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Die
Erfindung betrifft ein Servo, insbesondere ein sensorfreies Nullkorrekturservo.
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Wie
in 1 dargestellt, besteht ein herkömmliches
Servo 1 aus einem Servomotor 2 und einem durch
diesen Servomotor angetriebenen Aktor 3. Dabei muss sich
das Servo 1 korrigieren, damit der Aktor 3 unter
einem Antrieb des Servomotors 2 in eine entsprechende Vorgabeposition
gelangt oder auf einen entsprechenden Vorgabewinkel schwenkt.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird der Aktor 3 auf zwei Grenzpositionen, die sich am
jeweiligen Ende des Verfahrwegs befinden, beschränkt, egal ob der Servomotor 1 einen
linearen Betrieb oder einen Rotationsantrieb ausübt. Die Strecke zwischen den beiden
Grenzpositionen ist die größte bewegliche Distanz
des Aktors 3, wenn der Verfahrweg des Aktors 3 einen
linearen Weg aufweist, während
die beiden Grenzpositionen die größten schwenkbaren Winkel des
Aktors 3 sind, sofern der Verfahrweg des Aktors 3 ein
Schwenkweg ist.
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Damit
das Servo 1 eine richtige Nullkorrektur ausführt, ist
ein Abtastgerät 4,
z. B. ein Sensor oder ein Anschlagschalter, erforderlich, welches
ein Unterbrechungssignal an das Servo sendet, nach dem das Servo
bewertet, ob der Aktor 3 an eine vorgegebene Grenzposition
gelangt ist, am jeweiligen Grenzpunkt anzubauen. Wenn der Aktor 3 durch
den Antrieb des Servomotors 2 an eine Grenzposition gelangt
ist, bzw. einen Kontakt mit einem entsprechenden Abtastgerät 4 hat,
sendet das Abtastgerät 4 ein
Unterbrechungssignal an das Servo, bzw. veranlasst das Servo, den
Servomotor 2 abzustellen sowie die vorläufigen Koordinaten des Servomotors
sowie die von dieser Grenzposition abhängigen Effektivkoordinaten zu
speichern. Anschließend
bewegt sich der Aktor 3 durch den Antrieb des Servomotors 2 an
die andere Grenzposition. Nach Kontaktaufnahme mit dem anderen Abtastgerät 4 stellt
das Servo den Servomotor 2 nochmals ab und speichert die
vorläufigen
Koordinaten des Servomotors bzw. die von dieser Grenzposition abhängigen Effektivkoordinaten.
Bei Antriebsausgabe kann der Servomotor 2 den von einer Vorgabemitte
abhängigen
Schwenkwinkel der Antriebsachse (d. h. die Koordinaten des Servomotors) beim
Servo zurückmelden,
während
sich die gültige Verfahrgröße (Linearverschiebungsstrecke
oder Schwenkwinkel) zwischen den beiden Grenzpositionen aus den
Vorgabeparametern des Servos 1 ergibt, d. h. der Bewegungsbereich
des Aktors 2 ist bei der Konstruktion des Servos 1 bereits
festgelegt. Aus den Effektivkoordinaten der beiden Grenzpositionen sowie
den effektiven Koordinaten des Servomotors ergibt sich die von der
Ausgabe des Servomotors 2 abhängige Verfahrstrecke des Aktors 3 gemäß einer bestimmten
Relationsfunktion, was ermöglicht,
dass das Servo die Realkoordinaten des Aktors 3 stets erfährt, solange
der Servomotor 2 dessen Koordinaten zurückmeldet.
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Bei
dieser herkömmlichen
Ausführungsform ist
ein Abtastgerät 4 zum
Prüfen,
ob der Aktor 3 des Servos 1 die Grenzposition
erreicht hat, und zum Berechnen der größten Verfahrstrecke des Servos 1 unentbehrlich.
Da das Abtastgerät 4 unbedingt
installiert werden muss, ist die Teile-Anzahl bzw. sind die Herstellungskosten
des Servos 1 höher.
Hinzu kommt noch, dass sich die Installation eines Abtastgerätes 4 in
einem platzarmen Servo 1 eher schwierig gestaltet.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Servo-Aufbau
durch Abschaffung des Abtastgerätes
zu vereinfachen, bzw. dessen Herstellungskosten zu senken.
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Das
Nullkorrekturservo weist einen Servomotor und einen Aktor auf, wobei
sich der Aktor, angetrieben durch den Servomotor, zwischen der ersten
und zweiten Grenzposition verschiebt. Bei dem Aktor ist eine einzelne
Betriebsposition eine Effektivkoordinate des Aktors, während beim
Servomotor eine Antriebsgröße und Antriebsrichtung
eine Koordinate des Servomotors bilden. Während der Servomotor, gesteuert
durch einen Regler, in einem niedrigen Drehzahlmodus arbeitet, bzw.
den Aktor zur ersten Grenzposition bewegt, wird die Steuerungskraft des
Servomotors auf mögliche Überschreitung
einer Vorgabe stets durch einen Positionsfühler überwacht. Sobald der Aktor
die erste Grenzposition erreicht hat, bzw. die Steuerungskraft des
Servomotors diese Vorgabe überschritten
hat, erhält
ein Kalkulatormodul die Motorkoordinaten an der ersten Grenzposition.
Anschließend
arbeitet der Servomotor wieder in einem niedrigen Drehzahlmodus,
der Aktor wird zur zweiten Grenzposition bewegt, wobei das Kalkulatormodul
die Motorkoordinaten der zweiten Grenzposition erhält. Aus
den jeweiligen Effektivkoordinaten der ersten und zweiten Grenzposition
sowie den jeweils von der ersten und zweiten Grenzposition abhängigen Motorkoordinaten
ergibt sich eine Umrechnungsfunktion zwischen Motorkoordinaten und
Grenzpositionskoordinaten, nach der die von den Koordinaten des
Servomotors abhängigen
Realkoordinaten des Aktors bei weiteren Betätigungen des Servos ermittelt
werden können.
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Die
erfindungsgemäße Ausführungsform kann
somit den Aufbau eines Servos vereinfachen sowie ohne ein zusätzliches
Abtastgerät
bzw. nur durch Ermittlung der Steuerungskraft des Servomotors beurteilen,
ob der Aktor an eine bestimmte Grenzposition gelangt ist.
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1:
Ansicht einer herkömmlichen
Ausführungsform
eines Servos.
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2 und 3:
Ansicht eines Servos der vorliegenden Erfindung.
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4:
Verhältnisschema
zwischen den Motorkoordinaten und den Effektivkoordinaten gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5:
Systematischer Aufbau des Servos der vorliegenden Erfindung.
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6:
Diagramm der Änderung
der Steuerungskraft des Servomotors der vorliegenden Erfindung.
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7A und 7B:
Verschiedene Nullkorrekturprozesse der Erfindung.
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Die
Abbildungen 2 und 3 sind jeweils
eine Ansicht der erfindungsgemäßen beiden Nullkorrekturservos 100,
die eigene Korrekturen gemäß dem Verhältnis zwischen
der Antriebsgröße des Servomotors 110 und
dem Verschiebungsmaß des Aktors 120 ausführen.
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Wie
in den beiden Abbildungen dargestellt, hat das Nullkorrekturservo 100 einen
Servomotor 110 und einen Aktor 120. Dabei dient
der Servomotor 110 zum Antrieb des Aktors 120,
damit sich der Aktor 110 entlang eines Verfahrwegs S bewegt.
Dieser Verfahrweg S kann entweder ein Linearverschiebungsweg oder
ein Schwenkwinkel sein. Im Fall eines Linearverschiebungsweg wird
die Antriebsachse des Servomotors 110 über ein Antriebsglied 130,
z. B. eine Schnecke oder ein Riemen, mit dem Aktor 120 gekoppelt,
wobei sich die Rotationsausgabe des Servomotors 110 in
eine Linearausgabe umwandelt, was ermöglicht, dass sich der Aktor 120 über ein
Untergestell 140 linear verschiebt. Der über dem
Untergestell 140 verlaufende Verschiebungsweg des Aktors 120 ist
dann gültig
für den
Verfahrweg S (siehe 1). Weist der Verfahrweg S einen
Schwenkwinkel auf, wird die Antriebsachse des Servomotors 110 unmittelbar
oder über
ein Getriebe mittelbar mit dem Aktor 120 gekoppelt, was
ermöglicht,
den Aktor 120 hin und her zu schwenken. Der Schwenkwinkel
des Aktors 120 ist dann der Verfahrweg S (siehe 2).
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Wie
in 4 dargestellt, versteht sich der Verfahrweg S
als die Strecke zwischen der ersten Grenzposition S1 und der zweiten
Grenzposition S2, d. h. der Aktor 120 kann sich nur zwischen
der ersten Grenzposition S1 und der zweiten Grenzposition S2 bewegen.
Die Distanz zwischen der ersten Grenzposition S1 und der zweiten
Grenzposition S2, nämlich die
Länge des
Verfahrwegs S, ist bei der Konstruktion des Servos 100 bereits
festgelegt. Die Koordinaten entlang des Verfahrwegs S sind die Effektivkoordinaten
des Aktors 120 und können
abhängig
von der Form des Verfahrwegs S eine lineare Distanz oder einen Winkel
aufweisen. Im Allgemeinen befindet sich der Initialpunkt S0 der
Effektivkoordinate in der Mitte des Verfahrwegs S, wobei das Maß des Verfahrwegs S
ein Absolutwert (S1–S2)
ist. Die Werte S0, S1 und S2 sind Konstruktionsparameter, die der
Spezifikation nach Fertigstellung der Servos 100 zu entnehmen oder
durch Vermessung zu ermitteln sind.
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Wie
in 4 und 5 dargestellt, ist das Servo 100 normalerweise
noch mit einem Positionsfühler 150 zur Überwachung
der Koordinaten der Antriebsachse des Servomotors 110 versehen.
Die Motorkoordinaten sind gültig
für den
Schwenkwinkel und die Rotationsrichtung der Antriebsachse des Servomotors 110 im
Vergleich zum Initialstatus, d. h. irgendein Status lässt sich
bei der Hauptmontage des Servos 100 als Initialstatus des
Servomotors 110 vorgeben, dessen Antriebsachswinkel als
die Mitte der Koordinaten des Servomotors, nämlich als der Status in dem
Fall, dass der Motorkoordinatenwert Null ist, zu definieren ist.
Bei einer Rotationsausgabe des Servomotors 110 schwenkt
die Antriebsachse vom Initialstatus zu einem erwünschten Schwenkwinkel um, woraus
sich die bestehenden Koordinaten des Servomotors ergeben. Diese
Motorkoordinaten können
einen Längengrad,
Bogengrad oder eine frei definierte Einheit aufweisen. Der Positionsfühler 150, der
zur Überwachung
der Koordinaten der Antriebsachse des Servomotors 110 dient,
versteht sich im allgemeinen als ein Rotationscodierer, der bei
Rotation des Servomotors 110 dazu ausgelöst wird,
Nummersignale zu generieren, bzw. Rotationsrichtung und Schwenkwinkel
des Servomotors 110 zu protokollieren. Nachdem der Servomotor 110 zu
einem bestimmten Winkel geschwenkt ist, sendet der Positionsfühler 150 ein
Nummersignal an die Steuerungsschaltung, damit das Zählgerät 160 den
relevanten Zählwert
nach dem bestehenden Schwenkwinkel erhöht oder vermindert. Dieser
Zählwert
ist dann als eine frei definierte Einheit des Schwenkwinkels, bzw. der
bestehenden Motorkoordinaten anzusehen. Bei Hauptmontage des Servos 100 ist
die Antriebsachse des Servomotors 110 an der Mitte C0 des
dem Positionsfühler 150 wahrnehmbaren
Bereichs positioniert. Dieser Status ist dann als die Mitte der
Motorkoordinaten zu definieren. Der Aktor 120 ist zuletzt
an den Initialpunkt S0 der Effektivkoordinaten zu verschieben, damit
die Kupplung zwischen dem Aktor 120 und der Antriebsachse
des Servomotors 110 erfolgt.
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Wie
in 5 und 6 dargestellt, fängt der Servomotor 110 nach
Empfang einer bestimmten Steuerungskraft an, eine Rotationsausgabe
auszuführen.
Für die
Steuerungskraft des Servomotors erfolgt die Ausgabe in der Art eines
PWM-Signals (Pulsbreitenmodulation). Da das PWM-Signal den Servomotor 110 nur
auf hohem Niveau drehen kann und sich der Servomotor 110 in
der Periode jedes PWM-Signals nur mit einem kleinen Schwenkwinkel dreht,
kann das Servo eine genauere Ausgabegröße aus dem Servomotor erzielen.
Sofern der Servomotor 110 kontinuierlich eine Unterdrehzahl-Rotationsausgabe
ausführt
und der Aktor 120 hemmungsfrei bzw. nur einer festen Reibungskraft
unterliegt, bewegt sich der Aktor 120 stets mit einer konstanten Geschwindigkeit,
wobei die Steuerungskraft des Servomotors 110 ebenfalls
in einer lastlosen Ausgabeleistung bleibt. Falls der Aktor 120 bzw.
der Servomotor 110 einem Widerstand unterliegt, steigert
sich die Steuerungskraft des Servomotors entsprechend dem Widerstand.
Ist der Aktor 120 unter Antrieb des Servomotors 110 an
die erste Grenzposition S1 oder die zweite Grenzposition S2 gelangt,
verhindert der Anschlag der ersten Grenzposition S1 oder der zweiten Grenzposition
S2 den Aktor 120 fortzufahren und meldet diesen Widerstand
an den Servomotor 110 zurück. Da die erste Grenzposition
S1 oder die zweite Grenzposition S2 fixiert ist, lässt sich
deren Widerstand als endlos betrachten. In diesem Fall erhöht sich
die Steuerungskraft des Servomotors in kurzer Zeit, sowie fällt anschließend am
größten Leistungspunkt
ein wenig ab, wobei der Regler 170 gleichzeitig die Energieversorgung
des Servomotors 110 abstellt. In diesem Augenblick nimmt
der Ablesewert des Positionsfühlers 150 allmählich zu
und ruht gleichzeitig bei rasanter Erhöhung der Steuerungskraft, was
bedeutet, dass der Aktor 120 an eine gewisse Grenzposition
gelangt ist und nicht mehr fortfahren kann. Der in diesem Augenblick
im Positionsfühler 150 erscheinende
Ablesewert gibt die Motorkoordinaten an dieser Grenzposition an.
Da der Aktor 120 bei Korrektur des Servos 100 keiner
fremden Last unterliegt, erhöht
sich die Steuerungskraft des Servomotors augenblicklich sehr stark
und ruht anschließend
bei der größten Ausgabeleistung
nur dann, wenn der Aktor 120 an die erste Grenzposition
S1 oder die zweite Grenzposition S2 gelangt. In diesem Zusammenhang
versteht sich die aufgrund der rasanten Erhöhung der Steuerungskraft des
Servomotors entstehende augenblickliche Überspannung als das Signal dafür, dass
der Aktor 120 an die erste Grenzposition S1 oder die zweite
Grenzposition S2 gelangt ist. Dieses Signal wird gleich an den Regler 170 gesendet, damit
der Regler 170 die Steuerungskraft des Servomotors abstellt.
Zur Beurteilung, ob der Aktor 120 unter Antrieb des Servomotors 110 an
die erste Grenzposition S1 oder die zweite Grenzposition S2 gelangt, muss
die Steuerungskraft des Servomotors kontinuierlich auf Überschreitung
einer Vorgabe überwacht werden.
Diese Vorgabe versteht sich entweder als die maximale Ausgabeleistung
der Motorsteuerungskraft oder als ein niedrigerer Wert als die maximale Ausgabeleistung,
jedoch höherer
Wert als die lastfreie Ausgabeleistung.
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7A und 7B stellen
zwei Nullkorrektionsprozesse des Servos der vorliegenden Erfindung
dar.
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Wie
in 4, 5 und 6 dargestellt, dreht
sich der Servomotor 110 unter der Steuerung des Reglers 170 zunächst zu
der vom Positionsfühler 150 wahrnehmbaren
Mitte, nämlich
der Mitte der Motorkoordinaten (S210). Der Aktor 120 verschiebt
sich anschließend
an den Initialpunkt S0 der Effektivkoordinaten, damit die Kupplung
zwischen dem Aktor 120 und der Antriebsachse des Servomotors 110 erfolgt (S220).
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Der
Servomotor 110 arbeitet unter der Steuerung des Reglers 170 in
einem niedrigen Drehzahlmodus, bzw. bewegt den Aktor 120 zur
ersten Grenzposition S1 (S230), wobei die Steuerungskraft des Servomotors 110 in
einer lastlosen Ausgabeleistung bleibt sowie kontinuierlich auf Überschreitung
einer Vorgabe überwacht
wird (S240).
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Falls
die Steuerungskraft des Servomotors diese Vorgabe überschreitet,
entsteht eine augenblickliche Überspannung,
was bedeutet, dass der Aktor 120 den Anschlag der ersten
Grenzposition S1 berührt
hat. Aus dem Endstand dieser augenblicklichen Überspannung ergibt sich ein
Unterbrechungssignal, das den Regler 170 veranlasst, die
Steuerungskraft des Servomotors 110 abzustellen, bzw. die
Bewegung des Aktors 120 zu stoppen, wobei der Positionsfühler 150 die
Motorkoordinaten C1 der ersten Grenzposition S1 gleichzeitig ermittelt
(S250).
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Anschließend arbeitet
der Servomotor 110 unter Steuerung des Reglers 170 in
einem niedrigen Drehzahlmodus, bzw. bewegt den Aktor 120 zur
der zweiten Grenzposition (S260), wobei die Steuerungskraft des
Servomotors 110 ebenfalls kontinuierlich auf mögliche Überschreitung
einer Vorgabe überwacht
wird, um festzustellen, ob der Aktor 120 an die zweite
Grenzposition S2 gelangt (S270). Falls der Aktor an die zweite Grenzposition
S2 gelangt ist, veranlasst der Regler 170, die Steuerungskraft
des Servomotors 110 abzustellen bzw. die Bewegung des Aktors 120 zu
stoppen, wobei der Positionsfühler 150 die
Motorkoordinaten C2 der zweiten Grenzposition S2 gleichzeitig ermittelt
(S280).
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Aus
den jeweiligen Koordinaten der ersten Grenzposition S1 und der zweiten
Grenzposition S2 sowie den davon abhängigen Motorkoordinaten C1 und
C2 ergibt sich eine Umrechnungsfunktion zwischen den Motorkoordinaten
und den Effektivkoordinaten des Aktors 120 über ein
Kalkulatormodul 180 (S290). Nach Protokollierung der Umrechnungsfunktion
wird die Nullkorrektur beendet (S300). Bei weiterem Betrieb ergeben
sich die Effektivkoordinaten des Aktors 120 einfach durch
Substituierung der vorläufigen
Motorkoordinaten in diese Umrechnungsfunktion, wenn der Positionsfühler 150 die
Motorkoordinaten ermittelt.
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Das
Ziel des Nullkorrekturbetriebs liegt darin, in dem Augenblick, in
dem der Aktor 120 die erste Grenzposition S1 und die zweite
Grenzposition S2 erreicht, den Servomotor 110 abzustellen
sowie die entsprechenden Motorkoordinaten zu ermitteln. In diesem
Sinn ist die Ermittlung, ob der Aktor 120 an die erste
Grenzposition S1 oder die zweite Grenzposition S2 gelangt, für den Nullkorrekturbetrieb
entscheidend. Beim Nullkorrekturservo 100 wird zur Beurteilung,
ob der Aktor 120 an die erste Grenzposition S1 oder die
zweite Grenzposition S2 gelangt ist, ein Verfahren gewählt, bei
dem die Steuerungskraft des Servomotors 110 unmittelbar überwacht
bzw. geregelt wird, anstatt ein zusätzliches Abtastgerät zu verwenden.
Falls dabei die Steuerungskraft des Servomotors eine Vorgabe überschreitet,
entsteht eine augenblickliche Überspannung,
was bedeutet, dass der Aktor 120 den Anschlag der ersten
Grenzposition S1 oder der zweiten Grenzposition S2 berührt hat.
In diesem Zusammenhang ist kein Anbau eines zusätzlichen Abtastgerätes für das Servo 100 der
vorliegenden Erfindung notwendig, was ermöglicht, die Anzahl der Bauteile
des Servos 100 zu vermindern, bzw. die Herstellungskosten
zu verringern.
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- 1
- Servo
- 2
- Servomotor
- 3
- Aktor
- 4
- Abtastgerät
- 100
- Servo
- 110
- Servomotor
- 120
- Aktor
- 130
- Antriebsglied
- 140
- Untergestell
- 150
- Positionsfühler
- 160
- Zählgerät
- 170
- Regler
- 180
- Kalkulatormodul
- S
- Verfahrweg
- S0
- Initialpunkt
- S1
- Erste
Grenzposition
- S2
- Zweite
Grenzposition
- C0
- Mitte
der Motorkoordinaten
- C1
- Die
von der ersten Grenzposition abhängigen
Motorkoordinaten
- C2
- Die
von der zweiten Grenzposition abhängigen Motorkoordinaten
- S210
- Bewegung
des Servomotors zu der vom Positionsfühler wahrnehmbaren Mitte, bzw. Ermittlung
der initialen Motorkoordinaten.
- S220
- Bewegung
des Aktors an den Initialpunkt der Effektivkoordinaten, damit die
Kupplung mit der Antriebsachse des Servomotors erfolgt.
- S230
- Der
Servomotor arbeitet in einem niedrigen Drehzahlmodus, bzw. bewegt
den Aktor zur ersten Grenzposition.
- S240
- Ermittlung,
ob die Steuerungskraft eine Vorgabe überschreitet.
- S250
- Ermittlung
der von der ersten Grenzposition abhängigen Motorkoordinaten.
- S260
- Der
Servomotor arbeitet in einem niedrigen Drehzahlmodus, bzw. bewegt
den Aktor zur zweiten Grenzposition.
- S270
- Ermittlung,
ob die Steuerungskraft eine Vorgabe überschreitet.
- S280
- Ermittlung
der von der zweiten Grenzposition abhängigen Motorkoordinaten.
- S290
- Aus
den jeweiligen Koordinaten der ersten und zweiten Grenzposition
sowie den davon abhängigen
Motorkoordinaten ergibt sich eine Umrechnungsfunktion zwischen den
Motorkoordinaten und den Effektivkoordinaten des Aktors.
- S300
- Protokollierung
der Umrechnungsfunktion.