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 und Steuerung – so gut wie möglich zusammenarbeiten, um die Anwendungskriterien zu erfüllen .

Basis & Lager

Um sich für die optimale Systemkonfiguration zu entscheiden, berücksichtigen Sie zunächst den mechanischen Teil des Systems. Bei Lineartischen sind dies die vier gängigen Basis- und Lagerkonstruktionsoptionen:
• Basis und Schlitten aus Aluminium mit verschraubten Kugellagerführungen.
• Aluminium- oder Stahlbasis und Aluminium- oder Stahlseite mit vier umlaufenden Rollenlagerblöcken auf Stahlschienen.
• Basis und Schlitten aus Meehanite-Gusseisen mit integrierten Rollenlagern.
• Granitführungen mit Granit- oder Gusseisenschlitten und Luftlagern.

Aluminium ist leichter als Meehanit oder Stahl, aber weniger steif, weniger stabil, weniger widerstandsfähig und weniger belastbar. Darüber hinaus reagiert Aluminium deutlich empfindlicher auf Temperaturschwankungen. Gusseisen ist 150 % steifer als Aluminium und 300 % besser in der Schwingungsdämpfung. Stahl ist langlebig und stärker als Eisen. Es kommt jedoch zu längerem Klingeln, was sich negativ auf die schnellen Bewegungs- und Einschwingzeiten auswirkt.

Granitführungen mit Luftlagern bieten die steifste und langlebigste Kombination. Granit kann für Ebenheit und Geradheit im Submikronbereich poliert werden. Der Nachteil eines Granittisches besteht darin, dass er aufgrund der Masse des Granits einen größeren Raum einnimmt und mehr wiegt als ein Positionierungssystem auf Stahl- oder Eisenbasis. Da es jedoch keinen Kontakt zwischen Lagern und Führungsflächen aus Granit gibt, gibt es keinen Verschleiß und Luftlager sind weitgehend selbstreinigend. Granit verfügt außerdem über hervorragende Schwingungsdämpfungseigenschaften und thermische Stabilität.

Darüber hinaus ist das Design des Tisches selbst wichtig für die Gesamtleistung des Tisches. Tische gibt es in verschiedenen Konfigurationen, von verschraubten Einheiten mit vielen Teilen bis hin zu einfachen Gussfüßen und Schienen. Die Verwendung eines Materials im gesamten Tisch sorgt im Allgemeinen für eine gleichmäßigere Reaktion auf Temperaturschwankungen und führt zu einem genaueren System. Merkmale wie die Riffelung sorgen für eine Dämpfung, die ein schnelles Einschwingen ermöglicht.

Integrierte Führungen haben gegenüber verschraubten Führungen den Vorteil, dass auch nach längerer Zeit keine Anpassung der Führungen an die Vorspannung erforderlich ist.

Bei Kreuzrollenlagern besteht eine Linienberührung zwischen Rolle und Laufbahn, während bei Kugellagern eine Punktberührung zwischen Kugel und Laufbahn besteht. Dies führt im Allgemeinen zu einer gleichmäßigeren Bewegung der Rollenlager. Die Oberflächenverformung (und der Verschleiß) der Rollfläche ist geringer und die Kontaktfläche ist größer, sodass die Last gleichmäßiger verteilt wird. Belastungen von bis zu 4,5 bis 14 kg/Rolle sind Standard, zusammen mit einer hohen mechanischen Steifigkeit von etwa 150 bis 300 Newton/Mikron. Zu den Nachteilen gehört die inhärente Reibung durch den Linienkontakt.

Die geringe Kontaktfläche, die die Reibung des Kugellagers begrenzt, schränkt allerdings auch dessen Belastbarkeit ein. Rollenlager haben im Allgemeinen eine längere Lebensdauer als Kugellager. Allerdings kosten Wälzlager mehr.

Zu den Standardtischgrößen eines Herstellers gehören 25 bis 1.800 mm Länge und 100 bis 600 mm Schlittenbreite.

Eine Luftlagerkonfiguration besteht aus Hub- und Führungslagern, die durch gegenüberliegende Luftlager oder durch in den Führungselementen eingebettete Hochleistungsmagnete aus seltenen Erden vorgespannt werden. Dieses berührungslose Design vermeidet die Reibung anderer Lagerdesigns. Außerdem erleiden Luftlager keinen mechanischen Verschleiß. Darüber hinaus können Luftlager große Abstände aufweisen. Dadurch werden resultierende geometrische Fehler gemittelt, was zu Winkelabweichungen von weniger als 1 Bogensekunde und einer Geradheit von besser als 0,25 Mikrometer über 200 mm führt.

Numerische Werte sind schwierig anzugeben – sie hängen von vielen Faktoren ab. So hängt die Positioniergenauigkeit nicht nur von den Lagern oder Führungen ab, sondern auch vom Wegmesssystem und der Steuerung. Die Reibung in einem Positionierungssystem hängt nicht nur davon ab, welches Antriebssystem Sie gewählt haben, sondern auch von der Lagereinstellung, der Tischabdichtung, der Schmierung usw. Daher hängen die genau erreichbaren Werte stark von der Kombination aller Komponenten ab, die wiederum von der Anwendung abhängt.

Antriebssystem

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

Kugelumlaufspindelantriebe sind in verschiedenen Auflösungs-, Präzisions- und Steifigkeitseigenschaften erhältlich und können hohe Geschwindigkeiten (über 250 mm/s) liefern. Da der Kugelumlaufspindelantrieb jedoch durch die kritische Drehzahl der Spindel begrenzt ist, erfordert eine höhere Geschwindigkeit eine geringere Steigung, einen geringeren mechanischen Vorteil und einen Motor mit höherer Leistung. Dies bedeutet in der Regel den Wechsel zu einem leistungsstärkeren Motorantrieb mit höherer Busspannung. Obwohl Kugelgewindetriebe weit verbreitet sind, können sie auch unter mechanischem Spiel, Aufdrehen, zyklischen Steigungsfehlern und Reibung leiden. Auch die Steifheit der mechanischen Kupplung, die Motor und Antrieb verbindet, wird übersehen.

Beim linearen Servomotor greift die elektromagnetische Kraft ohne mechanische Verbindung direkt an der bewegten Masse an. Es gibt keine mechanische Hysterese oder einen zyklischen Pitchfehler. Die Genauigkeit hängt vollständig vom Lagersystem und dem Feedback-Kontrollsystem ab.

Die dynamische Steifigkeit gibt an, wie gut ein Servosystem seine Position als Reaktion auf eine Impulslast beibehält. Im Allgemeinen sorgen eine größere Bandbreite und eine höhere Verstärkung für eine größere dynamische Steifigkeit. Dies lässt sich quantifizieren, indem man die gemessene Impulsbelastung durch die Auslenkungsstrecke dividiert:

Dynamische Steifigkeit = ΔF/ΔX

Die hohe Steifigkeit und die hohe Eigenfrequenz führen zu einem hervorragenden Servoverhalten mit kurzen Einschwingzeiten. Der Schlitten reagiert schnell auf Positionsänderungsbefehle, da keine mechanische Verbindung zwischen Motor und Schlitten besteht. Da außerdem kein „Klingeln“ der Kugelumlaufspindel auftritt, können schnelle Bewegungs- und Einschwingzeiten erreicht werden.

Ein bürstenloser Linearmotor besteht aus einer Permanentmagnetbaugruppe, die an der Maschinenbasis befestigt ist, und einer Spulenbaugruppe, die am Schlitten befestigt ist. Zwischen der Spulenbaugruppe und den Magneten bleibt ein Spalt von etwa 0,5 mm bestehen. Es besteht kein physischer Kontakt zwischen den beiden Baugruppen.

Der Kern der beweglichen Spulenbaugruppe beherbergt eine Reihe überlappender und isolierter Kupferspulen. Diese sind präzise gewickelt und für den Dreiphasenbetrieb gestimmt. Für die elektronische Kommutierung wird eine Reihe von Hall-Effekt-Sensoren verwendet. Das Design der Kommutierungselektronik sorgt für Bewegung mit vernachlässigbarer Kraftwelligkeit. Da die Kommutierung elektronisch und nicht mechanisch erfolgt, wird ein Kommutierungslichtbogen vermieden.

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

Linear-Servomotoren erhalten Sie in Dauerantriebskräften von 25 bis über 5.000 N. Die meisten größeren Motoren verfügen über Luft- oder Wasserkühlung. Mehrere Linearmotoren können parallel oder in Reihe geschaltet werden, um höhere Antriebskräfte zu erzielen.

Da es keine mechanische Verbindung zwischen Motor und Schlitten gibt, gibt es keine mechanische Untersetzung wie bei einer Kugelumlaufspindel. Die Last wird im Verhältnis 1:1 auf den Motor übertragen. Bei einem Kugelgewindetrieb verringert sich die Lastträgheit am Schlitten zum Motor um das Quadrat des Untersetzungsverhältnisses. Dadurch eignet sich der Linearmotorantrieb weniger für Anwendungen mit häufigen Lastwechseln, es sei denn, Sie wählen eine Steuerung, die Sie mit verschiedenen Sätzen von Motorsteuerungsparametern entsprechend unterschiedlichen Lasten programmieren können, um eine effektive Servokompensation zu erzielen.

Für viele vertikale Anwendungen ist eine Kugelumlaufspindel einfacher und kostengünstiger – der Linearmotor muss kontinuierlich mit Strom versorgt werden, um die Schwerkraft auszugleichen. Außerdem kann eine elektromechanische Bremse die Tischposition bei ausgeschaltetem Strom arretieren. Sie können jedoch einen Linearmotor verwenden, wenn Sie den Motor und das Lastgewicht mit einer Feder, einem Gegengewicht oder einem Luftzylinder versetzen.

Hinsichtlich der Anschaffungskosten gibt es kaum einen Unterschied zwischen einem Linearmotorantrieb und einem Kugelumlaufspindelantrieb, der Motor, Kupplungen, Lager, Lagerblöcke und Kugelumlaufspindel umfasst. Im Allgemeinen ist ein bürstenbehafteter Linearmotor etwas günstiger als ein Kugelgewindetrieb, bürstenlose Versionen sind meist etwas teurer.

Es gibt mehr zu berücksichtigen als die Anschaffungskosten. Ein realistischerer Vergleich umfasst Wartung, Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Austauschkosten, einschließlich Arbeitsaufwand. Hier kommt der Linearmotor gut zur Geltung.

Teil 2 befasst sich mit Positionsmesssystemen.