Linearmotoren und -aktuatoren sind mittlerweile preislich mit Kugelgewindetrieben und Riemenantrieben konkurrenzfähig und bieten eine deutlich höhere Agilität und Bandbreite für anspruchsvolle Positionieranwendungen. Neue Mikromotoren und -aktuatoren tragen zur Automatisierung bisher nicht realisierbarer Aufgaben bei. Direkte Linearantriebe ersetzen zunehmend servogesteuerte Pneumatikzylinder und bieten so mehr Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit – ohne die Kosten, Geräusche und Wartungsaufwand von Luftkompressoren.

Angetrieben von den Anforderungen der Halbleiterindustrie haben Hersteller von Linearmotoren die Präzision kontinuierlich 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, eine unübertroffene dynamische Agilität, minimieren den Wartungsaufwand und maximieren die Betriebszeit. Sie haben sich über den spezialisierten Einsatz in der Halbleiterindustrie hinaus etabliert und bieten in einer Vielzahl von Anwendungen höchste Leistung.

Mit der zehnfachen Geschwindigkeit und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben ist die lineare Direktantriebstechnologie oft die einzige Lösung für eine produktivitätssteigernde Automatisierung.

DYNAMISCHE ÜBERLEGENHEIT

Die dynamische Leistungsfähigkeit herkömmlicher Positioniermechanismen wird durch Gewindespindeln, Getriebe, Riemenantriebe und flexible Kupplungen begrenzt, die Hysterese, Spiel und Verschleiß verursachen. Auch pneumatische Aktuatoren leiden unter der Kolbenmasse und der Kolben-Zylinder-Reibung sowie der Kompressibilität der Luft, was die Servoregelung komplex macht. Linearmotoren und -aktuatoren eliminieren die Masse und Trägheit herkömmlicher Positionierer und bieten, befreit von diesen grundlegenden Einschränkungen, eine unübertroffene dynamische Steifigkeit.

Die direkte Krafterzeugung ermöglicht es Linearmotoren und Aktuatoren, eine Regelbandbreite zu erreichen, die mit alternativen Positioniermechanismen nicht möglich ist. Motor und Aktor können so die Vorteile moderner Regler voll ausschöpfen. Diese Regler sind auf hohe Regelverstärkung ausgelegt und erzielen dadurch eine Regelung mit großer Bandbreite, schnelles Einschwingverhalten und rasche Erholung nach transienten Störungen.

Linearmotoren und -aktuatoren eignen sich hervorragend für Bewegungen im Millimeterbereich, die im Bereich der Haftreibung arbeiten. Ihre geringe Masse und minimale Haftreibung minimieren die zum Anfahren benötigte Antriebskraft und vereinfachen die Steuerung, da sie ein Überschwingen beim Anhalten verhindern muss. Dank dieser Eigenschaften können Direktantriebsmotoren und -aktuatoren beispielsweise Mikroskop-Objektträger abtasten und die XY-Positionen von Objekten erfassen, die nur wenige Millimeter voneinander entfernt sind.

Anwendungen, die schnelle, sich wiederholende Bewegungen erfordern, können die hohe Bandbreite von Linearantrieben nutzen, um den Durchsatz von Kugelgewindetrieben oder Riemenantrieben zu verdoppeln. Maschinen, die Materialrollen (Papier, Kunststoffe, sogar Windeln) auf Länge schneiden, maximieren den Durchsatz, indem sie ohne Unterbrechung des Materialflusses arbeiten. Um im laufenden Betrieb zu schneiden, beschleunigen solche Maschinen das Schneidmesser, um es mit dem Materialfluss zu synchronisieren, fahren mit Materialgeschwindigkeit zur Schnittposition und starten dann den Schnitt. Nach dem Schneiden kehrt das Messer in seine Ausgangsposition zurück, um für den nächsten Schneidezyklus bereit zu sein.

LINEARMOTORTYPEN

Es stehen drei grundlegende Bauformen von Linearmotoren zur Verfügung: Flachbett-, U-Profil- und Rohrmotoren. Jeder Motor hat spezifische Vorteile und Einschränkungen.

Flachbettmotoren bieten zwar unbegrenzten Verfahrweg und höchste Antriebskraft, erzeugen aber eine erhebliche und unerwünschte magnetische Anziehungskraft zwischen der Last tragenden Kraft und der Permanentmagnetbahn des Motors. Diese Anziehungskraft erfordert Lager, die die zusätzliche Last aufnehmen können.

Der U-Profilmotor mit seinem eisenlosen Kern weist eine geringe Massenträgheit und damit maximale Wendigkeit auf. Allerdings verlaufen die lasttragenden Magnetspulen des Kraftgebers tief im Inneren des U-Profilrahmens, was die Wärmeabfuhr behindert.

Rohrlinearmotoren sind robust, thermisch effizient und besonders einfach zu installieren. Sie eignen sich als direkter Ersatz für Kugelgewindetriebe und pneumatische Positionierer. Die Permanentmagnete des Rohrmotors sind in einem Edelstahlrohr (Druckstange) eingeschlossen, das an beiden Enden gelagert ist. Ohne zusätzliche Druckstangenlagerung ist der Verfahrweg je nach Druckstangendurchmesser auf 2 bis 3 Meter begrenzt.

Von allen drei Motortypen eignen sich Rohrmotoren am besten für den industriellen Standardeinsatz. Rohrlinearmotoren profitieren erheblich von einer grundlegenden technischen Innovation. Die Linearmotoren von Copley Controls ersetzen den herkömmlichen externen Linear-Encoder durch integrierte Hall-Sensoren. Ein patentierter Magnetkreis ermöglicht es den Hall-Effekt-Sensoren, eine nahezu zehnfach höhere Auflösung und Wiederholgenauigkeit zu erzielen.

Da Linear-Encoder fast so viel kosten können wie der Linearmotor selbst, bedeutet deren Wegfall eine erhebliche Kostenreduzierung. Dies vereinfacht auch die Integration des Linearmotors in Automatisierungssysteme, da kein empfindlicher Encoder mehr unterstützt und ausgerichtet werden muss. Weitere Vorteile sind Robustheit, Zuverlässigkeit und die Unabhängigkeit von geschützten Umgebungen, die für Encoder erforderlich sind.

Rohrlinearmotoren lassen sich in leistungsstarke, vielseitige Linearantriebe mit Direktantrieb umwandeln. In dieser Ausführung bleibt der Kraftgeber stationär (am Maschinenrahmen verschraubt), während die Schubstange zur Lastpositionierung in reibungsarmen, schmierungsfreien Lagern innerhalb des Kraftgebers läuft. Linearantriebe sind Kugelgewindetrieben und Riemenantrieben überlegen und stellen eine leistungsfähigere Alternative zu programmierbaren servopneumatischen Positioniersystemen dar.

Rohrlinearmotoren eignen sich hervorragend für Anwendungen zur Verdopplung der Produktivität, da zwei unabhängige Kraftgeber auf einer einzigen Schubstange arbeiten. Jeder Kraftgeber verfügt über einen eigenen Servoantrieb und kann sich völlig unabhängig vom anderen bewegen. So kann beispielsweise ein Kraftgeber beladen, während der andere entlädt. Durch das Anheben von jeweils zwei Teilen von einem schnell laufenden Förderband und deren präzise Platzierung auf einem zweiten Förderband lässt sich der Durchsatz verdoppeln.

Ebenso können mehrere auf eine einzelne Schubstange wirkende Kraftverstärker die Antriebskraft verdoppeln, verdreifachen oder sogar vervierfachen. Die Kraftverstärker können von einer einzigen Steuerung bedient werden.

Die lasttragende Kraft des Linearmotors bewegt sich auf langlebigen Einzelschienenlagern. Im Gegensatz dazu weisen Kugelgewindetriebe zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung zusätzliche Verschleißquellen auf, die die Leistung beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen.

Die Schubstange des Linearantriebs gleitet auf langlebigen, schmierungsfreien Lagern im Antriebskörper. Diese einfache Konstruktion ermöglicht 10 Millionen Schaltzyklen. Die Lager des Antriebskörpers sind selbstausrichtend und vereinfachen so die Installation. Die Antriebskraft des Antriebskörpers wird direkt auf die Schubstange übertragen, was Beschleunigung und Ansprechverhalten verbessert.

Durch den Ersatz des externen Encoders durch einen im Kraftgeber integrierten Halbleitersensor werden Direktantriebsmotoren und Aktuatoren zu sehr einfachen Zweikomponentengeräten. Kraftgeber und Schubstange sind von Natur aus sehr robuste Bauteile, wodurch Motor und Aktuator die internationale Schutzart IP67 für Spritzwasserschutz erfüllen.

Durch den Verzicht auf schleifende Zahnräder und surrende Gewindespindeln zeichnen sich Linearmotoren und Aktuatoren durch einen immer wichtiger werdenden geräuscharmen Betrieb aus. Die OSHA folgt damit den europäischen Industrienormen, die zunehmend strengere Vorschriften zum Lärmschutz am Arbeitsplatz festlegen. Geräuscharmer Betrieb ist bereits in Laboren und Krankenhäusern unerlässlich; diese Problematik wird sich weiter verbreiten, sobald die OSHA ihre Regelung auf andere Produktionsumgebungen ausweitet.