Egal wie ausgefeilt Ihr Bewegungscontroller ist, er kann ein schlecht konstruiertes elektromechanisches System nicht kompensieren.

Bewegungssteuerungssysteme bestehen aus drei Hauptkomponenten: dem Positioniermechanismus, der Motoransteuerelektronik und dem Bewegungscontroller. Jede dieser Komponenten muss sorgfältig ausgewählt werden, doch für optimale Systemergebnisse sollte der Positioniermechanismus zuerst geplant werden. Erfüllt der Mechanismus die Anforderungen nicht, können die Antriebe und der Bewegungscontroller dies nicht kompensieren.

Der erste Schritt bei der Entwicklung jedes Bewegungssystems besteht darin, den Prozess vollständig zu beschreiben und zu verstehen. Erstellen Sie anhand dieser Beschreibung eine Liste der Leistungsparameter der Komponenten. Diese Liste umfasst primäre Parameter wie die Anzahl der Achsen, den Verfahrweg jeder Achse, die Bewegungspräzision (einschließlich Auflösung, Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit), die Tragfähigkeit und die Abmessungen der Positioniereinheiten. Weniger offensichtliche, aber ebenso wichtige Parameter sind Umgebungsbedingungen, die Wahl des Antriebs, der Betrieb in verschiedenen Ausrichtungen, das Kabelmanagement bei Mehrachsenkonfigurationen, die Lebensdauerplanung und die einfache Integration. Eine kurze Überprüfung dieser Parameter zeigt, dass sie alle mit dem Positioniermechanismus zusammenhängen. Daher ist eine gründliche Bewertung dieser Komponenten entscheidend für den Projekterfolg.

Die Anwendung legt fest, ob der Positioniertisch linear, rotierend oder als Kombination mehrerer Tische in einem Mehrachsensystem ausgeführt ist. Selbst bei relativ einfachen Einachsenanwendungen sind zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen. Lasten spielen dabei eine entscheidende Rolle, da Faktoren wie Nutzlastgewicht und Schwerpunktlage die Bewegungsanforderungen erheblich beeinflussen können. Zu beachten sind typische und maximale Lastgewichte sowie die maximalen und minimalen Verfahrwege des Tisches, die erforderlichen Verfahrgeschwindigkeiten und die Beschleunigung.

Es ist wichtig, den Tisch als integralen Bestandteil des Gesamtsystems zu betrachten. Die Art der Montage und die Befestigungskonstruktion haben beispielsweise einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Tisches und die Einhaltung der Spezifikationen. Bei einer Hochgeschwindigkeitsinspektion, bei der sich Proben schnell unter einer Kamera hin und her bewegen, sollte ein Lineartisch beispielsweise auf einer Konstruktion montiert sein, die dem Schütteleffekt der bewegten Last standhält. Ebenso muss ein Lineartisch mit großem Verfahrweg, der für hohe Ebenheitsgenauigkeit ausgewählt wurde, auf einer entsprechend ebenen Fläche montiert werden, um Verformungen durch Anpassung des Tisches an eine unebene Oberfläche zu vermeiden.

Berücksichtigen Sie bei der Festlegung der Spezifikationen für den Positioniertisch auch die Anforderungen an die Lebensdauer des Systems. Ändern sich die Anforderungen im Laufe der Maschinenlebensdauer, kann dies dazu führen, dass das System außerhalb der Toleranzen des Positioniertisches liegt und die Genauigkeit, Produktivität und Zuverlässigkeit der Maschine beeinträchtigt werden. Wie bei jeder beweglichen Komponente können sich die Positionierfähigkeiten mit zunehmender Nutzungsdauer verändern. Stellen Sie sicher, dass der Positioniertisch für die Bewegungsanforderungen über die geplante Lebensdauer der Maschine ausgelegt ist.

Weitere Einflussfaktoren sind die Größe und die Umgebungsbedingungen des Systems. Dabei sind sowohl horizontale als auch vertikale Abmessungen zu berücksichtigen. Faktoren, die den Gesamtplatzbedarf des Systems beeinflussen können, sind unter anderem die Anordnung der Antriebsmechanik (extern oder intern) und die Art der Kabelführung. Umgebungsbedingungen können Reinraumanwendungen umfassen, bei denen die beweglichen Maschinenteile möglichst wenige Partikel erzeugen dürfen, oder verschmutzte Umgebungen, in denen Partikel in der Umgebung zu übermäßiger Reibung im Tisch führen und Zuverlässigkeit und Leistung beeinträchtigen können. Die Betriebstemperatur ist ein entscheidender Faktor, der die Leistung des Tisches erheblich beeinflussen kann. Bereits eine Temperaturänderung von zwei oder drei Grad Celsius kann eine so starke Ausdehnung verursachen, dass sich die Toleranz des Tisches verändert.

Viele Anwendungen erfordern Bewegungen über mehrere Achsen. In einem Mehrachsensystem müssen die Positioniertische für Bewegungen in verschiedene Richtungen gestapelt werden. Ein Siliziumwafer-Inspektionssystem benötigt beispielsweise möglicherweise lineare Bewegungen.XUndYsowohl Bewegung als auch RotationThetaBei solchen Systemen ist es wichtig zu berücksichtigen, wie sich die Geometrie auf die Toleranzen im restlichen System auswirkt. Beispielsweise kann sich bei zwei übereinander gestapelten Stufen die obere Stufe an den Endpunkten ihres Verfahrwegs durchbiegen. Die Durchbiegung der oberen Stufe hängt von der Auslegerlast auf der unteren Stufe ab. Diese Durchbiegung muss berücksichtigt werden, oder es sollte eine andere Konfiguration in Betracht gezogen werden. Der Stufenhersteller sollte sicherstellen, dass die Spezifikationen der gestapelten Stufen den Anwendungsanforderungen entsprechen.

In mehrstufigen Systemen kann das Kabelmanagement zu einem logistischen und Zuverlässigkeitsproblem werden. Kabel werden oft vernachlässigt, können aber die Lebensdauer, Geometrie und Leistung des Systems beeinflussen. Suchen Sie beim Bühnenhersteller nach innovativen Kabellösungen. Dazu gehören beispielsweise die interne Integration von Kabeln zur Reduzierung von Reibung und Zugkraft oder die Verwendung einer einzigen externen Kabelschnittstelle anstelle externer Kabelverbinder für mehr Flexibilität.

Die Wahl des Antriebssystems ist entscheidend. Die beiden gängigsten Antriebsarten sind Kugelgewindetriebe und Linearmotoren. Kugelgewindetriebe sind kostengünstig und leicht verständlich. Dank ihrer natürlichen Dämpfung sind sie einfach zu steuern, und eine Bremse lässt sich problemlos nachrüsten. Allerdings kann die mechanische Reibung die Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit erschweren. Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. extremen Temperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit, kann sich die Steigung der Kugelgewindespindel verändern und die Genauigkeit beeinträchtigen. Wenn thermische Effekte ein Problem darstellen, kann ein Linear-Encoder erforderlich sein oder ein Linearmotor-Tisch die bessere Wahl darstellen.

Linearmotorantriebe bestehen aus einer Magnetschiene und einer Spulenanordnung. Die Magnetschiene ist üblicherweise stationär und besteht aus einer Reihe von Permanentmagneten, die auf einem Stahlsubstrat montiert sind. Die Spulenanordnung enthält alle Kupferwicklungen und ist in der Regel am Schlitten des Linearmotors befestigt. Bei einigen Linearmotoren sind die Permanentmagnete zur Vereinfachung der Verkabelung direkt am Schlitten angebracht, jedoch begrenzt die Magnetlänge den Verfahrweg dieser Systeme.

Linearmotorantriebe eignen sich typischerweise am besten für leichte bis mittlere Lasten in Anwendungen mit hohen Drehzahlen, konstanter Geschwindigkeit oder großen Verfahrwegen. Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben bieten Linearmotorantriebe deutlich größere Verfahrwege, da sie bei zunehmendem Verfahrweg nicht durchhängen. Sie ermöglichen eine präzisere Drehzahlregelung, jedoch erschweren die bewegliche Spule und die Elektronik des Lineargebers das Kabelmanagement. Zudem sind große Linearantriebe schwerer und können mit zunehmendem Verfahrweg und Magnetgröße teurer werden.

Bei der Wahl des Antriebstyps spielen die Bremsfähigkeit und die Montageausrichtung eine wichtige Rolle. Linearmotoren bewegen sich im Leerlauf frei, während Kugelgewindetriebe durch Reibung gedämpft werden. Dies ist besonders wichtig bei vertikalen Anwendungen. Da ein Linearmotortisch nahezu reibungsfrei arbeitet, führt ein Stromausfall zum freien Fall des Schlittens. Zudem muss stets die Schwerkraft überwunden werden, was eine hohe, kontinuierliche Kraftbelastung des Motors erfordert. Kugelgewindetriebe eignen sich besser für vertikale Anwendungen, da Linearmotoren bei vertikalem Betrieb schnell überhitzen oder ein Gegengewicht benötigen können.

Die Wahl des Motors kann mit Kompromissen verbunden sein. Gängige Rotationsmotoren sind die kostengünstigste Option, benötigen aber mehr Platz im Antriebssystem. Linearmotoren sind platzsparender, aber teurer, da sie mehr Magnete als Rotationsmotoren besitzen und einen Linear-Encoder benötigen. Kugelgewindetriebe können Linear-Encoder verwenden, jedoch funktionieren Rotations-Encoder am Motor und an der Kugelgewindespindel oft genauso gut und sind kostengünstiger. Auch bei der Verwendung von Schrittmotoren oder Servomotoren gibt es Vor- und Nachteile. Schrittmotoren sind günstiger, Servomotoren bieten jedoch eine bessere Leistung bei hohen Drehzahlen.

Eine Option für einen Kugelgewindetrieb ist ein rahmenloser Motor. Ein rahmenloser Motor ist ein standardmäßiger bürstenloser Motor, der in den Tisch integriert ist. Die Rotormagnete sind direkt mit der Kugelgewindespindel verbunden, und die Statorwicklungen sind in das Tischende integriert. Diese Konfiguration macht die Motorkupplung überflüssig und spart so einige Zentimeter Platz. Durch den Wegfall der Kupplung werden Hysterese und Verwicklung der Motor-Kugelgewindetrieb-Verbindung reduziert, was die Leistung verbessert. Tischhersteller sollten Expertise im Bereich Motoren und Encoder bereitstellen, um die optimale Gesamtlösung für die jeweilige Anwendung zu definieren.

Sobald die mechanischen und elektrischen Aspekte der Systembewegung verstanden und die einzelnen Phasen ausgewählt sind, lassen sich die Details des Steuerungssystems festlegen. Ein Steuerungssystem sollte mit der Antriebselektronik kompatibel sein, wobei besonders zu beachten ist, dass nicht alle Antriebe Rückmeldeinformationen über ihre Anschlüsse liefern. Idealerweise sollte der Regler ohne zusätzliche Hardware direkt mit den Signalen von Wandlern und Aktoren kommunizieren. Er sollte zudem ausreichend leistungsfähig sein, um die Regelkreise innerhalb der natürlichen Datenraten des Systems zu schließen oder bei Bedarf die Bewegung mehrerer Achsen gleichzeitig zu koordinieren.