Die Elektronik-, Optik-, Computer-, Inspektions-, Automatisierungs- und Laserindustrie erfordert unterschiedliche Spezifikationen für Positionierungssysteme.Kein System ist für alle geeignet.

Um sicherzustellen, dass ein hochgenaues Positionierungssystem optimal funktioniert, müssen die Komponenten, aus denen das System besteht – Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem sowie Steuerung – optimal zusammenarbeiten, um die Anwendungskriterien zu erfüllen.

Basis & Lager

Um die optimale Systemkonfiguration zu bestimmen, sollten Sie zunächst den mechanischen Teil des Systems berücksichtigen. Für Lineartische gibt es vier gängige Optionen für die Basis- und Lagerkonstruktion:
• Aluminiumbasis und -schlitten mit verschraubten Kugellagern.
• Basis und Seite aus Aluminium oder Stahl mit vier umlaufenden Rollenlagerblöcken auf Stahlschienen.
• Basis und Schlitten aus Meehanite-Gusseisen mit integrierten Rollenlagern.
• Granitführungen mit Gleit- und Luftlagern aus Granit oder Gusseisen.

Aluminium ist leichter als Meehanite oder Stahl, aber weniger steif, weniger stabil, weniger belastbar und weniger belastungsbeständig. Zudem reagiert Aluminium deutlich empfindlicher auf Temperaturschwankungen. Gusseisen ist 150 % steifer als Aluminium und dämpft Schwingungen um 300 % besser. Stahl ist langlebiger und fester als Eisen. Allerdings neigt er zu länger anhaltendem Nachschwingen, was sich nachteilig auf schnelle Bewegungs- und Beruhigungszeiten auswirkt.

Granitführungen mit Luftlagern bieten die steifste und langlebigste Kombination. Granit kann poliert werden, um Ebenheiten und Geradheiten im Submikrometerbereich zu erreichen. Der Nachteil eines Granittisches ist, dass er aufgrund seiner Masse einen größeren Platzbedarf hat und mehr wiegt als ein Positionierungssystem auf Stahl- oder Eisenbasis. Da jedoch kein Kontakt zwischen Lagern und Granitführungsflächen besteht, entsteht kein Verschleiß, und Luftlager sind weitgehend selbstreinigend. Granit verfügt außerdem über hervorragende Schwingungsdämpfungseigenschaften und ist thermisch stabil.

Darüber hinaus ist das Design des Tisches selbst für seine Gesamtleistung entscheidend. Tische gibt es in verschiedenen Ausführungen, von verschraubten Einheiten mit vielen Einzelteilen bis hin zu einfachen Gusssockeln und -schienen. Die Verwendung eines einzigen Materials für den gesamten Tisch sorgt in der Regel für eine gleichmäßigere Reaktion auf Temperaturschwankungen und führt zu einem präziseren System. Merkmale wie Rippen sorgen für Dämpfung und ermöglichen so eine schnelle Setzung.

Integralführungen haben gegenüber Anschraubführungen den Vorteil, dass auch nach längerer Zeit keine Einstellung der Führungen zur Vorspannung erforderlich ist.

Kreuzrollenlager haben Linienkontakt zwischen Rolle und Laufbahn, Kugellager hingegen Punktkontakt zwischen Kugel und Laufbahn. Dies führt im Allgemeinen zu einem ruhigeren Lauf von Rollenlagern. Die Oberflächenverformung (und der damit verbundene Verschleiß) der Rollfläche ist geringer und die Kontaktfläche größer, sodass die Last gleichmäßiger verteilt wird. Lasten von 4,5 bis 14 kg pro Rolle sind Standard, ebenso wie eine hohe mechanische Steifigkeit von etwa 150 bis 300 Newton/Mikrometer. Zu den Nachteilen gehört die inhärente Reibung durch den Linienkontakt.

Die geringe Kontaktfläche, die die Reibung des Kugellagers begrenzt, begrenzt jedoch auch seine Tragfähigkeit. Rollenlager haben im Allgemeinen eine längere Lebensdauer als Kugellager. Rollenlager sind jedoch teurer.

Standard-Tischgrößen eines Herstellers umfassen 25 bis 1.800 mm Länge und 100 bis 600 mm Schlittenbreite.

Eine Luftlagerkonfiguration besteht aus Hub- und Führungslagern, die durch gegenüberliegende Luftlager oder in die Führungselemente eingebettete Hochleistungsmagnete aus seltenen Erden vorgespannt sind. Diese berührungslose Konstruktion vermeidet die Reibung anderer Lagerkonstruktionen. Zudem unterliegen Luftlager keinem mechanischen Verschleiß. Darüber hinaus können Luftlager weit auseinander liegen. Dadurch werden resultierende geometrische Fehler gemittelt, was zu Winkelabweichungen von weniger als einer Bogensekunde und einer Geradheit von besser als 0,25 Mikrometer über 200 mm führt.

Zahlenwerte sind schwer anzugeben, da sie von vielen Faktoren abhängen. So hängt die Positioniergenauigkeit nicht nur von den Lagern bzw. Führungen, sondern auch vom Wegmesssystem und der Steuerung ab. Die Reibung in einem Positioniersystem hängt nicht nur vom gewählten Antriebssystem, sondern auch von der Lagereinstellung, der Tischabdichtung, der Schmierung usw. ab. Die exakt erreichbaren Werte hängen daher stark von der Kombination aller Komponenten ab, die wiederum von der Anwendung abhängt.

Antriebssystem

Von den vielen Antriebssystemen – Riemen, Zahnstange und Ritzel, Leitspindel, präzisionsgeschliffene Kugelumlaufspindel und Linearmotor – kommen für die meisten hochpräzisen Positionierungssysteme nur die letzten beiden in Betracht.

Kugelumlaufspindeln sind in verschiedenen Auflösungs-, Präzisions- und Steifigkeitsvarianten erhältlich und ermöglichen hohe Geschwindigkeiten (über 250 mm/s). Da der Kugelumlaufspindelantrieb jedoch durch die kritische Drehzahl der Spindel begrenzt ist, erfordert eine höhere Geschwindigkeit eine geringere Steigung mit geringerem Übersetzungsverhältnis und einen leistungsstärkeren Motor. Dies bedeutet in der Regel den Wechsel zu einem leistungsstärkeren Motorantrieb mit höherer Busspannung. Kugelumlaufspindeln sind zwar weit verbreitet, können aber auch unter mechanischem Spiel, Aufziehen, zyklischen Steigungsfehlern und Reibung leiden. Auch die Steifigkeit der mechanischen Kupplung zwischen Motor und Antrieb wird oft übersehen.

Beim linearen Servomotor wirkt die elektromagnetische Kraft direkt auf die bewegte Masse, ohne mechanische Verbindung. Es gibt keine mechanische Hysterese oder zyklischen Pitch-Fehler. Die Genauigkeit hängt vollständig vom Lagersystem und dem Rückkopplungsregelsystem ab.

Die dynamische Steifigkeit gibt an, wie gut ein Servosystem seine Position bei Impulsbelastung hält. Generell gilt: Größere Bandbreite und höhere Verstärkung führen zu einer höheren dynamischen Steifigkeit. Dies lässt sich quantifizieren, indem die gemessene Impulsbelastung durch die Auslenkungsstrecke geteilt wird:

Dynamische Steifigkeit = ΔF/ΔX

Die hohe Steifigkeit und die hohe Eigenfrequenz führen zu einem exzellenten Servoverhalten mit kurzen Einschwingzeiten. Der Schlitten reagiert schnell auf Positionsänderungen, da keine mechanische Verbindung zwischen Motor und Schlitten besteht. Da zudem kein „Klingeln“ der Kugelumlaufspindel auftritt, sind schnelle Bewegungs- und Einschwingzeiten möglich.

Ein bürstenloser Linearmotor besteht aus einer Permanentmagnetbaugruppe, die am Maschinensockel befestigt ist, und einer Spulenbaugruppe, die am Schlitten befestigt ist. Zwischen der Spulenbaugruppe und den Magneten besteht ein Abstand von ca. 0,5 mm. Es besteht kein physischer Kontakt zwischen den beiden Baugruppen.

Der Kern der Schwingspulenanordnung besteht aus einer Reihe überlappender und isolierter Kupferspulen. Diese sind präzise gewickelt und für den Dreiphasenbetrieb ausgelegt. Für die elektronische Kommutierung werden Hall-Effekt-Sensoren eingesetzt. Das Design der Kommutierungselektronik ermöglicht eine Bewegung mit vernachlässigbarer Kraftwelligkeit. Da die Kommutierung elektronisch und nicht mechanisch erfolgt, wird eine Funkenbildung vermieden.

Diese Eigenschaften machen einen linearen Servomotor für Anwendungen nützlich, die hohe Beschleunigung (z. B. 2,5 m/s² oder mehr), hohe Geschwindigkeit (z. B. 2 m/s oder mehr) oder präzise Geschwindigkeitsregelung erfordern, selbst bei sehr niedriger Geschwindigkeit (z. B. nur wenige mm/s). Darüber hinaus benötigt ein solcher Motor weder Schmierung noch sonstige Wartung und unterliegt keinem Verschleiß. Wie bei jedem anderen Motor darf der Effektivwert der Dauerkraft oder des Dauerstroms aufgrund der Wärmeableitung die zulässigen Werte nicht über längere Zeiträume überschreiten.

Lineare Servomotoren sind mit Dauerantriebskräften von 25 bis über 5.000 N erhältlich. Die meisten größeren Motoren verfügen über Luft- oder Wasserkühlung. Für höhere Antriebskräfte können mehrere Linearmotoren parallel oder in Reihe geschaltet werden.

Da zwischen Motor und Schlitten keine mechanische Verbindung besteht, erfolgt auch keine mechanische Untersetzung wie bei einem Kugelumlaufspindelantrieb. Die Last wird im Verhältnis 1:1 auf den Motor übertragen. Bei einem Kugelumlaufspindelantrieb verringert sich die Lastträgheit vom Schlitten zum Motor um das Quadrat der Untersetzung. Daher ist der Linearmotorantrieb für Anwendungen mit häufigen Lastwechseln weniger geeignet, es sei denn, Sie wählen eine Steuerung, die Sie mit unterschiedlichen Motorsteuerungsparametern entsprechend den unterschiedlichen Lasten programmieren können, um eine effektive Servokompensation zu erzielen.

Für viele vertikale Anwendungen ist ein Kugelumlaufspindelantrieb einfacher und kostengünstiger – der Linearmotor muss kontinuierlich mit Strom versorgt werden, um die Schwerkraft auszugleichen. Eine elektromechanische Bremse kann die Tischposition auch bei Stromausfall fixieren. Ein Linearmotor kann jedoch auch verwendet werden, wenn Motor und Lastgewicht durch eine Feder, ein Gegengewicht oder einen Luftzylinder ausgeglichen werden.

In den Anschaffungskosten unterscheiden sich Linearmotoren kaum von Kugelumlaufspindeln, die Motor, Kupplungen, Lager, Lagerblöcke und Kugelumlaufspindel umfassen. Bürstenbehaftete Linearmotoren sind in der Regel etwas günstiger als Kugelumlaufspindeln, bürstenlose Varianten sind meist etwas teurer.

Es gibt mehr zu berücksichtigen als nur die Anschaffungskosten. Ein realistischerer Vergleich umfasst Wartung, Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Ersatzteilkosten, einschließlich Arbeitskosten. Hier schneidet der Linearmotor gut ab.

Teil 2 behandelt Positionsmesssysteme.