Typische Konfiguration eines Bewegungssystems

Lineare Bewegungen sind für viele bewegliche Maschinen von zentraler Bedeutung, und der Direktantrieb von Linearmotoren kann die Konstruktion der gesamten Maschine in diesen Anwendungen vereinfachen. Zu den weiteren Vorteilen zählt die verbesserte Steifigkeit, da Linearmotoren direkt mit der Last verbunden sind.

Die Integration dieser Motoren (und der benötigten Peripheriekomponenten) mag zunächst komplex erscheinen, lässt sich aber in fünf einfache Schritte unterteilen. Durch Befolgen dieser Schritt-für-Schritt-Anleitung können Maschinen- und Roboterhersteller die Vorteile von Linearmotoren ohne zusätzlichen Aufwand oder unnötige Komplexität nutzen.

1. Motortyp bestimmen: Eisenkernmotor versus eisenloser Motor

Im ersten Schritt muss der passende Linearmotor aus den verfügbaren Typen ausgewählt werden.

Eisenkernmotoren: Eisenkernmotoren sind am weitesten verbreitet und eignen sich für allgemeine Automatisierungsanwendungen. Der Begriff „Eisenkern“ bezieht sich auf die Spulenkonstruktion dieser Motoren, die aus Eisenkernblechen besteht. Eine typische Konfiguration besteht aus einer einseitig stationären Magnetbahn und einer beweglichen Motorspule bzw. einem beweglichen Motorantrieb. Der Eisenkern maximiert die erzeugte Schubkraft und erzeugt eine magnetische Anziehungskraft zwischen Spule und Magneten.

Diese magnetische Anziehungskraft kann genutzt werden, um die Steifigkeit des Linearführungssystems durch Vorspannung der Linearlager effektiv zu erhöhen. Die magnetische Vorspannung kann zudem das Frequenzverhalten des Systems durch verbesserte Verzögerung und Einschwingverhalten optimieren.

Andererseits muss die Anziehungskraft durch eine erhöhte Tragfähigkeit der Stützelemente und Linearführungen ausreichend aufgenommen werden. Dies kann die Gestaltungsfreiheit der Maschine einschränken.

Eine zweite Konfiguration eines Linearmotors mit Eisenkern besteht aus zwei stationären Magnetbahnen, die beidseitig der beweglichen Spule angeordnet sind. Diese patentierte Konstruktion kompensiert die magnetische Anziehung und erzielt gleichzeitig die höchste Kraft pro Querschnittsfläche. Die ausgewogene Konstruktion reduziert die Lagerbelastung, wodurch kleinere Linearführungslager eingesetzt und die Lagergeräusche verringert werden.

Motionsystemdesign Com Motoren Antriebe 0111 VorteileEisenlose Motoren: Es gibt auch eisenlose Linearmotoren; diese Motoren haben kein Eisen in ihren Spulen, sodass keine Anziehungskraft zwischen den Motorteilen entsteht.

Der gebräuchlichste eisenlose Motortyp ist der U-Kanal: Zwei Magnetbahnen bilden einen Kanal, in dem sich die Motorspule (oder der Antrieb) bewegt. Dieser Motor eignet sich ideal für Anwendungen, die geringe Drehzahlschwankungen und hohe Beschleunigung erfordern. Die eisenlose Konstruktion minimiert Drehmomentschwankungen durch die fehlende Anziehungskraft und das Rastmoment; die Beschleunigung wird durch das relativ geringe Gewicht der Spule erhöht.

Eine zweite eisenlose Bauform ist zylinderförmig. Magnete sind in einem Edelstahlrohr gestapelt, und die Motorspule bewegt sich um den Zylinder. Diese Bauform eignet sich als Ersatz für Kugelgewindetriebe, da sie bei annähernd gleichen Abmessungen deutlich höhere Drehzahlen und eine bessere Positioniergenauigkeit ermöglicht.

Spulengröße und Schienenlänge

Unabhängig von der Bauart müssen alle Spulen von Linearmotoren entsprechend den Anwendungsanforderungen dimensioniert werden: Last, Bewegungsprofil, Betriebsdauer, Genauigkeit, Präzision, Lebensdauer und Betriebsumgebung. Tipp: Nutzen Sie die technische Unterstützung der Hersteller von Linearmotoren und Auslegungssoftware (oft kostenlos), um den optimalen Motortyp und die passende Größe für Ihre Anwendung zu ermitteln.

Magnetschienenabschnitte sind in verschiedenen Längen erhältlich und können zur Erreichung der gewünschten Verfahrlänge aneinandergereiht werden, wobei die Gesamtlänge der Magnete praktisch unbegrenzt ist. Um die Konstruktion zu vereinfachen und Kosten zu senken, empfiehlt es sich, die längsten vom Hersteller erhältlichen Magnetschienenabschnitte zu verwenden.

2. Wählen Sie einen Encoder aus.

Der zweite Schritt bei der Entwicklung eines Linearmotorsystems ist die Auswahl des Linear-Encoders. Am häufigsten werden inkrementelle Linear-Encoder mit optischen oder magnetischen Lesekopfsensoren verwendet. Wählen Sie einen Encoder mit der für die Anwendung erforderlichen Auflösung und Genauigkeit, der zudem für die Maschinenumgebung geeignet ist.

Die Rückmeldung des Encoders wird üblicherweise über eine sinusförmige analoge oder digitale Impulsfolge an den Servoverstärker zurückgesendet. Alternativ bietet sich eine serielle Hochgeschwindigkeits-Encoder-Rückmeldung an, die höhere Datenraten, eine höhere Bitauflösung, eine bessere Störfestigkeit, längere Kabellängen und umfassende Alarminformationen ermöglicht.

Serielle Kommunikationsverbindungen erfolgen auf zwei Arten.

Eine direkte Kommunikation zwischen Verstärker und Encoder ist mit Encodern möglich, die über ein mit dem Verstärker kompatibles serielles Encoderprotokoll verfügen.

Besitzt ein Encoder keinen seriellen Ausgang (oder ist das serielle Ausgabeprotokoll nicht mit dem Verstärker kompatibel), kann ein serielles Konvertermodul verwendet werden. Dieses Modul empfängt ein analoges Signal vom Encoder zusammen mit dem Signal des Hall-Sensors, unterteilt das analoge Signal und überträgt diese Signaldaten seriell an den Servoverstärker. Die Daten des Hall-Sensors werden beim Einschalten und zur Überprüfung der Encoder-Rückmeldung verwendet.

Mehrere Hersteller von Linear-Encodern bieten mittlerweile absolute Linear-Encoder an, die eine Vielzahl von seriellen Kommunikationsprotokollen unterstützen, darunter auch proprietäre Protokolle von Drittherstellern von Verstärkern.

3. Wählen Sie den Verstärker aus.

Der dritte Schritt im Konstruktionsprozess ist die Auswahl des Servoverstärkers. Der Verstärker muss entsprechend dem Motor korrekt dimensioniert sein.

Plug-and-Play ist eine Funktion, die nur von Anbietern angeboten werden kann, die sowohl Servomotoren als auch Verstärker herstellen. Einige Anbieter bieten Plug-and-Play an, um die Inbetriebnahmezeit zu verkürzen und eine korrekte Konfiguration zu gewährleisten.

Einige Servoverstärker verfügen über eine automatische Motorerkennung und einen abstimmungsfreien Modus, wodurch die manuelle Abstimmung des Servosystems entfällt. Mithilfe dieser Software werden die Motordaten (einschließlich der Überlastkennlinien) beim Einschalten automatisch vom Motor an den Servoverstärker übertragen. Dies schließt potenzielle Bedienungsfehler bei der Eingabe der Motordaten aus und eliminiert praktisch das Risiko von Motorüberlastung und Phasenfehlern.

4. Stützelemente und Lager auswählen

Die beiden letzten Konstruktionsschritte gehen Hand in Hand, um die Konstruktion des Linearmotorsystems abzuschließen: Im vierten Schritt wird ein Linearbewegungslagersystem ausgewählt, und im fünften Schritt werden die Stützelemente konstruiert.

Bei den meisten Linearmotorbaugruppen sind zwei Ausrichtungen wichtig: der Abstand zwischen Motor und Magnetspule sowie der Abstand zwischen dem Lesekopf des Encoders und der linearen Skala. Letzteres Kriterium entfällt bei der Verwendung eines gekapselten Linear-Encoders.

Tipps:

Die Linearführungslager sollten eine ausreichende Präzision aufweisen, um die Spalttoleranzen einzuhalten, während die Stützelemente so ausgelegt sein sollten, dass sie die Komponenten richtig positionieren und die Parallelitätsanforderungen der Linearführungslager und des Encoders erfüllen.

Sind diese Kriterien erfüllt, hängt die Auswahl und Auslegung der Lager und Tragelemente letztlich von den Leistungsanforderungen der Maschine ab. Anwendungen, die hohe Genauigkeit und Präzision erfordern, benötigen einen hochauflösenden und hochpräzisen Encoder sowie hochpräzise Linearführungen.

Bei der Dimensionierung dieser Lager sind die Nutzlast und die magnetischen Anziehungskräfte der Linearmotoren mit Eisenkern zu berücksichtigen. In vielen Fällen können die Tragelemente der Linearlager und Magnetschienen in das Maschinengehäuse integriert werden.