Linearbewegungssysteme finden sich in unzähligen Maschinen, darunter Präzisionslaserschneidanlagen, Laborautomatisierungsanlagen, Halbleiterfertigungsmaschinen, CNC-Maschinen, Fabrikautomatisierung und viele weitere. Die Bandbreite reicht von relativ einfachen Systemen wie einem kostengünstigen Sitzversteller in einem Pkw bis hin zu komplexen, mehrachsigen Koordinatensystemen mit Steuerungs- und Antriebselektronik für die geschlossene Positionierung. Unabhängig von der Komplexität des Linearbewegungssystems haben sie alle eines gemeinsam: die Bewegung einer Last über eine lineare Distanz in einer bestimmten Zeit.

Eine der häufigsten Fragen bei der Entwicklung eines Linearantriebssystems dreht sich um die Motortechnologie. Nach der Wahl der Technologie muss der Motor so dimensioniert werden, dass er die Anforderungen an Lastbeschleunigung, Reibungsüberwindung im System und Schwerkraft erfüllt und gleichzeitig eine sichere maximale Betriebstemperatur gewährleistet. Drehmoment, Drehzahl, Leistung und Positionierfähigkeit des Motors hängen von der Motorkonstruktion sowie dem Antrieb und der Steuerung ab.

MIT WELCHEM MOTOR SOLLTE ICH BEGINNEN?

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, Ihnen Anregungen für die richtigen Fragen im Gespräch mit einem Motorlieferanten zu geben.

Es gibt nicht den einen besten Motor für jede Anwendung, sondern den besten Motor für eine bestimmte Anwendung. Für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen mit inkrementeller Bewegung wird entweder ein Schrittmotor, ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor zur Wahl stehen. Die komplexesten Bewegungssysteme können Linearmotoren verwenden, die direkt mit der Last gekoppelt sind, wodurch eine mechanische Leistungsumwandlung entfällt; eine Übersetzung über eine Leitspindel/Kugelumlaufspindel, ein Getriebe oder ein Riemenscheibensystem ist nicht erforderlich. Obwohl mit kernlosen linearen Servosystemen mit Direktantrieb maximale Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Positionsauflösung erreicht werden können, sind sie im Vergleich zu Rotationsmotoren am teuersten und komplexesten. Eine Architektur mit Rotationsmotoren ist deutlich kostengünstiger und eignet sich für die meisten Linearbewegungsanwendungen; zum Antrieb der Last ist jedoch eine Umwandlung von Rotation in Linear (und damit eine Leistungsumwandlung) erforderlich.

Schrittmotoren, Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren gelten alle als Gleichstrommotoren. Es gibt jedoch Feinheiten, die einen Ingenieur in einer bestimmten Anwendung dazu veranlassen, einen Typ den beiden anderen vorzuziehen. Es ist hervorzuheben, dass diese Wahl stark von den Konstruktionsanforderungen des Systems abhängt, nicht nur hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment, sondern auch hinsichtlich der Anforderungen an Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Auflösung. Es gibt nicht den perfekten Motor für jede Anwendung, und alle Entscheidungen erfordern konstruktive Kompromisse. Grundsätzlich basieren alle Motoren, egal ob Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren, Bürstenmotoren, bürstenlose Motoren oder andere Elektromotoren, auf demselben physikalischen Prinzip zur Drehmomenterzeugung: der Wechselwirkung magnetischer Felder. Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Motortechnologien in bestimmten Anwendungen. Die Gesamtleistung, das Ansprechverhalten und die Drehmomenterzeugung des Motors hängen von der Feldanregungsmethode und der Geometrie des Magnetkreises im physikalischen Motordesign, der Steuerung von Eingangsspannung und -strom durch die Steuerung/den Antrieb sowie der Geschwindigkeits- oder Positionsrückmeldung ab, falls dies die Anwendung erfordert.

Gleichstrom-Schrittmotoren, Bürstenservomotoren und bürstenlose Servomotoren nutzen alle eine Gleichstromversorgung. Bei linearen Bewegungsanwendungen bedeutet dies nicht, dass eine feste Gleichstromquelle direkt an die Motorwicklungen angelegt werden kann. Elektronik wird benötigt, um den Wicklungsstrom (bezogen auf das Ausgangsdrehmoment) und die Wicklungsspannung (bezogen auf die Ausgangsdrehzahl) zu steuern. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Stärken und Schwächen der drei Technologien.

Die Auslegung des Linearsystems beginnt mit der Lastmasse und deren Geschwindigkeit, mit der diese von Punkt A nach B bewegt werden muss. Motortyp, -größe und mechanische Konstruktion basieren auf der zum Bewegen der Last erforderlichen Leistung (Watt). Ausgehend von der Last und schließlich über alle Komponenten bis hin zur Antriebsstromversorgung besteht die Analyse aus mehreren Schritten, um die Leistungsumwandlung von einem Systemteil zum anderen zu verstehen und dabei die unterschiedlichen Wirkungsgrade der dazwischenliegenden Komponenten zu berücksichtigen. Watt in Form von Spannung und Strom im Antrieb werden letztendlich in mechanische Ausgangsleistung in Watt umgesetzt, die eine bestimmte Last in einer bestimmten Zeit bewegt.

Um die benötigte Ausgangsleistung an der Last zu ermitteln, hilft eine einfache Leistungsberechnung bei der groben Schätzung eines Motors. Nachdem Sie die benötigte durchschnittliche Ausgangsleistung ermittelt haben, analysieren Sie den Leistungsbedarf abschließend, indem Sie sich bis zum Motor vorarbeiten und die verschiedenen Leistungsumwandlungselemente durchlaufen. Herstellerangaben sollten herangezogen werden, um die Effizienz der verschiedenen Komponenten zu berücksichtigen, da diese letztendlich die Größe des Motors und der Stromversorgung bestimmt. Die Wahl der Einheiten ist eine Frage der persönlichen Vorlieben, SI-Einheiten werden jedoch dringend empfohlen. Durch die Arbeit mit SI-Einheiten müssen Sie sich nicht mehrere Umrechnungskonstanten merken, und das Endergebnis kann jederzeit wieder in englische Einheiten umgerechnet werden.

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

Das Anheben einer 9 kg schweren Masse gegen die Schwerkraft erfordert eine Kraft von etwa 88 N. Die Berechnung der zum Bewegen der Last benötigten Wattzahl liefert einen Ausgangspunkt für die Bestimmung der Komponenten im restlichen System. Dies ist die durchschnittliche Leistung, die benötigt wird, um eine Masse von 9 kg in 1 Sekunde vertikal von Punkt A nach Punkt B zu bewegen. Systemverluste wie Reibung sind nicht berücksichtigt. Die benötigte Motorwellenleistung ist etwas höher und hängt von den anderen im System verwendeten Komponenten wie Getriebe und Leitspindel ab.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64W

Dies unterscheidet sich von der vom System benötigten Spitzenleistung. Unter Berücksichtigung von Beschleunigung und Verzögerung ist die Momentanleistung während des Bewegungsprofils etwas höher; die durchschnittlich benötigte Ausgangsleistung beträgt jedoch etwa 18 Watt. Nach einer gründlichen Analyse aller Komponenten benötigt ein solches System etwa 37 Watt Spitzenleistung, um die Aufgabe zu erfüllen. Diese Informationen helfen nun zusammen mit den verschiedenen anderen Anwendungsspezifikationen bei der Auswahl der am besten geeigneten Motortechnologie.

WELCHE MOTORTECHNOLOGIE SOLLTE ICH IN BETRACHT ZIEHEN?

Hervorragende Positionierfähigkeit und relativ einfache Steuerung würden einen Konstrukteur dazu veranlassen, zunächst die Möglichkeit eines Schrittmotors zu prüfen. Ein Schrittmotor würde jedoch die Anforderungen an einen geringen mechanischen Platzbedarf bei gleichzeitiger Erfüllung der Lastanforderungen nicht erfüllen. Ein Spitzenleistungsbedarf von 37 Watt würde einen sehr großen Schrittmotor erfordern. Obwohl Schrittmotoren bei niedrigen Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment besitzen, übersteigt die Spitzengeschwindigkeit und damit der Leistungsbedarf des Bewegungsprofils die Leistung aller außer den größten Schrittmotoren.

Ein bürstenbehafteter Gleichstrom-Servomotor würde die Lastanforderungen erfüllen, einen geringen mechanischen Platzbedarf aufweisen und bei niedrigen Drehzahlen einen sehr gleichmäßigen Lauf gewährleisten. Aufgrund der strengen EMV-Anforderungen ist es jedoch wahrscheinlich besser, für diese spezielle Anwendung auf einen Bürstenmotor zu verzichten. Im Vergleich zu einem bürstenlosen System wäre dies eine kostengünstigere Alternative, könnte aber die Einhaltung der strengen EMV-Anforderungen erschweren.

Der bürstenlose Gleichstrommotor mit sinusförmigem Antriebssystem wäre die erste Wahl, um alle Anwendungsanforderungen zu erfüllen, einschließlich Last- und Bewegungsprofil (hohe Leistungsdichte), gleichmäßiger, ruckfreier Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringem mechanischen Platzbedarf. In diesem Fall besteht aufgrund der Hochfrequenzschaltung der Antriebselektronik weiterhin die Möglichkeit einer elektromagnetischen Störung (EMI). Diese kann jedoch durch Inline-Filterung aufgrund des schmaleren Frequenzbands gemildert werden. Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor weist eine breitere EMI-Signatur auf, was die Filterung erschwert.

DIE MOTORDIMENSIONIERUNG IST NUR DER ANFANG

Dieser Artikel erläuterte kurz verschiedene Aspekte bei der Auswahl einer Motortechnologie für eine relativ einfache Linearbewegungsanwendung. Obwohl die Prinzipien für komplexere Systeme wie einen XY-Tisch oder einen mehrachsigen Präzisions-Pick-and-Place-Mechanismus identisch sind, muss jede Achse einzeln auf ihre Belastung analysiert werden. Eine weitere Überlegung, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgeht, ist die Wahl eines geeigneten Sicherheitsfaktors, um die gewünschte Lebensdauer des Systems (Anzahl der Zyklen) zu erreichen. Die Lebensdauer eines Systems hängt nicht nur von der Motorgröße ab, sondern auch von den anderen mechanischen Elementen im System wie Getriebe und Gewindetrieb. Weitere Faktoren wie Positioniergenauigkeit, Auflösung, Wiederholgenauigkeit, maximale Roll-, Nick- und Gierbewegung usw. sind wichtige Überlegungen, um sicherzustellen, dass das Linearbewegungssystem die Anwendungsziele erreicht oder übertrifft.