Bahnlaufregelung mit einer Genauigkeit von ±5 µm

Der Hersteller Erhardt+Leimer hat einen Bahnlaufregler entwickelt, der sich für Anwendungen im Bereich gedruckte Elektronik eignet. Typischerweise werden mit Bahnlaufreglern Genauigkeiten von ±0,1 mm erreicht, in Sonderfällen ist die Regelgenauigkeit mit ±0,05 mm sogar doppelt so hoch. Bei der Produktion von gedruckten Schaltungen sind aber absolute Positionstoleranzen von höchstens 10 µm erlaubt.

Für das Entwicklungsteam von August Faller lautete die Aufgabenstellung wie folgt: Eine bereits bedruckte Bahn wird erneut mit elektronischen Komponenten bedruckt, um dem Material die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. In diesem zweiten Druckprozess ist eine absolute Positionsgenauigkeit von 10 µm erforderlich. Die Kontrastkante (weiß-grau-Kontrast), die als Führungskriterium dienen soll, ist nicht durchgehend, sondern wird vielfach unterbrochen; im Hintergrund befinden sich Störeinflüsse.

Zunächst wird die Bahn am Abroller abgewickelt, wobei die Bahnspannung typischerweise mittels einer Tänzerwalze geregelt wird. Der nächste Prozess-Schritt, ein Zugwerk mit Bahnspannungs- und Bahnlaufregelung, ist nun entscheidend: Der Bahnlaufregler muss dafür sorgen, dass die Bahn dem anschließenden Druckprozess mit der geforderten Genauigkeit von ±5 µm zugeführt wird.

Der von E+L hier für die Bahnlaufregelung eingesetzte Drehrahmen ist der Elguider DRS 24. Dieses System bietet eine Stellgeschwindigkeit von bis zu 70 mm/sec und standardmäßig eine Regelgenauigkeit von < ±0,1 mm. Um die Position der beiden Bahnkanten zu erfassen, werden zwei CCD-Zeilenkameras vom Typ OL 82 mit 5150 Pixeln und achtfachem Subpixeling verwendet.

Mit dem Standard-Objektiv der OL-82-CCD-Kamera mit einer Brennweite von 50 mm kann eine Auflösung von 0,013 mm/Pixel erreicht werden – in diesem Fall nicht ausreichend. Die Ingenieure von E+L ergänzten also das Objektiv mit verschiedenen Vorsatzlinsen, sodass der Abstand zur Bahn von normalerweise 500 mm auf 180 mm verringert werden konnte. Dank des Subpixelings wird so eine Auflösung von 1,2 µm erzielt.

Auch die Mechanik wurde angepasst: Die Getriebeübersetzung des Stellmotors wurde auf das 10-fache erhöht. Außerdem wurde für spielfreie Lager im Steuerrahmen gesorgt, und auch das Spiel in den Walzenlagern wurde durch den Einbau von Federn eliminiert.

Im Bereich der Software wurden die Einstellungen des Reglers so angepasst, dass alle „Totzonen“ der Reglerkennlinie unterdrückt werden. Auf diese Weise lässt sich eine noch präzisere Reaktion des Stellglieds erreichen. Durch die genannten Optimierungen führt das Drehrahmensystem die Bahn mit einer Genauigkeit von mindestens +/-5 µm und ist für den Einsatz in der Produktion von gedruckten Schaltungen geeignet.

Unter bestimmten Bedingungen stößt die Lösung von Erhardt+Leimer jedoch an Ihre Grenzen: Wenn die Bahn bereits mit einer zu hohen Positionsabweichung am Bahnlaufregler ankommt, wenn die Bahnspannung variiert oder quer zu Bahnlaufrichtung nicht konstant ist oder wenn die Bahn keine gleichmäßige Dicke aufweist, kann dies dazu führen, dass die erforderliche Genauigkeit bei der Bahnführung nicht erreicht wird.

Mit Standard-Getriebemotoren ist die erreichte Genauigkeit von ±5 µm schon ein großer Erfolg. Noch höhere Genauigkeiten können mit Hilfe von Piezo-Aktuatoren erreicht werden.