeme immer auch im Gesamtsystem für die Anwendung genau gestaltet werden.

Wie kann ich Wiederholgenauigkeit erreichen?

Insbesondere mechanisches Spiel, Ungleichmäßigkeiten in Führungssystem und Antriebstrang sowie Abweichungen in der Regelung wirken sich störend auf die Wiederholgenauigkeit aus. Für die mechanischen Aspekte sind folglich die präzise Fertigung der Teile, hochwertige Komponenten sowie große Erfahrung und Können in der Montage solcher Systeme Voraussetzungen. Trotz aller Fortschritte in der Regelungstechnik sind hier genaue Fertigung und handwerkliches Können unumgänglich. Reglerabweichungen werden durch genügend hohe Auflösung mit schnellen Signallaufzeiten im Feedback-System, genügend Reglerfrequenz und optimale Anpassung der PID-Parameter („Tuning“) vermieden. Auch ist eine ausreichende Motorisierung Voraussetzung für ein wiederholbar arbeitendes System.

Welchen Einfluss haben externe Schwingungen auf die Wiederholgenauigkeit eines Positioniersystems?

Externe Schwingungen wie sie in Produktionshallen vorherrschen oder auch nur durch das Vorbeilaufen von Personen entstehen können, stören die Position des Systems. Der Regler muss in der Lage sein darauf zu reagieren und die Störung auszugleichen. Das setzt voraus, dass das Messsystem die Störung registriert und der Regler schneller reagieren kann als die Störung selber ist. Eine weitere Voraussetzung ist, dass das zu positionierende Objekt durch die externe Störung nicht zum Schwingen angeregt wird. Die erste Eigenfrequenz der Last muss wesentlich höher sein als die bei Positionierung und durch Störungen auftretenden Frequenzen. Da es praktisch unmöglich ist den Frequenzgehalt von realen Störungen vorauszusehen, müssen Maßnahmen getroffen werden, um die höchste störende Frequenz zu begrenzen. Das geschieht durch Tiefpassanordnungen, wie die auf Luftbälgen gelagerte schwere Granitbasis eines anspruchsvollen Positioniersystems.

Synonyme: Wiederholbarkeit, Reproduzierbarkeit