Linearmotoren und -aktuatoren sind heute preislich konkurrenzfähig mit Kugelumlaufspindeln und Riemenantrieben und bieten deutlich höhere Agilität und Bandbreite für anspruchsvolle Positionierungsanwendungen. Neue Mikromotoren und -aktuatoren tragen zur Automatisierung bisher unerreichbarer Aufgaben bei. Direkte Linearantriebe ersetzen zunehmend servogesteuerte Pneumatikzylinder und sorgen für mehr Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit – ganz ohne die Kosten, den Lärm und den Wartungsaufwand von Luftkompressoren.

Angetrieben von den Anforderungen der Halbleiterindustrie haben Hersteller von Linearmotoren die Präzision stetig erhöht, die Preise gesenkt, verschiedene Motortypen entwickelt und die Integration in Automatisierungsanlagen vereinfacht. Moderne Linearmotoren bieten eine Spitzenbeschleunigung von 20 g und eine Geschwindigkeit von 10 m/s, zeichnen sich durch unübertroffene dynamische Agilität aus, minimieren den Wartungsaufwand und vervielfachen die Betriebszeit. Sie sind über den spezialisierten Einsatz in der Halbleiterindustrie hinausgegangen und bieten nun auch in zahlreichen Anwendungen fortschrittliche Leistung.

Mit der zehnfach höheren Geschwindigkeit und Lebensdauer von Kugelumlaufspindeln ist die lineare Direktantriebstechnologie oft die einzige Lösung für eine produktivitätssteigernde Automatisierung.

DYNAMISCHE ÜBERLEGENHEIT

Die dynamische Leistung herkömmlicher Positioniermechanismen wird durch Leitspindeln, Getriebe, Riemenantriebe und flexible Kupplungen begrenzt, die Hysterese, Spiel und Verschleiß verursachen. Pneumatische Antriebe sind ebenfalls durch die Kolbenmasse und die Kolben-Zylinder-Reibung sowie die Luftkompressibilität beeinträchtigt, was die Servosteuerung komplexer macht. Linearmotoren und -antriebe verzichten auf die Masse und Trägheit herkömmlicher Positionierer und bieten, befreit von diesen grundlegenden Einschränkungen, eine unübertroffene dynamische Steifigkeit.

Durch die direkte Antriebskrafterzeugung erreichen Linearmotoren und Aktuatoren eine Regelbandbreite, die mit alternativen Positionierungsmechanismen nicht erreichbar ist. Motor und Aktuator können die Vorteile moderner Steuerungen voll ausschöpfen. Diese Steuerungen sind auf hohe Regelverstärkung ausgelegt und ermöglichen so eine breite Regelbandbreite, schnelles Einschwingen und eine schnelle Erholung von vorübergehenden Störungen.

Linearmotoren und -aktuatoren zeichnen sich durch Millimeterbewegungen im Haftreibungsbereich aus. Ihre geringe Masse und minimale Haftreibung minimieren die zum Anfahren erforderliche Antriebskraft und vereinfachen die Steuerung, da sie ein Überschwingen beim Anhalten verhindert. Dank dieser Eigenschaften können Direktantriebsmotoren und -aktuatoren beispielsweise Mikroskopobjektträger scannen und die XY-Positionen von Artefakten im Millimeterbereich erfassen.

Anwendungen, die schnelle, sich wiederholende Bewegungen erfordern, können die hohe Bandbreite des Linearantriebs nutzen, um den Durchsatz von Kugelumlaufspindeln oder Riemenantrieben zu verdoppeln. Maschinen, die Materialrollen (Papier, Kunststoffe, sogar Windeln) auf Länge schneiden, maximieren den Durchsatz, indem sie den Materialfluss ohne Unterbrechung laufen lassen. Für den schnellen Schnitt beschleunigen solche Maschinen das Schneidmesser, um es mit dem Materialfluss zu synchronisieren, fahren mit Materialgeschwindigkeit zur Schnittstelle und beginnen dann mit dem Schnitt. Nach dem Schnitt kehrt das Messer zum Ausgangspunkt zurück und wartet auf den nächsten Rundlauf.

LINEARMOTORENTYPEN

Es stehen drei grundlegende Linearmotorkonfigurationen zur Verfügung: Flachbett-, U-Kanal- und Rohrmotoren. Jeder Motor hat seine eigenen Vorteile und Nachteile.

Flachbettmotoren bieten zwar unbegrenzten Hub und höchste Antriebskraft, üben aber eine erhebliche und unerwünschte magnetische Anziehung zwischen dem Lastträger und der Permanentmagnetbahn des Motors aus. Diese Anziehungskraft erfordert Lager, die die zusätzliche Last aufnehmen können.

Der U-Kanal-Motor mit seinem eisenlosen Kern weist eine geringe Trägheit und damit maximale Agilität auf. Die lasttragenden Magnetspulen des Antriebs liegen jedoch tief im U-Kanal-Rahmen, was die Wärmeabfuhr einschränkt.

Rohrlinearmotoren sind robust, wärmeeffizient und am einfachsten zu installieren. Sie eignen sich als Ersatz für Kugelumlaufspindeln und pneumatische Positionierer. Die Permanentmagnete des Rohrmotors sind in einem Edelstahlrohr (Schubstange) untergebracht, das an beiden Enden abgestützt ist. Ohne zusätzliche Schubstangenabstützung ist der Lastweg je nach Schubstangendurchmesser auf 2 bis 3 Meter begrenzt.

Von allen drei Motortypen eignen sich Rohrmotoren am besten für den industriellen Einsatz. Rohrlinearmotoren profitieren maßgeblich von einer grundlegenden technischen Innovation. Die Linearmotoren von Copley Controls ersetzen den herkömmlichen externen Linearencoder durch integrierte Hall-Sensoren. Ein patentierter Magnetkreis ermöglicht Hall-Effekt-Sensoren eine fast zehnfach verbesserte Auflösung und Wiederholgenauigkeit.

Da Linearencoder fast so viel kosten können wie der Linearmotor selbst, stellt ihr Verzicht eine erhebliche Kostenreduzierung dar. Dies vereinfacht auch die Integration von Linearmotoren in Automatisierungssysteme, da kein komplizierter Encoder unterstützt und ausgerichtet werden muss. Weitere Vorteile sind Robustheit, Zuverlässigkeit und die Unabhängigkeit von geschützten Umgebungen, die Encoder benötigen.

Rohrlinearmotoren lassen sich in leistungsstarke, vielseitige Linearantriebe mit Direktantrieb verwandeln. Bei einem Linearantrieb bleibt der Antrieb stationär (am Maschinenrahmen verschraubt), während die Schubstange zur Lastpositionierung auf reibungsarmen, schmierfreien Lagern im Antrieb läuft. Der Linearantrieb übertrifft nicht nur Kugelumlaufspindeln und Riemenantriebe, sondern ist auch eine leistungsstärkere Alternative zu programmierbaren servopneumatischen Positioniersystemen.

Rohrlinearmotoren eignen sich für Anwendungen zur Produktivitätsverdoppelung mit zwei unabhängigen Antrieben, die auf einer einzigen Schubstange arbeiten. Jeder Antrieb verfügt über einen eigenen Servoantrieb und kann völlig unabhängig vom anderen Antrieb verfahren. So kann beispielsweise ein Antrieb laden, während der andere entlädt. Diese Technik kann den Durchsatz verdoppeln, indem jeweils zwei Teile von einem schnell laufenden Förderband gehoben und präzise auf einem zweiten Förderband abgelegt werden.

Ebenso können mehrere Forcer, die auf eine einzige Schubstange wirken, die Antriebskraft verdoppeln, verdreifachen oder sogar vervierfachen. Die Forcer können über eine einzige Steuerung gesteuert werden.

Der lasttragende Antrieb des Linearmotors läuft auf langlebigen Einschienenlagern. Im Gegensatz dazu sind Kugelumlaufspindeln mit zusätzlichen Verschleißquellen verbunden, die die Leistung beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen.

Die Schubstange des Linearantriebs gleitet auf langlebigen, schmiermittelfreien Lagern im Antrieb. Diese Einfachheit ermöglicht dem Antrieb 10 Millionen Schaltspiele. Die selbstausrichtenden Lager erleichtern die Installation. Die Antriebskraft wird direkt auf die Schubstange übertragen, was Beschleunigung und Ansprechverhalten verbessert.

Durch den Ersatz des externen Encoders durch einen im Antrieb integrierten Halbleitersensor werden Direktantriebsmotoren und -aktuatoren zu sehr einfachen Zweikomponentengeräten. Antrieb und Schubstange sind beide von Natur aus sehr robuste Komponenten, wodurch Motor und Aktuator die internationale Schutzart IP67 erfüllen.

Das Fehlen schleifender Zahnräder und surrender Leitspindeln verleiht Linearmotoren und -aktuatoren die zunehmend wichtige Eigenschaft des geräuscharmen Betriebs. Die OSHA folgt dicht auf den Fersen der europäischen Industrievorschriften, die immer strengere Vorschriften zum Lärm am Arbeitsplatz erlassen. Ein leiser Betrieb ist in Labor- und Krankenhausumgebungen bereits von entscheidender Bedeutung; dieses Anliegen wird sich noch weiter verbreiten, da die OSHA ihre Vorschriften auf andere Produktionsumgebungen ausweitet.