Die Eigenentwicklung von Bewegungsaktoren und -systemen zwingt Konstrukteure, Hunderte von Teilen zu bestellen, zu lagern und zu montieren. Dies verlängert die Markteinführungszeit und erfordert Techniker sowie spezielle Produktionsanlagen. Eine Alternative besteht darin, vorgefertigte Bewegungselemente zu bestellen.

Positioniereinheiten und Aktuatoren sind oft nur Bestandteile der Stückliste einer Maschine. Wenn sie die richtige Kraft, Nutzlast, Positionierung und Geschwindigkeit liefern, müssen Maschinenbauer ihnen keine weitere Aufmerksamkeit widmen. Unternehmen können ihre Maschinen jedoch tatsächlich verbessern, indem sie vorgefertigte Positioniereinheiten und Aktuatoren verwenden.

Vorgefertigte Systeme wie dieser ServoBelt-Linearantrieb sind dank der geringeren Teileanzahl, insbesondere von Halterungen und Verbindungsstücken, typischerweise 25 bis 50 % günstiger als vergleichbare, aus Einzelteilen zusammengesetzte Systeme. Zudem senken sie die Kosten für Konstruktion und Lagerhaltung erheblich.
Vorkonfigurierte Bewegungssubsysteme passen in einen definierten Bauraum und sind mit der Maschinensteuerung verbunden. Sie empfangen typischerweise Befehle von einer übergeordneten Computerschnittstelle, einer Steuerkarte oder einer SPS. Die einfachsten vorkonfigurierten Systeme bestehen im Wesentlichen aus einem Aktor und Anschlüssen. Komplexere vorkonfigurierte Systeme umfassen zusätzliche Steuerungen und sogar Endeffektoren zum Bewegen von Lasten.

Vorgefertigte Systemtische sind Systemen aus Einzelkomponenten oft überlegen, da sie individuell angepasst werden können. Viele Maschinenbauer verfügen hingegen nicht über die Fachkräfte, Vorrichtungen, Laserinterferometer und andere Ausrüstung zur Ausrichtung von Systemtischen (deren Achsentoleranzen oft im Mikrometerbereich liegen).

Die Regelungsstrategie bestimmt einen Teil der Konstruktion, daher folgen vorgefertigte Anlagen nicht immer den üblichen Konstruktionsregeln. Man denke beispielsweise an die Trägheitsdifferenz. Eine gängige Faustregel besagt, dass das Verhältnis der Nutzlastträgheit zur Motorträgheit unter 20:1 liegen sollte, um Probleme bei der Verwendung der Verstärkungsvoreinstellungen vorkonfektionierter Verstärker-Motor-Kombinationen zu vermeiden. Viele vorgefertigte Anlagen weisen jedoch Verhältnisse von bis zu 200:1 (oder beispielsweise sogar 4.500:1 bei Drehtischen) auf und ermöglichen dennoch präzise Bewegungen ohne Überschwingen. Hierbei passt der Hersteller die Verstärkungseinstellungen der Anlage dynamisch an und validiert sie durch Praxistests. Dadurch können auch kleinere Motoren eingesetzt werden.

Drehtische wie dieser werden typischerweise zur Positionierung eingesetzt, eignen sich aber auch für CNC-Maschinen. Vorgefertigte Drehtische werden am häufigsten in der Halbleiterfertigung, Nassbearbeitung, beim Laserschneiden, in der Verpackungsindustrie und in der Laborautomatisierung verwendet.
Vorgefertigte Systemeinheiten sind zudem zuverlässig. Bei der Inbetriebnahme neuer Bewegungssysteme kommt es häufig vor, dass einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht ordnungsgemäß zusammenarbeiten. Beispielsweise kann ein defekter Stecker eine ganze Maschine lahmlegen. Vorgefertigte Systemeinheiten werden montiert und getestet, bevor sie in Maschinen eingebaut werden, sodass dies nicht passiert.

Beispiel: Lineare Bewegung
Betrachten wir eine Anwendung, bei der ein Linearantrieb zwei unterschiedliche Bewegungen ausführt. Die erste ist ein langer Verfahrweg von 400 mm/s, die zweite ein schneller Tippvorgang von 13 mm, der innerhalb von 150 ms auf 10 µm genau die Zielposition erreichen muss. Die bewegte Masse beträgt 38 kg, die angestrebte bidirektionale Genauigkeit liegt bei ±5 µm, basierend auf der Rückmeldung eines optischen Linear-Encoders mit einer Auflösung von 1 µm.

Herkömmliche XY-Kugelgewindetriebe sind nicht präzise genug, es sei denn, der Anwender entscheidet sich für teure, spielfreie Ausführungen. Linearmotoren wären eine weitere Option, wären für diese Anwendung jedoch zu groß und teuer, da nur eine lange Motorspule die erforderliche Dauerkraft von 300 N liefern könnte. Eine lange Spule würde zudem umfassende Änderungen am Gesamtdesign erfordern und die Kosten im Vergleich zu anderen Optionen um 50 % erhöhen.

Dieser vorgefertigte Mehrachsentisch mit ServoBelt-Linearantrieben wird vor dem Einbau in eine Halbleiterfertigungsmaschine getestet. Der Tisch ist spielfrei, sodass der Konstrukteur die Steuerung an die dynamischen Anforderungen anpassen kann. Dies ist von Vorteil, da schnelle Indexbewegungen in dieser Maschine nur durch Schließen der Servoregelkreise mithilfe des Linear-Encoders möglich sind, was einen spielfreien Antriebsstrang vom Motor zur Nutzlast erfordert.
Im Gegensatz dazu ist ein vorgefertigter, auf Riemenantrieben basierender Positioniertisch kostengünstig. Er benötigt keine Zweikreisregelung, da er mit einer Einkreisregelung unter Verwendung des Linear-Encoders auskommt. Der Antrieb weist zudem eine hohe mechanische Dämpfung auf, wodurch die Regler hohe Verstärkungswerte (bis zum Vierfachen der Geschwindigkeits- und Positionsverstärkung) bei kurzen Einschwingzeiten erzielen. Linearmotoren hingegen müssen die Dämpfung in der Servoverstärkerelektronik simulieren, was die mögliche Positionsverstärkung reduziert.

Beispiel: Drehbewegung
Betrachten wir eine weitere Anwendung – eine dreiachsige CNC-Tischfräsmaschine. Diese verwendet üblicherweise Linearführungssysteme zur Positionierung des Schneidwerkzeugs. Im Gegensatz dazu kombiniert ein vorgefertigter Positioniertisch Dreh- und Linearpositionierung. Hier tragen zwei riemengetriebene Drehvorrichtungen Lasten auf großdimensionierten Drehlagern und sind einander gegenüberliegend angeordnet. Eine trägt eine pneumatisch angetriebene 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 Bereich von 40 × 40 × 40 mm erreichen kann.

Diese CNC-Fräsmaschine verwendet einen vorkonfigurierten Tisch, der so einfach wie möglich ausgelegt ist. Da für diese Anwendung eine gute Oberflächengüte wichtiger ist als Positioniergenauigkeit, wird auf Encoder verzichtet und der Betrieb im offenen Regelkreis realisiert (wodurch potenziell Tausende von Dollar pro Maschine eingespart werden können).
Ein schraubengetriebener Linearantrieb bewegt die Linearachse und ermöglicht gleichzeitig die axiale Verschiebung der Drehvorrichtung mit den Schneidköpfen relativ zur Werkstückhalterung. Alle drei Komponenten bewegen sich synchron. Die Linearachse positioniert das Schneidwerkzeug entlang der Z-Achse und führt es zur Werkstückoberfläche.

Die Rotationskonstruktion ist steif, was die Einhaltung der Bearbeitungstoleranzen erleichtert. Eine Lebensdauerschmierung minimiert das Kontaminationsrisiko, und die Aktuatoren beider Rotationstische ragen durch einfache Rotationsdichtungen in der Wand der Schneidkammer. Die Dichtungen schützen die inneren Bauteile vor Kühlschmierstoff und umherfliegendem Keramikstaub. Im Gegensatz dazu benötigen XYZ-Tische sperrige Faltenbälge und Schutzabdeckungen.

Die Drehpositionierung von Schneidwerkzeug und Werkstück erfolgt in Polarkoordinaten, nicht in kartesischen (wie üblicherweise bei CNC-Kinematik). Die Steuerung empfängt XYZ-G-Code-Befehle und wandelt diese in Echtzeit in Polarkoordinaten um. Der Vorteil? Drehbewegungen eignen sich besser als Linearbewegungen zur Erzeugung glatter Oberflächen, da selbst die besten Linearführungen und Kugelgewindetriebe beim Ein- und Auskuppeln der Kugeln ein „Rumpelgeräusch“ erzeugen. Dieses Rumpeln breitet sich im gesamten Bewegungssystem aus und kann sich als periodische Oberflächenschwankungen an den Werkstücken bemerkbar machen.