Egal, wie ausgefeilt Ihr Bewegungscontroller ist, er kann ein schlecht konzipiertes elektromechanisches System nicht überwinden.

Motion-Control-Systeme bestehen aus drei Hauptkomponenten: dem Positionierungsmechanismus, der Motorantriebselektronik und dem Motion Controller. Jede dieser Komponenten sollte sorgfältig ausgewählt werden. Für optimale Systemergebnisse sollte jedoch zuerst der Positionierungsmechanismus geplant werden. Wenn der Mechanismus die Anforderungen nicht erfüllt, können Antriebe und Motion Controller den Unterschied nicht ausgleichen.

Der erste Schritt bei der Entwicklung eines 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 wichtige Parameter wie Achsenanzahl, Verfahrweg jeder Achse, Bewegungspräzision (einschließlich Auflösung, Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit), Nutzlastkapazität und physikalische Größe der Tische. Weniger offensichtliche, aber ebenso wichtige Parameter sind Umgebungsbedingungen, Antriebsauswahl, Betrieb in verschiedenen Ausrichtungen, Kabelmanagement in Mehrachsenkonfigurationen, Lebensdauerplanung und einfache Integration. Ein kurzer Blick auf diese Parameter zeigt, dass sie alle mit dem Positionierungsmechanismus zusammenhängen. Daher ist eine gründliche Bewertung dieser Komponenten entscheidend für den Projekterfolg.

Die Anwendung bestimmt, ob der Positioniertisch linear, rotativ oder eine Kombination mehrerer Tische in einem Mehrachsensystem ist. Selbst bei relativ einfachen Einachsenanwendungen gibt es viele Überlegungen. Lasten sind ein wichtiger Aspekt dieses Profils, da Faktoren wie Nutzlastgewicht und Schwerpunkt die Bewegungsanforderungen erheblich beeinflussen können. Berücksichtigen Sie typische und maximale Lastgewichte sowie die maximale und minimale Distanz, die der Tisch zurücklegen muss, die erforderlichen Verfahrgeschwindigkeiten und die Beschleunigung.

Es ist wichtig, den Tisch als integralen Bestandteil des Gesamtsystems zu betrachten. Die Art und Weise der Tischmontage sowie die Montagestruktur haben beispielsweise einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Tisches und seine Fähigkeit, die Spezifikationen zu erfüllen. Beispielsweise sollte bei einer Hochgeschwindigkeits-Prüfanwendung, bei der Proben unter einer Kamera schnell hin und her schwingen, ein Linearpositioniertisch auf einer Struktur montiert werden, die dem „Farbschütteleffekt“ der bewegten Last standhält. Ebenso muss ein Lineartisch mit großem Verfahrweg, der auf hohe Ebenheitspräzision ausgelegt ist, auf einer entsprechend ebenen Oberfläche montiert werden, um Verformungen durch Anpassung des Tisches an eine unebene Oberfläche zu vermeiden.

Berücksichtigen Sie bei der Definition der Tischspezifikationen auch die Lebensdaueranforderungen des Systems. Ändern sich die Anforderungen im Laufe der Maschinenlebensdauer, kann dies dazu führen, dass das System die Toleranzen des Positioniertisches überschreitet und die Genauigkeit, Produktivität und Zuverlässigkeit der Maschine beeinträchtigt. Wie bei jedem beweglichen Bauteil können sich die Positionierungsfähigkeiten bei längerem Gebrauch ändern. Stellen Sie sicher, dass der Tisch die Bewegungsanforderungen über die vorgesehene Lebensdauer der Maschine erfüllt.

Weitere Einflussfaktoren sind die Größe und die Umgebungsbedingungen des Systems. Berücksichtigen Sie dabei sowohl horizontale als auch vertikale Größenbeschränkungen. Faktoren, die den Gesamtplatzbedarf des Systems beeinflussen können, sind beispielsweise die externe oder interne Antriebsmechanik und die Art der Verkabelung. Zu den Umgebungsbedingungen zählen Reinraumanwendungen, bei denen die beweglichen Teile der Maschine möglichst wenig Partikel erzeugen dürfen, oder schmutzige Umgebungen, in denen Umgebungspartikel zu übermäßiger Reibung im Tisch führen und so Zuverlässigkeit und Leistung beeinträchtigen können. Die Betriebstemperatur ist ein wichtiger Umweltfaktor, der die Leistung des Tisches erheblich beeinflussen kann. Schon eine Temperaturänderung von zwei bis drei Grad kann eine ausreichende Ausdehnung bewirken, die die Tischtoleranz verändert.

Viele Anwendungen erfordern mehrachsige Bewegung. In einem mehrachsigen System müssen die Tische für Bewegungen in verschiedene Richtungen gestapelt werden. Ein Silizium-Wafer-Inspektionssystem muss beispielsweise lineareXUndYBewegung sowie 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 Tischen der obere Tisch an den Enden seines Verfahrwegs verbiegen. Die Durchbiegung des oberen Tisches ist abhängig von der Auslegerlast des unteren Tisches. Diese Durchbiegung muss berücksichtigt oder eine andere Konfiguration in Betracht gezogen werden. Der Tischhersteller sollte sicherstellen, dass die Spezifikationen der gestapelten Tische den Anwendungsanforderungen entsprechen.

In mehrstufigen Systemen kann das Kabelmanagement zu einem logistischen und zuverlässigen Problem werden. Kabel werden oft übersehen, können aber die Lebensdauer, Geometrie und Leistung des Systems beeinträchtigen. Fragen Sie den Bühnenhersteller nach innovativen Verkabelungslösungen. Dazu gehören beispielsweise die interne Integration von Kabeln zur Reduzierung von Reibung und Widerstand oder die Verwendung einer einzigen externen Kabelschnittstelle anstelle externer Kabelstecker für mehr Flexibilität.

Die Wahl des Systemantriebs ist entscheidend. Die beiden gängigsten Antriebsarten sind Kugelumlaufspindeln und Linearmotoren. Kugelumlaufspindeln sind kostengünstig und leicht zu bedienen. Dank ihrer natürlichen Dämpfung sind sie leicht zu steuern, und eine Bremse lässt sich problemlos nachrüsten. Mechanische Reibung kann jedoch die Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit erschweren. Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bei extremen Temperaturen oder Feuchtigkeit, kann sich die Steigung der Kugelumlaufspindel ändern und die Genauigkeit beeinträchtigen. Bei thermischen Einflüssen kann ein Linearencoder erforderlich sein, oder ein Linearmotortisch ist die bessere Wahl.

Linearmotorantriebe bestehen aus einer Magnetschiene und einer Spuleneinheit. Die Magnetschiene ist typischerweise stationär und besteht aus einer Reihe von Permanentmagneten, die auf einem Stahlträger montiert sind. Die Spuleneinheit enthält alle Kupferwicklungen und ist typischerweise am Schlitten des Lineartisches befestigt. Einige Lineartische verfügen über Permanentmagnete am Schlitten, um die Verkabelung zu vereinfachen. Die Magnetlänge begrenzt jedoch den Verfahrweg dieser Systeme.

Linearmotorantriebe eignen sich typischerweise am besten für leichte bis mittlere Lasten in Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit, konstanter Geschwindigkeit oder langen Verfahrwegen. Linearmotorantriebe haben einen deutlich längeren Verfahrweg als Kugelumlaufspindelantriebe, da sie bei zunehmender Verfahrlänge nicht durchhängen. Sie bieten zwar eine bessere Geschwindigkeitsregelung, die bewegliche Spule und die Linearencoder-Elektronik erschweren jedoch die Kabelführung. Zudem sind große Linearantriebe schwerer und können mit zunehmender Verfahrlänge und Magnetgröße teurer werden.

Ein wichtiger Aspekt bei der Wahl des Antriebstyps ist die Bremsfähigkeit und die Montageausrichtung. Linearmotorantriebe sind ohne Strom frei beweglich, während Kugelumlaufspindelantriebe die Bewegung durch Reibung dämpfen. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen der Antrieb vertikal montiert werden muss. Da ein Linearmotortisch nahezu reibungslos arbeitet, führt ein Stromausfall zum freien Fall des Schlittens. Zudem muss die Schwerkraft ständig überwunden werden, was einen hohen Dauerkraftbedarf für den Motor bedeutet. Kugelumlaufspindelantriebe eignen sich besser für vertikale Anwendungen, da Linearmotoren bei vertikalem Betrieb schnell überhitzen können oder einen Gegengewichtsausgleich benötigen.

Auch bei der Motorauswahl müssen Abwägungen getroffen werden. Herkömmliche Rotationsmotoren sind die kostengünstigste Option, erhöhen aber den Platzbedarf des Antriebssystems. Linearmotoren benötigen weniger Platz, sind aber teurer, da sie mehr Magnete als Rotationsmotoren besitzen und einen Lineargeber benötigen. Kugelumlaufspindeln können Lineargeber verwenden, aber Rotationsgeber an Motor und Kugelumlaufspindel funktionieren oft genauso gut und sind günstiger. Auch bei der Verwendung von Schritt- oder Servomotoren gibt es Abwägungen. Schrittmotoren sind günstiger, Servomotoren bieten jedoch eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung.

Eine Option für einen kugelumlaufspindelgetriebenen Tisch ist ein rahmenloser Motor. Ein rahmenloser Motor ist ein standardmäßiger bürstenloser Motor, der in den Tisch eingebaut ist. Die Rotormagnete sind direkt mit der Kugelumlaufspindelwelle verbunden, und die Statorwicklungen sind in das Ende des Tisches integriert. Diese Konfiguration macht die Motorkupplung überflüssig, was einige Zentimeter Platz spart. Das Fehlen der Kupplung reduziert die Hysterese und das Aufwickeln der Motor-Kugelumlaufspindel-Verbindung, was die Leistung verbessert. Tischhersteller sollten ihr Fachwissen zu Motoren und Encodern einbringen, um die optimale Gesamtlösung für die Anwendung zu finden.

Sobald die mechanischen und elektrischen Aspekte der Systembewegung gut verstanden und die Stufen ausgewählt sind, können die Details des Steuerungssystems geklärt werden. Ein Steuerungssystem sollte mit der Antriebselektronik kompatibel sein, wobei insbesondere zu beachten ist, dass nicht alle Antriebe Rückmeldungen über ihre Anschlüsse liefern. Idealerweise sollte die Steuerung ohne zusätzliche Hardware direkt mit den Signalen von Wandlern und Aktoren kommunizieren können. Die Steuerung sollte zudem über ausreichend Leistung verfügen, um die Regelkreise innerhalb der natürlichen Datenraten des Systems zu schließen oder bei Bedarf die Bewegung mehrerer Bewegungsachsen gleichzeitig zu koordinieren.