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

Um sicherzustellen, dass ein hochpräzises Positioniersystem optimal funktioniert, müssen die Komponenten des Systems – Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem sowie Steuerung – bestmöglich zusammenarbeiten, um die Anwendungskriterien zu erfüllen.

Sockel und Lager

Um die optimale Systemkonfiguration zu ermitteln, sollte zunächst der mechanische Teil des Systems betrachtet werden. Für Lineartische gibt es vier gängige Ausführungsoptionen für Basis und Lager:
• Aluminiumbasis und -schlitten mit verschraubten Kugellagerführungen.
• Sockel und Seitenwände aus Aluminium oder Stahl mit vier umlaufenden Rollenlagern auf Stahlschienen.
• Meehanite-Gusseisenbasis und -schlitten mit integrierten Rollenlagerführungen.
• Granitführungen mit Gleit- und Luftlagern aus Granit oder Gusseisen.

Aluminium ist leichter als Meehanit oder Stahl, aber weniger steif, weniger formstabil, weniger widerstandsfähig und weniger belastbar. Zudem reagiert Aluminium deutlich empfindlicher auf Temperaturschwankungen. Gusseisen ist 150 % steifer als Aluminium und bietet eine 300 % bessere Vibrationsdämpfung. Stahl ist langlebig und fester als Eisen. Allerdings neigt er zu anhaltendem Nachklingen, was sich negativ auf schnelle Bewegungs- und Einschwingzeiten auswirkt.

Granitführungen mit Luftlagern bieten die steifste und langlebigste Kombination. Granit lässt sich bis in den Submikrometerbereich polieren und erreicht so Ebenheit und Geradheit. Der Nachteil eines Granittisches liegt in seinem größeren Platzbedarf und höheren Gewicht im Vergleich zu Positioniersystemen aus Stahl oder Eisen. Da jedoch kein Kontakt zwischen Lagern und Granitführungsflächen besteht, entsteht kein Verschleiß, und die Luftlager sind weitgehend selbstreinigend. Zudem zeichnet sich Granit durch hervorragende Schwingungsdämpfung und thermische Stabilität aus.

Darüber hinaus ist die Konstruktion des Tisches selbst entscheidend für seine Gesamtleistung. Tische gibt es in verschiedenen Ausführungen, von verschraubten Konstruktionen mit vielen Teilen bis hin zu einfachen Gussgestellen und -schienen. Die Verwendung eines einzigen Materials für den gesamten Tisch sorgt in der Regel für ein gleichmäßigeres Ansprechverhalten auf Temperaturschwankungen und damit für ein präziseres System. Merkmale wie Rippen dienen der Dämpfung und ermöglichen ein schnelles Einschwingen.

Integrale Führungsbahnen haben gegenüber angeschraubten Führungsbahnen den Vorteil, dass auch nach langer Zeit keine Vorspannung der Führungsbahnen nachjustiert werden muss.

Kreuzrollenlager weisen Linienkontakt zwischen Rolle und Laufbahn auf, während Kugellager Punktkontakt zwischen Kugel und Laufbahn haben. Dies führt im Allgemeinen zu einem ruhigeren Lauf von Rollenlagern. Die Oberflächenverformung (und der Verschleiß) an der Wälzfläche ist geringer, und die größere Kontaktfläche sorgt für eine gleichmäßigere Lastverteilung. Standardmäßig sind Lasten von bis zu 4,5 bis 14 kg pro Rolle sowie eine hohe mechanische Steifigkeit von etwa 150 bis 300 Newton/µm. Zu den Nachteilen zählt die systembedingte Reibung durch den Linienkontakt.

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

Standardtische eines Herstellers umfassen Längen von 25 bis 1800 mm und Schieberbreiten von 100 bis 600 mm.

Eine Luftlagerkonfiguration besteht aus Hub- und Führungslagern, die durch gegenüberliegende Luftlager oder durch in die Führungselemente eingebettete Hochleistungsmagnete aus Seltenerdmetallen vorgespannt werden. Diese berührungslose Konstruktion vermeidet die Reibung anderer Lagerbauarten. Zudem unterliegen Luftlager keinem mechanischen Verschleiß. Darüber hinaus können Luftlager in großem Abstand angeordnet werden. Dadurch mitteln sich die resultierenden geometrischen Fehler, was zu Winkelabweichungen von weniger als einer Bogensekunde und einer Geradheit von besser als 0,25 Mikrometern auf 200 mm führt.

Numerische Werte sind schwer anzugeben – sie hängen von vielen Faktoren ab. So hängt die Positioniergenauigkeit beispielsweise nicht nur von den Lagern oder Führungen ab, sondern auch vom Positioniermesssystem und der Steuerung. Die Reibung in einem Positioniersystem hängt nicht nur vom gewählten Antriebssystem ab, sondern auch von der Lagereinstellung, der Tischabdichtung, der Schmierung usw. Daher hängen die exakt erreichbaren Werte stark von der Kombination aller Komponenten ab, die wiederum von der jeweiligen Anwendung abhängt.

Antriebssystem

Von den vielen Antriebsarten – Riemenantrieb, Zahnstangenantrieb, Gewindespindelantrieb, präzisionsgeschliffene Kugelgewindespindel und Linearmotor – werden für die meisten hochpräzisen Positioniersysteme nur die beiden letztgenannten in Betracht gezogen.

Kugelgewindetriebe sind in verschiedenen Auflösungen, Präzisionen und Steifigkeitsstufen erhältlich und ermöglichen hohe Drehzahlen (über 250 mm/s). Da die Drehzahl des Kugelgewindetriebs jedoch durch die kritische Drehzahl der Spindel begrenzt ist, erfordert eine höhere Drehzahl eine geringere Steigung, was zu einer geringeren mechanischen Übersetzung und einem leistungsstärkeren Motor führt. Dies bedeutet in der Regel den Einsatz eines leistungsstärkeren Motorantriebs mit höherer Busspannung. Obwohl Kugelgewindetriebe weit verbreitet sind, können sie auch mechanisches Spiel, Verwicklungen, Steigungsfehler und Reibung aufweisen. Die Steifigkeit der mechanischen Kupplung zwischen Motor und Antrieb wird oft vernachlässigt.

Beim Linearservomotor wirkt die elektromagnetische Kraft direkt und ohne mechanische Verbindung auf die bewegte Masse. Es treten weder mechanische Hysterese noch zyklische Nickfehler auf. Die Genauigkeit hängt ausschließlich vom Lagersystem und dem Regelungssystem ab.

Die dynamische Steifigkeit gibt an, wie gut ein Servosystem seine Position bei einer Impulsbelastung beibehält. Im Allgemeinen führen eine größere Bandbreite und eine höhere Verstärkung zu einer höheren dynamischen Steifigkeit. Diese lässt sich quantifizieren, indem die gemessene Impulsbelastung durch den Auslenkungsweg dividiert 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 Nachschwingen der Kugelumlaufspindel auftritt, werden kurze Bewegungs- und Einschwingzeiten erreicht.

Ein bürstenloser Linearmotor besteht aus einer Permanentmagnetanordnung, die am Maschinensockel befestigt ist, und einer Spulenanordnung, die am Schlitten angebracht ist. Zwischen der Spulenanordnung und den Magneten besteht ein Spalt von ca. 0,5 mm. Die beiden Anordnungen berühren sich nicht.

Das Kernstück der Drehspulenanordnung enthält mehrere überlappende und isolierte Kupferspulen. Diese sind präzisionsgewickelt und für den Drehstrombetrieb ausgelegt. Zur elektronischen Kommutierung werden Hall-Effekt-Sensoren eingesetzt. Die Kommutierungselektronik ist so konstruiert, dass die Bewegung eine minimale Kraftwelligkeit aufweist. Da die Kommutierung elektronisch und nicht mechanisch erfolgt, wird die Kommutierungsüberschlagsbildung vermieden.

Diese Eigenschaften machen einen Linearservomotor nützlich für Anwendungen, die hohe Beschleunigungen (z. B. 2,5 m/s² oder mehr), hohe Geschwindigkeiten (z. B. 2 m/s oder mehr) oder eine präzise Geschwindigkeitsregelung, selbst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten (z. B. nur wenige mm/s), erfordern. Darüber hinaus benötigt ein solcher Motor weder Schmierung noch sonstige Wartung und ist verschleißfrei. Wie bei jedem anderen Motor darf aufgrund der Wärmeabgabe der Effektivwert der Dauerkraft oder des Dauerstroms die zulässigen Grenzwerte über längere Zeiträume nicht überschreiten.

Lineare Servomotoren sind mit Dauerantriebskräften von 25 bis über 5.000 N erhältlich. Die meisten größeren Motoren sind luft- oder wassergekühlt. Mehrere lineare Servomotoren lassen sich parallel oder in Reihe schalten, um höhere Antriebskräfte zu erzielen.

Da zwischen Motor und Schlitten keine mechanische Verbindung besteht, findet keine mechanische Untersetzung wie bei einer Kugelumlaufspindel statt. Die Last wird im Verhältnis 1:1 auf den Motor übertragen. Bei einem Kugelumlaufspindelantrieb verringert sich die Lastträgheit des Schlittens auf den Motor quadratisch um das Untersetzungsverhältnis. Daher ist der Linearmotorantrieb für Anwendungen mit häufigen Lastwechseln weniger geeignet, es sei denn, man wählt eine Steuerung, die sich mit verschiedenen Sätzen von Motorsteuerungsparametern für unterschiedliche Lasten programmieren lässt, um eine effektive Servokompensation zu erreichen.

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

Hinsichtlich der Anschaffungskosten besteht kaum ein Unterschied zwischen einem Linearmotorantrieb und einem Kugelgewindetrieb, der Motor, Kupplungen, Lager, Lagerblöcke und Kugelgewindetrieb umfasst. Im Allgemeinen ist ein Linearmotor mit Bürsten etwas günstiger als ein Kugelgewindetrieb, während bürstenlose Varianten meist etwas teurer sind.

Neben den Anschaffungskosten spielen weitere Faktoren eine Rolle. Ein realistischerer Vergleich berücksichtigt Wartung, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Ersatzkosten inklusive Arbeitsaufwand. Hier schneidet der Linearmotor gut ab.

Teil 2 behandelt Positionsmesssysteme.