Der Bau von Bewegungsaktoren und -bühnen von Grund auf zwingt Konstrukteure dazu, Hunderte von Teilen zu bestellen, zu lagern und zu montieren. Dies verlängert außerdem die Markteinführungszeit und erfordert Techniker und spezielle Produktionsanlagen. Eine Alternative ist die Bestellung vorgefertigter Bewegungsgeräte.

Tische und Aktuatoren sind oft nur Einzelteile einer Maschine. Wenn sie die richtige Kraft, Nutzlast, Positionierung und Geschwindigkeit liefern, müssen Maschinenbauer sich keine weiteren Gedanken darüber machen. Unternehmen können ihre Maschinen jedoch durch den Einsatz vorgefertigter Tische und Aktuatoren tatsächlich verbessern.

Vorgefertigte Stufen wie dieser ServoBelt-Linearantrieb sind dank der geringeren Anzahl an Einzelteilen, insbesondere Halterungen und Verbindungsstücken, in der Regel 25 bis 50 % günstiger als vergleichbare Komponenten. Zudem senken sie die Kosten für Konstruktion und Lagerhaltung erheblich.
Richtig vorgefertigte Bewegungssubsysteme passen in einen definierten physischen Raum und sind mit der Maschinensteuerung verknüpft. Sie akzeptieren typischerweise Befehle von einer übergeordneten Computerschnittstelle, einer Steuerkarte oder einer SPS. Die einfachsten vorgefertigten Systeme bestehen aus kaum mehr als einem Aktuator und Anschlüssen. Komplexe vorgefertigte Stufen fügen Steuerungen und sogar Endeffektoren hinzu, um Nutzlasten zu bewegen.

Vorgefertigte Tische übertreffen aufgrund ihrer individuellen Anpassung oft die Leistung von Komponentensystemen. Viele Maschinenbauer verfügen hingegen nicht über die erforderlichen Fachkräfte, Vorrichtungen, Laserinterferometer und andere Geräte zur Ausrichtung von Tischen (deren Ausrichtungstoleranzen oft im Mikrometerbereich liegen).

Die Steuerungsstrategie bestimmt einen Teil des Designs, sodass vorgefertigte Versteller nicht immer traditionellen Designregeln folgen. Bedenken Sie die Trägheitsabweichung. Eine typische Faustregel lautet, das Verhältnis von Nutzlastträgheit zu Motorträgheit unter 20:1 zu halten, um Probleme bei der Verwendung der Verstärkungsvoreinstellungen vorgefertigter Verstärker- und Motorkombinationen zu vermeiden. Viele vorgefertigte Versteller haben jedoch Verhältnisse von bis zu 200:1 (oder beispielsweise sogar 4.500:1 bei Drehtischen) und führen dennoch präzise Bewegungen ohne Überschwingen aus. Hier passt der Hersteller die Abstimmungsverstärkungen des Verstellers dynamisch an und validiert sie durch physikalische Tests. Dadurch können kleinere Motoren die Aufgabe übernehmen.

Drehtische wie dieser werden typischerweise zur Positionierung verwendet, eignen sich aber auch für CNC-Maschinen. Maschinen, die vorgefertigte Tische am häufigsten verwenden, sind Halbleiterfertigung, Nassbankfertigung, Laserschneiden, Verpackungsmaschinen und Laborautomatisierung.
Vorgefertigte Stufen sind zudem zuverlässig. Bei der Inbetriebnahme neuer Bewegungssysteme kommt es vor, dass einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht richtig zusammenarbeiten. Beispielsweise kann ein fehlerhafter Stecker eine ganze Maschine lahmlegen. Vorgefertigte Stufen werden vor dem Einbau in Maschinen montiert und getestet, um dies zu verhindern.

Beispiel: Lineare Bewegung
Betrachten wir eine Anwendung, bei der ein Linearantrieb zwei verschiedene Bewegungen ausführt. Eine davon ist eine lange Bewegung mit 400 mm/s, die andere ein Hochgeschwindigkeits-Jog von 13 mm, der innerhalb von 150 ms auf 10 µm genau an die Zielposition angepasst werden muss. Die bewegte Masse beträgt 38 kg, die angestrebte bidirektionale Genauigkeit beträgt ±5 µm, basierend auf der Rückmeldung eines optischen 1-µm-Linearencoders.

Herkömmliche XY-Kugelumlaufspindeln sind nicht präzise genug, es sei denn, der Konstrukteur wählt teure, spielfreie Versionen. Linearmotoren sind eine weitere Option, wären für diese Anwendung jedoch groß und teuer, da nur eine lange Motorspule die Anforderung einer Dauerkraft von 300 N erfüllen würde. Eine lange Spule würde zudem umfassende Änderungen am Gesamtdesign erfordern und sie um 50 % teurer machen als andere Optionen.

Dieser vorgefertigte Mehrachsentisch auf Basis von ServoBelt-Linearantrieben wird vor dem Einbau in eine Halbleiterfertigungsmaschine getestet. Der Tisch ist spielfrei, sodass der Konstrukteur die Steuerung an dynamische Anforderungen anpassen kann. Das ist hilfreich, denn schnelle Indexbewegungen in dieser Maschine sind nur durch das Schließen der Servoschleifen mithilfe des Linearencoders möglich, was einen spielfreien Antriebsstrang vom Motor zur Nutzlast erfordert.
Im Gegensatz dazu ist ein vorgefertigter Versteller mit Riemenantrieb kostengünstig. Er benötigt keine Zweikreisregelung, da er mit einer Einkreisregelung nur über den Linearencoder auskommt. Der Antrieb verfügt zudem über eine hohe mechanische Dämpfung, die hohe Abstimmungsgewinne (bis zum Vierfachen der Geschwindigkeits- und Positionsgewinne) für kurze Einschwingzeiten ermöglicht. Linearmotoren hingegen müssen die Dämpfung in der Servoverstärkerelektronik simulieren, was den möglichen Positionsgewinn reduziert.

Beispiel: Drehbewegung
Betrachten wir eine andere Anwendung – eine dreiachsige CNC-Tischfräsmaschine. Diese nutzen üblicherweise Linearbewegungssysteme zur Positionierung des Schneidwerkzeugs. Im Gegensatz dazu kombiniert ein vorgefertigter Tisch die Rotations- und Linearpositionierung. Hier tragen zwei riemengetriebene Drehvorrichtungen Lasten auf Drehlagern mit großem Durchmesser und stehen sich gegenüber. Eine davon trägt eine luftbetriebene Spindel mit 150.000 U/min. Die andere hält das Werkstück und dreht es um 180°, sodass das Schneidwerkzeug jeden Punkt auf der Werkstückoberfläche in einem 40 × 40 × 40 mm großen Bereich erreichen kann.

Diese CNC-Fräsmaschine verwendet einen vorgefertigten Tisch, der nicht komplexer ist als nötig. Die Anwendung erfordert eine gute Oberflächengüte und weniger Positioniergenauigkeit. Daher wird auf Encoder verzichtet und im offenen Regelkreis gearbeitet (was potenziell Tausende von Dollar pro Maschine spart).
Ein spindelgetriebener Linearantrieb treibt die Linearachse an und ermöglicht gleichzeitig die axiale Verschiebung der Drehvorrichtung mit den Schneidköpfen relativ zur Werkstückhalterung. Alle drei Vorrichtungen bewegen sich synchron. Die Linearachse übernimmt die Positionierung der Z-Achse und bringt das Schneidwerkzeug an die Werkstückoberfläche.

Die Drehtischkonstruktion ist steif, wodurch die Bearbeitungstoleranzen eingehalten werden können. Eine Lebensdauerschmierung reduziert das Kontaminationsrisiko. Die Effektoren beider Drehtische verlaufen durch einfache Drehdichtungen in einer Wand der Schneidkammer. Dichtungen schützen das Innenleben vor Schneidflüssigkeit und umherfliegendem Keramikstaub. Im Gegensatz dazu erfordern XYZ-Tische sperrige Faltenbälge und Gürteltierabdeckungen.

Die Drehpositionierung von Schneidwerkzeug und Werkstück erfolgt in Polarkoordinaten, nicht in kartesischen Koordinaten (wie es bei CNC-Kinematiken üblich ist). Die Steuerung empfängt XYZ-G-Code-Befehle und wandelt sie in Echtzeit in Polarkoordinaten um. Der Vorteil? Drehbewegungen sind für glatte Oberflächen besser geeignet als lineare, da selbst die besten Linearlager und Kugelumlaufspindeln beim Ein- und Ausfahren der Kugeln „rumpeln“. Dieses Rumpeln hallt durch das Bewegungssystem und kann sich an den Werkstücken als periodische Oberflächenabweichungen bemerkbar machen.