Lineare Bewegungssysteme finden sich in unzähligen Maschinen, darunter Präzisionslaserschneidanlagen, Laborautomatisierungsanlagen, Halbleiterfertigungsanlagen, CNC-Maschinen, Fabrikautomatisierungssysteme und viele weitere. Ihr Spektrum reicht von relativ einfachen Systemen wie kostengünstigen Sitzverstellern in Pkw bis hin zu komplexen, mehrachsigen Koordinatensystemen mit Steuerungs- und Antriebselektronik für die Positionsregelung im geschlossenen Regelkreis. Unabhängig von ihrer Komplexität haben alle linearen Bewegungssysteme im Kern eines gemeinsam: die Bewegung einer Last über eine bestimmte Strecke innerhalb einer festgelegten Zeit.

Eine der häufigsten Fragen bei der Entwicklung linearer Bewegungssysteme betrifft die Motortechnologie. Nach der Wahl der Technologie muss der Motor so dimensioniert werden, dass er den Anforderungen der Lastbeschleunigung gerecht wird, die Reibung im System überwindet und die Schwerkraft kompensiert – und das alles bei gleichzeitiger Einhaltung einer sicheren maximalen Betriebstemperatur. Drehmoment, Drehzahl, Leistung und Positioniergenauigkeit des Motors hängen von seiner Konstruktion in Verbindung mit Antrieb und Steuerung ab.

Mit welchem ​​Motor soll ich anfangen?

Bei der Entwicklung eines Linearantriebssystems mit einer bestimmten Motortechnologie sind zahlreiche Anwendungsfragen zu berücksichtigen. Eine umfassende Erläuterung des gesamten Prozesses würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Ziel ist es, Sie dazu anzuregen, die richtigen Fragen an einen Motorenlieferanten zu stellen.

Es gibt nicht den einen besten Motor für jede Anwendung, sondern den besten Motor für eine bestimmte Anwendung. In den meisten Anwendungen mit inkrementellen Bewegungen kommt entweder ein Schrittmotor, ein Bürsten-Gleichstrommotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor zum Einsatz. Komplexe Bewegungssysteme verwenden Linearmotoren, die direkt mit der Last gekoppelt sind. Dadurch entfällt die mechanische Leistungswandlung; eine Translation über eine Gewindespindel/Kugelgewindespindel, ein Getriebe oder ein Riemenscheibensystem ist nicht erforderlich. Obwohl mit kernlosen, direkt angetriebenen Linearservosystemen höchste Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit erreicht werden können, sind diese im Vergleich zu Rotationsmotoren am teuersten und komplexesten. Eine Architektur mit Rotationsmotoren ist deutlich kostengünstiger und erfüllt die Anforderungen der meisten Anwendungen mit linearen Bewegungen. Allerdings ist eine „Rotations-Linear“-Wandlung (und damit eine Leistungswandlung) erforderlich, um die Last anzutreiben.

Schrittmotoren, Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren zählen alle zu den Gleichstrommotoren. Dennoch gibt es feine Unterschiede, die dazu führen können, dass ein Ingenieur in einer bestimmten Anwendung einen der beiden Motorentypen bevorzugt. Es ist wichtig zu betonen, dass diese Wahl stark von den Systemanforderungen abhängt, nicht nur hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment, sondern auch hinsichtlich Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Auflösung. Es gibt keinen perfekten Motor für jede Anwendung, und jede Entscheidung erfordert Kompromisse. Grundsätzlich funktionieren alle Motoren, ob als Wechsel- oder Gleichstrommotoren, Bürstenmotoren, bürstenlose Motoren oder andere Elektromotoren bezeichnet, nach demselben physikalischen Prinzip zur Drehmomenterzeugung: der Wechselwirkung von Magnetfeldern. Es bestehen jedoch erhebliche Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Motortechnologien in spezifischen Anwendungen. Die Gesamtleistung, das Ansprechverhalten und die Drehmomenterzeugung des Motors hängen von der Art der Feldanregung und der Geometrie des Magnetkreises im jeweiligen Motordesign, der Steuerung von Eingangsspannung und -strom durch den Controller/Antrieb sowie – falls erforderlich – von der Art der Drehzahl- oder Positionsrückmeldung ab.

DC-Schrittmotoren, Bürstenservomotoren und bürstenlose Servomotoren benötigen alle eine Gleichstromversorgung. Bei linearen Bewegungsanwendungen kann jedoch nicht einfach eine feste Gleichstromquelle direkt an die Motorwicklungen angelegt werden; Elektronik ist erforderlich, um den Wicklungsstrom (der das Ausgangsdrehmoment beeinflusst) und die Wicklungsspannung (die die Ausgangsdrehzahl beeinflusst) zu steuern. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Stärken und Schwächen der drei Technologien.

Die Auslegung des linearen Systems beginnt mit der Lastmasse und der erforderlichen Geschwindigkeit für deren Bewegung von Punkt A nach Punkt B. Motortyp, -größe und mechanische Konstruktion hängen von der benötigten Leistung (Watt) zum Bewegen der Last ab. Ausgehend von der Last und zurück über alle Komponenten bis hin zur Antriebsstromversorgung besteht die Analyse aus einer Reihe von Schritten, die das Verständnis der Leistungsumwandlung zwischen den Systemteilen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wirkungsgrade der Komponenten ermöglichen. Die dem Antrieb zugeführte Spannung und der Strom (Watt) werden letztendlich in die mechanische Ausgangsleistung (Watt) umgewandelt, die zum Bewegen einer bestimmten Last in einer bestimmten Zeit erforderlich ist.

Um einen Anhaltspunkt für die benötigte Ausgangsleistung an der Last zu erhalten, hilft eine einfache Leistungsberechnung, den Motor grob zu dimensionieren. Nachdem die durchschnittlich benötigte Ausgangsleistung ermittelt wurde, analysiert man die Leistungsanforderungen abschließend, indem man den Motor und das Netzteil über die verschiedenen Leistungswandler betrachtet. Die Herstellerangaben sollten herangezogen werden, um den Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten zu berücksichtigen, da dieser letztendlich die Größe des Motors und des Netzteils bestimmt. Die Wahl der Einheiten ist Geschmackssache, SI-Einheiten werden jedoch dringend empfohlen. Die Verwendung von SI-Einheiten erspart das Merken mehrerer Umrechnungsfaktoren, und das Endergebnis kann jederzeit wieder in angloamerikanische Einheiten umgerechnet werden.

WIE VIEL LEISTUNG WIRD BENÖTIGT, UM DIE LAST IN DER VORGESCHLAGENEN ZEIT ZU BEWEGEN?

Eine Masse von 9 kg, die entgegen der Schwerkraft angehoben wird, benötigt eine Kraft von etwa 88 N. Die Berechnung der benötigten Leistung (in Watt) zum Bewegen der Last liefert einen Ausgangspunkt für die Bestimmung der Komponenten des restlichen Systems. Dies ist die durchschnittliche Leistung, die benötigt wird, um eine Masse von 9 kg innerhalb einer Sekunde vertikal von Punkt A nach Punkt B zu bewegen. Systemverluste wie Reibung sind nicht berücksichtigt. Die benötigte Leistung der Motorwelle ist etwas höher und hängt von den anderen im System verwendeten Komponenten wie Getriebe und Gewindespindel ab.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 w

Dies unterscheidet sich von der maximalen Leistung, die das System benötigt. Unter Berücksichtigung von Beschleunigung und Verzögerung ist die momentane Leistung während des Bewegungsprofils etwas höher; die durchschnittliche Ausgangsleistung unter Last beträgt jedoch etwa 18 Watt. Nach eingehender Analyse aller Komponenten benötigt ein System wie dieses eine maximale Leistung von etwa 37 Watt, um die Aufgabe zu erfüllen. Diese Information hilft zusammen mit den verschiedenen anderen Anwendungsspezifikationen bei der Auswahl der am besten geeigneten Motortechnologie.

WELCHE MOTORENTECHNOLOGIE SOLLTE ICH IN BERÜCKSICHTIGEN?

Die hervorragende Positioniergenauigkeit und die relativ einfache Steuerung würden einen Konstrukteur zunächst dazu veranlassen, den Einsatz eines Schrittmotors in Betracht zu ziehen. Ein Schrittmotor würde jedoch die Anforderungen an eine geringe Baugröße bei gleichzeitiger Lastbewältigung nicht erfüllen. Ein maximaler Leistungsbedarf von 37 Watt würde einen sehr großen Schrittmotor erfordern. Obwohl Schrittmotoren bei niedrigen Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment aufweisen, übersteigt die maximale Geschwindigkeit und damit der Leistungsbedarf des Bewegungsprofils die Leistungsfähigkeit aller außer den größten Schrittmotoren.

Ein bürstenbehafteter Gleichstrom-Servomotor würde die Lastanforderungen erfüllen, einen geringen Platzbedarf aufweisen und bei niedrigen Drehzahlen sehr ruhig laufen. Aufgrund der strengen EMV-Anforderungen ist es jedoch ratsam, für diese Anwendung auf einen Bürstenmotor zu verzichten. Dies wäre zwar eine kostengünstigere Alternative zu einem bürstenlosen System, könnte aber Schwierigkeiten bei der Einhaltung strenger EMV-Vorschriften bereiten.

Der bürstenlose Gleichstrommotor mit sinusförmigem Ansteuersystem wäre die optimale Wahl, um alle Anwendungsanforderungen zu erfüllen, darunter das Last- und Bewegungsprofil (hohe Leistungsdichte), ein ruckfreier, gleichmäßiger Lauf bei niedrigen Drehzahlen und eine geringe Baugröße. Zwar besteht in diesem Fall aufgrund der hochfrequenten Schaltvorgänge der Ansteuerelektronik weiterhin die Möglichkeit von elektromagnetischen Störungen (EMI), diese lassen sich jedoch durch Inline-Filterung aufgrund des schmaleren Frequenzbandes reduzieren. Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor weist hingegen ein breiteres Frequenzband auf, was die Filterung erschwert.

DIE MOTORDIMENSIONIERUNG IST NUR DER ANFANG

Dieser Artikel bot eine kurze Einführung in verschiedene Aspekte der Motorauswahl für relativ einfache Linearbewegungsanwendungen. Obwohl die Prinzipien für komplexere Systeme wie XY-Tische oder mehrachsige Präzisions-Pick-and-Place-Systeme identisch sind, muss jede Achse hinsichtlich der Belastung separat analysiert werden. Ein weiterer, hier nicht behandelter Aspekt ist die Wahl eines geeigneten Sicherheitsfaktors, um die gewünschte Lebensdauer (Anzahl der Zyklen) des Systems zu erreichen. Die Systemlebensdauer hängt nicht nur von der Motorgröße ab, sondern auch von anderen mechanischen Komponenten wie Getriebe und Gewindespindel. Weitere wichtige Faktoren sind Positioniergenauigkeit, Auflösung, Wiederholgenauigkeit, maximale Roll-, Nick- und Gierbewegungen usw., um sicherzustellen, dass das Linearbewegungssystem die Anwendungsziele erfüllt oder übertrifft.