Linearmotoren haben die Möglichkeiten der Bewegungssteuerung revolutioniert und bieten im Vergleich zu herkömmlichen, drehmotorgetriebenen Linearantrieben eine schnellere, präzisere und zuverlässigere Leistung. Die einzigartige Eigenschaft eines Linearmotors besteht darin, dass die Last ohne mechanische Kraftübertragungskomponenten bewegt wird. Stattdessen wird die durch das Magnetfeld der Motorspule erzeugte lineare Kraft direkt auf die Last übertragen. Dadurch entfallen mechanische Bauteile, die die Drehbewegung in eine Linearbewegung umwandeln, was die Lebensdauer, Präzision, Geschwindigkeit und Gesamtleistung des Systems deutlich verbessert.
Mit steigender Nachfrage nach höherer Produktivität, besserer Produktqualität, kürzeren Entwicklungszeiten und geringeren Entwicklungskosten gewinnt die Linearmotortechnologie, insbesondere durch modulare Bauweisen, zunehmend an Bedeutung. Sie findet Anwendung in der Messtechnik, Präzisionsschneidsystemen, Halbleiter- und Elektronikfertigungsanlagen, Waferhandhabung, Lithografie, Bildverarbeitungssystemen, Medizintechnik, Testsystemen, der Luft- und Raumfahrt, der Fertigungsautomatisierung, Druck- und Verpackungsanwendungen sowie vielen weiteren Bereichen, die einen hohen Durchsatz und hochpräzise Linearbewegungen erfordern.
Die Komponenten eines Linearmotors müssen mit hoher Präzision und wiederholbaren Verfahren bearbeitet und montiert werden. Die korrekte Ausrichtung dieser Teile ist entscheidend und erfordert detaillierte Konstruktionsplanung sowie umfassende Montagekenntnisse.
Die neue Generation modularer Linearmotoren hat die Branche revolutioniert. Diese sofort einsatzbereiten, modularen Linearmotoren lassen sich einfach in ein System integrieren und reduzieren den Entwicklungsaufwand erheblich. Ingenieure können die Vorteile dieser Technologie nun innerhalb weniger Tage statt Monate oder gar Jahre in ihre Maschinenkonstruktionen einfließen lassen.
Linearmotorsysteme bestehen aus neun Hauptkomponenten:
- Eine Grundplatte
- Eine Motorspule
- Eine permanente Magnetbahn (normalerweise Neodym-Magnete)
- Ein Schlitten, der die Motorspule mit der Last verbindet
- Lineare Lagerschienen, auf denen der Schlitten geführt wird und die mit der Basis verbunden sind
- Ein linearer Encoder zur Positionsrückmeldung
- Endanschläge
- Eine Kabelstrecke
- Optionale Faltenbälge zum Schutz der Magnetschiene, des Encoders und der Linearführungen vor Umwelteinflüssen.
Regelkreis
Die Komponenten eines Linearmotors müssen mit hoher Präzision und wiederholgenauen Verfahren gefertigt und montiert werden. Die korrekte Ausrichtung dieser Teile ist entscheidend und erfordert detaillierte Konstruktionskenntnisse sowie umfassende Montageerfahrung. Beispielsweise müssen die Magnetschiene und die bewegliche Motorspule plan, parallel und mit einem bestimmten Luftspalt montiert sein. Die bewegliche Spule läuft auf einem Schlitten, der mit parallelen Präzisions-Linearführungen oberhalb der Magnetschiene verbunden ist. Der Positionsgeber mit linearer Skala und Lesekopf ist eine weitere wichtige Komponente eines Linearmotors, die präzise Ausrichtungsverfahren und eine robuste Montage erfordert, um Beschleunigungen bis zu 5 g standzuhalten. Bei modularen Linearmotoren sind diese Details bereits berücksichtigt und vorkonfiguriert.
Modulare Linearmotorsysteme wie das abgebildete kommen zum Einsatz, wenn präzise, schnelle und wiederholbare Linearbewegungen erforderlich sind. Das System stellt eine Alternative zu Kugelgewindetrieben, Riemenantrieben und Zahnstangenantrieben dar.
Hochentwickelte Bewegungssteuerungen und Servoantriebe steuern die Bewegung des Linearmotors. Linearmotoren bieten deutliche Vorteile hinsichtlich Steifigkeit und Frequenzgang. In bestimmten Frequenzbereichen weisen sie eine Steifigkeit auf, die herkömmliche Kugelgewindetriebe um ein Vielfaches übertrifft. Dank dieser Eigenschaft können Linearmotoren selbst bei externen Störungen hohe Positions- und Geschwindigkeitsregelbandbreiten mit beeindruckender Präzision bewältigen. Im Gegensatz zu Kugelgewindetrieben, deren Resonanzfrequenzen häufig zwischen 10 und 100 Hz liegen, arbeiten Linearmotoren mit höheren Frequenzen, wodurch ihre Resonanzen weit außerhalb der Positionsregelbandbreite liegen.
Die Entfernung der mechanischen Kraftübertragung bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Mechanische Komponenten wie Kugelgewindetriebe tragen dazu bei, Störungen durch Maschinenkräfte, Eigenresonanzen oder Schwingungen quer zur Achse zu reduzieren. Durch ihren Wegfall sind Linearmotoren diesen Störungen direkt ausgesetzt. Folglich obliegt die Kompensation dieser Störungen der Bewegungssteuerung und der Antriebselektronik, die direkt auf die Servoachse einwirken müssen. Hier kommen die modernen, hochentwickelten Regelungsalgorithmen zum Einsatz, die Resonanzen eliminieren und eine präzise Positionsregelung ermöglichen.
Im Bereich der Linearantriebe zeichnen sich Linearmotoren durch ihre herausragende technische Leistungsfähigkeit aus. Ihre überlegene Steifigkeit und die Fähigkeit, bei höheren Frequenzen zu arbeiten, heben sie von herkömmlichen Alternativen ab. Da sie Resonanzfrequenzen widerstehen und auch bei externen Störungen eine hohe Präzision gewährleisten, bieten Linearmotoren eine überzeugende Lösung.
Dennoch erfordert das Fehlen einer mechanischen Kraftübertragung robuste Kompensationsstrategien, um Störungen entgegenzuwirken und die kontinuierliche Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten. Die Abtastfrequenzen von Bewegungsreglern für Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise beginnen typischerweise bei 5 kHz. Eine Linearmotorachse kann eine Positionsregelkreis-Bandbreite aufweisen, die fünf- bis zehnmal so hoch ist wie die einer herkömmlichen, rotativ angetriebenen Achse, bei der Frequenzen von 1 oder 2 kHz akzeptabel sind. Einige moderne Bewegungsregler erreichen Abtastraten von 20 kHz oder mehr, was eine extrem schnelle Rückkopplungsregelung und eine hochpräzise Bahnsteuerung ermöglicht.
Da die meisten Hersteller modularer Linearmotoren auch Experten für Bewegungssteuerung und Servotechnik sind, wurden viele Herausforderungen im Bereich der Regelkreise sowie Bedenken hinsichtlich der mechanischen Resonanz bereits gut durchdacht, und es werden Lösungen und Werkzeuge zur Minderung dieser Herausforderungen bereitgestellt.
ANWENDUNG VON LINEARMOTOREN
Ich sammelte vor Jahren wertvolle Erfahrungen im Umgang mit Linearmotoren in einem Ingenieurteam, das ein revolutionäres Projekt verfolgte: die Entwicklung der weltweit ersten Laserschneidmaschine mit Linearmotoren. Der Einsatz von Linearmotoren erwies sich als ideal, um die Branche grundlegend zu verändern, da herkömmliche Linearantriebe mit Drehservomotoren nicht die mit Linearmotoren erzielbare hohe Leistungsfähigkeit erreichten.
Die Implementierung der Technologie erwies sich als nicht einfach. Im Laufe des Projekts stellten wir fest, dass unsere Anwendung Leistungsanforderungen an Linearmotoren stellte, die nicht kommerziell erhältlich waren. Unbeirrt beschlossen wir, Linearmotoren speziell für unsere Anwendung zu entwickeln.
Wir standen vor zahlreichen Herausforderungen, da wir ein 454 kg schweres Portalsystem mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s und einer Beschleunigung von 1,5 g bewegen mussten. Dies erforderte die Entwicklung eines Linearmotors, der extreme Kräfte erzeugen konnte. Unser Team gab nicht auf und investierte unzählige Stunden in Forschung und Entwicklung, bis wir schließlich einen Linearmotor entwickelt hatten, der den Anforderungen unserer Laserschneidmaschine gerecht wurde. Es war ein stolzer Moment, als wir unsere Linearmotoren 14 Monate später endlich in Aktion sahen und sie das Portalsystem mit unglaublicher Geschwindigkeit, Leichtigkeit und Präzision bewegten. Die erzielte Leistung war beispiellos. Es ist bemerkenswert, wie viel schneller unser Maschinenkonzept hätte realisiert werden können, wenn damals bereits schlüsselfertige modulare Linearmotoren verfügbar gewesen wären.
Die Linearmotortechnologie hat sich seit unseren Anfängen in den 90er-Jahren rasant weiterentwickelt. Dank neuer modularer Bauweisen ist das Innovationspotenzial und der Fortschritt in der Bewegungstechnik und bei Linearmotoren so groß wie nie zuvor. Modulare Linearmotoren definieren die Möglichkeiten neu und bieten schnellere, präzisere und zuverlässigere Bewegungssteuerung. Sie lassen sich rasch implementieren und kommen einer Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichsten Branchen zugute.
Veröffentlichungsdatum: 14. August 2023