Die meisten Menschen denken bei Parallelantriebssystemen an solche, die man in kartesischen/Portalrobotern findet. Parallelantriebssysteme können aber auch als zwei oder mehr parallel arbeitende Linearmotoren von einem einzigen Antriebsregler betrachtet werden. Dies umfasst die kartesischen/Portal-Roboter sowie andere wichtige Bereiche der Bewegungssteuerung, wie z. B. hochpräzise und ultrahochpräzise einachsige Roboter mit Auflösung und Positionsgenauigkeit im Subnanometer- bis Hochpikometerbereich. Diese Systeme kommen in Bereichen wie Optik und Mikroskope, Halbleiterfertigung, Werkzeugmaschinen, Aktuatoren mit hoher Kraft, Materialprüfgeräten, Pick-and-Place-Arbeiten, Montagevorgängen, Handhabung von Werkzeugmaschinen und Lichtbogenschweißen zum Einsatz. Insgesamt gibt es Anwendungen sowohl im Mikrometer- als auch im Submikronbereich.

Probleme mit dem Parallelantrieb
Das Hauptproblem bei allen Parallelantriebssystemen ist die orthogonale Ausrichtung: die Fähigkeit, die parallele Achse quadratisch zu halten. Bei mechanisch angetriebenen Systemen wie Schnecke, Zahnstange und Ritzel, Riemen und Kette besteht das Hauptproblem darin, dass das mechanische System durch Fehlausrichtung oder Stapeltoleranzen blockiert wird. Bei Direktantriebssystemen kommt aufgrund von Installationsfehlern und Abweichungen bei den Linearmotoren zusätzlich das Problem des Sinusfehlers hinzu.

Die gängigste Vorgehensweise zur Überwindung dieser Probleme besteht darin, jede Seite des Parallelsystems unabhängig anzusteuern und zu steuern, sie jedoch elektronisch zu synchronisieren. Die Kosten eines solchen Systems sind hoch, da es doppelt so viel Antriebs- und Positionserfassungselektronik benötigt wie ein Einachssystem. Außerdem kommen Synchronisations- und Trackingfehler hinzu, die die Leistung des Systems beeinträchtigen können.

Was die Parallelschaltung von Linearwellenmotoren ermöglicht, ist ein reaktionsschneller Motor. Die dynamische Bewegung, die von zwei identischen Linearwellenmotoren erzeugt wird, ist dieselbe, wenn ihnen das gleiche Steuersignal gegeben wird.

Wie bei allen Parallelantriebssystemen müssen die Linearwellenmotoren physisch mit einem Mechanismus gekoppelt sein, der der Achse nur eine Bewegung mit einem einzigen Freiheitsgrad ermöglicht. Dadurch fungieren parallele Linearwellenmotoren als eine Einheit und ermöglichen den Betrieb mit einem einzigen Encoder und einem einzigen Servotreiber. Und da ein ordnungsgemäß installierter Linearwellenmotor berührungslos arbeitet, kann es zu keiner mechanischen Blockierung des Systems kommen.

Diese Aussagen gelten für jeden berührungslosen Linearmotor. Linearwellenmotoren unterscheiden sich von anderen berührungslosen Linearmotoren in mehreren Bereichen, wodurch sie in einer Parallelanwendung gut funktionieren.

Die Konstruktion des Linearwellenmotors platziert den Permanentmagneten im Zentrum des elektromagnetischen Feldes, sodass der Luftspalt unkritisch ist. Die Spule umgibt den Magneten vollständig, sodass die Nettowirkung des Magnetfelds eine Kraft ist. Dadurch werden jegliche Kraftschwankungen, die durch einen Unterschied im Luftspalt verursacht werden, sei es durch Fehlausrichtung oder Bearbeitungsunterschiede, praktisch eliminiert, was die Ausrichtung und Installation des Motors vereinfacht.

Allerdings kann der Sinusfehler – ein großes Problem – zu Kraftunterschieden bei jedem berührungslosen Linearmotor führen.

Linearmotoren werden ebenso wie Linearwellenmotoren als Synchronmotoren bezeichnet. Tatsächlich wird Strom an die Spule angelegt, um einen Elektromagneten zu bilden, der sich mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete in der Magnetspur synchronisiert. Die Kraft in einem Linearmotor wird aus der relativen Stärke dieser Magnetfelder und dem Winkel ihrer absichtlichen Fehlausrichtung erzeugt.

In einem Parallelantriebssystem werden alle Spulen und Magnetbahnen zu einem einzigen Motor, wenn alle ihre Magnetfelder perfekt ausgerichtet sind. Allerdings führt jede Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetbahnen zu einer Fehlausrichtung der Magnetfelder, wodurch in jedem Motor unterschiedliche Kräfte entstehen. Dieser Kraftunterschied kann wiederum das System binden. Der Sinusfehler ist also der Unterschied in den Kräften, die durch die Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetspuren entstehen.

Der Sinusfehler kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

F_diff=F_Gen× Sünde(2πD_diff/MP_nn)

WoF_diff= Kraftunterschied zwischen den beiden Spulen,F_Gen= erzeugte Kraft,D_diff= Länge der Fehlausrichtung undMP_nn= magnetische Neigung von Nord nach Nord.

Die meisten Linearmotoren auf dem Markt sind mit einem Nord-Nord-Magnetabstand im Bereich von 25 bis 60 mm ausgelegt, um IR-Verluste und die elektrische Zeitkonstante zu reduzieren. Zum Beispiel eine Fehlausrichtung von nur 1 mm bei einem Linearmotor mit 30 mmnnDurch die Neigung entsteht ein Leistungsverlust von ca. 21 %.

Der Linearwellenmotor gleicht diesen Verlust aus, indem er einen viel längeren Nord-Nord-Magnetabstand verwendet, der die Auswirkungen von Sinusfehlern durch versehentliche Fehlausrichtung verringert. Die gleiche Fehlausrichtung von 1 mm führt bei einem Linearwellenmotor mit einer 90-mm-NN-Steigung nur zu einem Leistungsverlust von 7 %.

Parallelantriebssysteme
Eine wirklich genaue Positionierung ist bei hoch- und höchstpräzisen Einachsrobotern nur dann möglich, wenn die Rückmeldung direkt im Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes liegt. Auch die Krafterzeugung des Motors sollte sich genau auf den Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes konzentrieren. Allerdings ist es normalerweise unmöglich, den Motor und die Rückmeldung genau an der gleichen Stelle zu platzieren!

Durch die Platzierung eines Encoders im Massenzentrum und die Verwendung paralleler Linearwellenmotoren mit gleichem Abstand zum Massenzentrum wird die gewünschte Rückmeldung und Krafterzeugung im Massenzentrum erzielt. Dies ist bei anderen Arten von Parallelantriebssystemen nicht möglich, die zwei Sätze von Encodern und Servoantrieben benötigen, um diese Art von Parallelantrieb zu erstellen.

Der einzelne Antrieb/einzelne Encoder eignet sich am besten für Anwendungen mit höchster Präzision und bietet Herstellern von Portalsystemen einen enormen Vorteil. In der Vergangenheit verfügten Systeme möglicherweise über zwei unterschiedliche Motoren, die separate Kugelumlaufspindeln antreiben, und zwar über zwei verschiedene Steuerungen, die elektronisch verbunden waren, oder sogar über zwei Linearmotoren mit zwei Encodern, die elektronisch mit zwei Antrieben verbunden waren. Jetzt können die gleichen Aktionen von zwei Linearwellenmotoren, einem Encoder und einem Verstärker/Treiber ausgehen, solange die Steifigkeit im System ausreichend hoch ist.

Dies ist auch ein Vorteil bei Anwendungen, die extrem hohe Kräfte erfordern. Es ist möglich, beliebig viele Linearwellenmotoren parallel zu schalten und so deren Kräfte zu addieren.