Beseitigung von Modusgrenzen in der Spindelsteuerung mit zwei Encodern

Bei der Bearbeitung im Mikro- und Nanobereich sowie bei Hochleistungs-Bewegungsplattformen – wie wir sie bei Polaris Motion entwickeln – ist das Spindelverhalten kein nebensächliches Detail. Es bestimmt die Oberflächenqualität, die Merkmalsgenauigkeit und die Gesamtzuverlässigkeit der Maschine.

Bei unseren 5- und Mehrachsen-CNC-Systemen setzen wir die Spindeln häufig in zwei sehr unterschiedlichen Betriebsbereichen ein. Zum einen ist eine ultrafeine Positionierung für präzises Indexieren, Interpolieren und die Bearbeitung von Nanostrukturen erforderlich. Zum anderen benötigen wir extrem hohe Drehzahlen und starke Beschleunigungen, um Durchsatz und dynamisches Ansprechverhalten zu gewährleisten.

Um diesen Bereich zu unterstützen, umfasst die Spindelarchitektur zwei Rückkopplungsgeber:

• A hochauflösender Positionsgeberbietet höchste Winkelgenauigkeit, jedoch mit begrenzter Bandbreite.
• A GeschwindigkeitsgeberGeringere Auflösung, aber fähig zur Verarbeitung ultraschneller Rotationen und Regelschleifen mit hoher Bandbreite.

Einzeln betrachtet funktionieren die Encoder gut. Zusammen offenbarten sie jedoch ein Problem auf Systemebene.

Das Problem: Eine Grenze innerhalb des Steuerungssystems

Bisher erforderte das Umschalten zwischen Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung explizite Modusänderungen. Der Übergang von präziser Positionierung zu Hochgeschwindigkeitsrotation erforderte Controller-Resets, Firmware-Zustandsübergänge und zahlreiche Anpassungen auf niedriger Ebene.

Theoretisch war dies machbar. In der Praxis führte es jedoch zu Ineffizienz:

• Unterbrechungen während Prozessübergängen
• Erhöhte Komplexität bei der Inbetriebnahme
• Erhöhter Wartungsaufwand für Firmware
• Verminderte Anpassungsfähigkeit im dynamischen Betrieb

Bei der Hochgeschwindigkeits- und Ultrapräzisions-Materialbearbeitung – insbesondere bei der Synchronisierung mit Tischachsen und dem schnellen Einpunkt-Diamantschneiden – sind diese Unterbrechungen nicht nur lästig, sondern beeinträchtigen auch die Leistung.

Die Spindel wurde künstlich in „Präzisionsmodus“ und „Schnellmodus“ unterteilt. Die Maschine selbst arbeitet jedoch nicht in klar abgegrenzten Bereichen. Beschleunigungsprofile, Konturbewegungen sowie die Interaktion von Werkzeug und Material verändern die Betriebsanforderungen kontinuierlich.

Die Steuerungsarchitektur musste diese Realität widerspiegeln.

Die Lösung: Hybrides Feedback innerhalb der Steuerungsschicht

Wir haben innerhalb unseres UniverseOne™-Steuerungsframeworks einen hybriden Feedback-Algorithmus entwickelt, der harte Schaltgrenzen zwischen Encodern beseitigt.

Anstatt eine manuelle Modusauswahl zu erfordern, steuert der neue Algorithmus beide Feedbackquellen dynamisch in Echtzeit. Er wechselt automatisch zwischen positions- und geschwindigkeitsdominantem Feedback – selbst bei hohen Rotations- und Beschleunigungsgeschwindigkeiten.

Hauptmerkmale des Ansatzes:

• Kein Controller-Reset erforderlich
• Keine Unterbrechung der Spindelbewegung
• Keine Firmware-Neukonfiguration während des Betriebs
• Kontinuierliche Anpassung auf Basis der Betriebsbedingungen

Wenn es auf präzise Positionierung ankommt, nutzt der Regelkreis die extrem hohe Auflösung des Positionsgebers. Mit steigender Drehzahl und zunehmenden dynamischen Anforderungen verlagert der Algorithmus den Fokus auf den Geschwindigkeitsgeber mit hoher Bandbreite.

Der Übergang ist nahtlos. Weder für den Bediener noch für den vorgelagerten Bewegungsplaner ist ein einzelnes Ereignis erkennbar.

Die Spindel verhält sich wie ein einheitliches, adaptives System.

Warum das für unsere Maschinen wichtig ist

In den mehrachsigen Ultrapräzisionssystemen von Polaris – wo lineare Koordinatenachsen und Drehbewegungen in eng synchronisierten Zeitbereichen arbeiten müssen – ist die Kontinuität der Steuerung von entscheidender Bedeutung.

Ein erzwungener Reset oder ein abrupter Rückkopplungsübergang bewirkt mehr als nur eine Bewegungsunterbrechung. Er stört die Synchronisation innerhalb der Maschine, beeinträchtigt die Bahnplanung und erhöht die Komplexität der Firmware-Ebene unnötig.

Durch die direkte Einbettung hybrider Rückkopplungslogik in die Steuerungsarchitektur:

• Die dynamische Leistung verbessert sich über den gesamten Geschwindigkeitsbereich
• Die Inbetriebnahme wird einfacher
• Die Firmware-Architektur wird übersichtlicher.
• Die Betriebsausfallzeiten werden reduziert
• Die Systemzuverlässigkeit steigt

Ebenso wichtig ist die verbesserte Skalierbarkeit des Steuerungssystems. Mit der fortschreitenden Entwicklung hin zu Anwendungen mit höherer Achsenanzahl und Bandbreite profitieren das Mercury™-Netzwerk und die verteilten Steuerungsknoten von einer reduzierten Schaltlogik und einem besser vorhersagbaren Rückkopplungsverhalten.

Das Ergebnis: Präzision und Bandbreite ohne Kompromisse

Die Spindel wird nicht länger durch künstliche Steuermodi unterteilt. Sie passt sich kontinuierlich dem Betriebszustand der Maschine an.

• Präzision, wenn Genauigkeit im Nanometerbereich erforderlich ist
• Bandbreite, wenn Geschwindigkeit und Beschleunigung dominieren
• Nahtloses Verhalten während Übergängen

Dieser hybride Feedback-Ansatz spiegelt wider, wie wir Systeme bei Polaris Motion entwerfen: nicht als Ansammlungen von Komponenten, sondern als integrierte, adaptive Steuerungsarchitekturen.

Das Ergebnis ist eine messbare Verbesserung der Spindelreaktionsfähigkeit, Stabilität und Hochgeschwindigkeitsleistung – bei gleichzeitiger Reduzierung der Firmware-Komplexität und des Betriebsrisikos.

Bei der Hochleistungslaserbearbeitung liegt die Diskrepanz zwischen theoretischer Leistungsfähigkeit und praktischer Performance häufig im Steuerungssystem. Durch die Aufhebung der Trennung zwischen Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung konnten wir diese Lücke schließen.

Polaris-Bewegung
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