Typische Konfiguration des Bewegungssystemdesigns

Lineare Bewegung ist für viele bewegliche Maschinen von zentraler Bedeutung. Der Direktantrieb von Linearmotoren vereinfacht die Maschinenkonstruktion in diesen Anwendungen. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Steifigkeit, da Linearmotoren direkt an der Last befestigt sind.

Die Integration dieser Motoren (und der benötigten Peripheriekomponenten) kann eine Herausforderung darstellen, lässt sich jedoch in fünf einfache Schritte unterteilen. Durch die Befolgung dieses schrittweisen Prozesses können Maschinen- und Roboterbauer die Vorteile von Linearmotoren ohne zusätzlichen Aufwand oder Komplexität nutzen.

1. Motortyp bestimmen: Eisenkern oder eisenlos

Der erste Schritt besteht darin, den Linearmotor aus den verfügbaren Typen auszuwählen.

Eisenkernmotoren: Eisenkernmotoren sind am weitesten verbreitet und eignen sich für allgemeine Automatisierungsanwendungen. Eisenkern bezieht sich auf die Spulenkonstruktion dieses Motors, die aus Eisenkernblechen besteht. Eine typische Konfiguration besteht aus einer einseitigen stationären Magnetbahn und einer beweglichen Motorspule bzw. einem Antrieb. 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 den Frequenzgang des Systems durch verbesserte Verzögerung und Beruhigung steigern.

Andererseits muss die Anziehungskraft durch eine erhöhte Tragfähigkeit der Stützelemente und Linearlager ausreichend unterstützt werden. Dies kann die mechanische Gestaltungsfreiheit der Maschine einschränken.

Eine zweite Linearmotorkonfiguration mit Eisenkern besteht aus zwei stationären Magnetbahnen, die beidseitig der beweglichen Spule angeordnet sind. Diese patentierte Konstruktion eliminiert die magnetischen Anziehungseffekte und liefert gleichzeitig höchste Kraft pro Querschnittsfläche. Das ausgewogene Design reduziert die Lagerbelastung, ermöglicht den Einsatz kleinerer Linearlager und reduziert die Lagergeräusche.

Motionsystemdesign Com Motoren Antriebe 0111 Vorteile Eisenlose Motoren: Es gibt auch eisenlose Linearmotoren; diese Motoren haben kein Eisen in ihren Spulen, sodass keine Anziehung zwischen den Motorelementen besteht.

Der am weitesten verbreitete eisenlose Motortyp ist der U-Kanal: Zwei Magnetbahnen bilden einen Kanal, in dem sich die Motorspule (der Forcer) bewegt. Dieser Motor eignet sich ideal für Anwendungen, die geringe Geschwindigkeitswelligkeit und hohe Beschleunigung erfordern. Die eisenlose Konstruktion minimiert die Drehmomentwelligkeit durch die Null-Anziehungskraft und das Null-Haftmoment; die Beschleunigung wird durch das relativ geringe Gewicht der Spule erhöht.

Eine zweite eisenlose Konfiguration hat die Form eines Zylinders. Magnete sind in einem Edelstahlrohr gestapelt, und die Motorspule bewegt sich um den Zylinder. Diese Konfiguration eignet sich als Ersatz für Kugelumlaufspindeln, da sie bei nahezu gleichem Bauraum deutlich höhere Geschwindigkeiten und Positioniergenauigkeit ermöglicht.

Spulengröße und Spurlänge

Unabhängig von der Konfiguration sollten alle Linearmotorspulen auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt sein: Belastung, Zielbewegungsprofil, Einschaltdauer, Genauigkeit, Präzision, Lebensdauer und Betriebsumgebung. Tipp: Nutzen Sie technischen Support von Linearmotorherstellern und nutzen Sie (oft kostenlose) Dimensionierungssoftware, um den optimalen Motortyp und die optimale Motorgröße für Ihre Anwendung auszuwählen.

Magnetbahnabschnitte werden in verschiedenen Längen angeboten und können aneinandergereiht werden, um die gewünschte Verfahrlänge zu erreichen. Die Gesamtlänge des Magneten ist dabei nahezu unbegrenzt. Um die Konstruktion zu vereinfachen und Kosten zu senken, empfiehlt es sich, die längsten verfügbaren Magnetbahnabschnitte des Herstellers zu verwenden.

2. Entscheiden Sie sich für einen Encoder

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

Die Encoder-Rückmeldung wird üblicherweise über eine sinusförmige analoge oder digitale Impulsfolge an den Servoverstärker zurückgesendet. Eine weitere Option ist die serielle Hochgeschwindigkeits-Encoder-Rückmeldung – diese bietet höhere Datenraten, höhere Bitauflösung, höhere Störfestigkeit, längere Kabellängen und umfassende Alarminformationen.

Die serielle Kommunikation erfolgt auf zwei Arten.

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

Wenn ein Encoder keinen seriellen Ausgang hat (oder das serielle Ausgabeprotokoll nicht mit dem Verstärker kompatibel ist), kann ein serielles Konvertermodul verwendet werden. In diesem Fall empfängt das Modul ein analoges Signal vom Encoder zusammen mit dem Hallsensorsignal, unterteilt das analoge Signal und überträgt diese Signaldaten seriell an den Servoverstärker. Die Hallsensordaten werden beim Einschalten und zur Überprüfung der Encoderrückmeldung verwendet.

Mehrere Hersteller linearer Encoder bieten mittlerweile absolute lineare Encoder an, die eine Vielzahl serieller Kommunikationsprotokolle unterstützen, darunter auch proprietäre Protokolle von Verstärker-Drittherstellern.

3. Wählen Sie den Verstärker

Der dritte Schritt im Konstruktionsprozess ist die Auswahl des Servoverstärkers. Der Verstärker muss auf der Grundlage des Motors die richtige Größe haben.

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 Startzeit zu verkürzen und eine korrekte Konfiguration zu gewährleisten.

Einige Servoverstärker verfügen über eine automatische Motorerkennung und einen Tuning-freien Modus, sodass eine Abstimmung des Servosystems nicht mehr erforderlich ist. Mit dieser Software werden die Motordaten (einschließlich Überlasteigenschaften) beim Einschalten automatisch vom Motor auf den Servoverstärker übertragen. Dadurch werden potenzielle Benutzerfehler bei der Eingabe der Motordaten vermieden und das Risiko von Motordurchgängen und Phasenfehlern praktisch eliminiert.

4. Stützelemente und Lager auswählen

Die beiden letzten Konstruktionsschritte gehen Hand in Hand, um die Konstruktion des Linearmotorsystems abzuschließen: Der vierte Schritt besteht in der Auswahl eines Linearbewegungslagersystems und der fünfte in der Konstruktion der Stützelemente.

Bei den meisten Linearmotoren gibt es zwei wichtige Ausrichtungskriterien: den Abstand zwischen Motor und Magnet (Spule und Magnetspur) sowie den Abstand zwischen Encoder-Lesekopf und Linearskala. Letzteres Kriterium entfällt bei der Auswahl eines geschlossenen Linearencoders.

Tipps:

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

Sobald diese Kriterien erfüllt sind, hängt die Auswahl und Konstruktion der Lager und Stützelemente letztlich von den Leistungsanforderungen der Maschine ab. Anwendungen, die hohe Genauigkeit und Präzision erfordern, benötigen einen hochauflösenden und hochgenauen Encoder sowie hochpräzise Linearlager.

Berücksichtigen Sie bei der Dimensionierung dieser Lager die Nutzlast und die magnetischen Anziehungskräfte von Linearmotoren mit Eisenkern. In vielen Fällen können die Stützelemente der Linearlager und Magnetschienen in den Maschinenrahmen integriert sein.