Neben dem Einsatz in kartesischen Robotern beziehungsweise Portalrobotern gibt es noch eine Vielzahl weiterer Bewegungssteuerungen, die mit linearen Wellenmotoren, auch Synchronmotoren genannt, angetrieben werden. Dazu gehören beispielsweise hoch- und ultrapräzise Einachsroboter mit einer Auflösung und Positioniergenauigkeit im Subnanometer- und im hohen Piktometerbereich. Derartige Systeme finden Verwendung in Bereichen wie Optik, Mikroskopie, Halbleiterherstellung, Werkzeugmaschinen, Stellantriebe mit hoher Kraft, Werkstoffprüfgeräte, Bestückung, Montagevorgänge, Werkzeugmaschinenhandling und Lichtbogenschweißen.

Probleme bei Parallelantrieben

Das größte Problem aller Parallelantriebssysteme ist die orthogonale Ausrichtung, also die Fähigkeit, eine parallele Achse im rechten Winkel zu halten. In mechanischen Antriebssystemen wie Spindel-, Zahnstangen-, Riemen- und Kettenantrieb besteht das Hauptproblem in der Anbindung an das System, da es zu Fehlausrichtungen oder zur Summierung von Toleranzen kommen kann. In direkten Antriebssystemen stellen Sinusfehler ein zusätzliches Problem dar. Diese entstehen aufgrund von Montagefehlern und Varianzen in den linearen Motoren. Um diese Probleme zu meistern, wird üblicherweise jede Seite des Parallelantriebssystems angetrieben, gesteuert und elektronisch synchronisiert. Nachteilig sind hier jedoch die hohen Kosten eines solchen Systems, da im Vergleich zur einachsigen Variante, Antrieb und Positionsbestimmungselektronik doppelt vorhanden sein müssen. In der Folge kann es zu zusätzlichen Synchronisierungs- und Nachlauffehlern kommen und damit zur Beeinträchtigung der Systemleistung.

Ein schnell reagierender Motor ermöglicht es, lineare Wellenmotoren parallel zu schalten. Die dynamische, von zwei identischen linearen Wellenmotoren erzeugte Bewegung, ist bei Ausgabe desselben Steuersignals identisch. Wie alle Parallelantriebssysteme muss der lineare Wellenmotor physikalisch an einen Mechanismus gekoppelt werden, der der Achse nur einen einzigen Freiheitsgrad für Bewegung einräumt. Dadurch agieren die parallelen linearen Wellenmotoren als Einzelgeräte und ermöglichen den Betrieb mit nur einem Encoder und nur einem Servoantrieb. Da ein ordnungsgemäß eingebauter linearer Wellenmotor ohne direkten Kontakt läuft, kann er selbst keine mechanische Verbindung zum System herstellen. All diese Eigenschaften treffen auf jeden kontaktlosen Linearmotor zu.

Unkritischer Luftspalt

Lineare Wellenmotoren, auch als Synchronmotoren bezeichnet, unterscheiden sich von anderen kontaktlosen Linearmotoren in mehreren Aspekten, die sie für den Einsatz in Parallelsystemen prädestinieren. So befindet sich der Permanentmagnet in der Mitte des elektromagnetischen Felds und sorgt für einen unkritischen Luftspalt. Die Spule umgibt den Magneten vollständig, so dass die Kraft dem Nettoeffekt des Magnetfelds entspricht.  Jede durch Luftspaltdifferenzen wie Ausrichtung oder Verarbeitungsunterschiede verursachte Kraftschwankung wird dadurch praktisch beseitigt, was eine einfache Ausrichtung und Installation gewährt. Sinusfehler, als eines der Hauptprobleme bei kontaktlosen Linearmotoren, können hingegen  zu Kraftdifferenzen führen. Über einen Elektromagneten wird der Spule Strom zugeführt. Diese synchronisiert sich dann selbst mit dem Magnetfeld der Permanentmagneten in der Magnetspur. Die Kraft in einem Linearmotor wird durch die relative Stärke dieser Magnetfelder und den Winkel ihrer beabsichtigten Fehlausrichtung erzeugt.

Sind alle Magnetfelder perfekt ausgerichtet, so werden in einem Parallelantriebssystem sämtliche Spulen und Magnetfelder zu einem einzigen Motor. Jede Fehlausrichtung der Spulen oder der Magnetspuren führt zu einer Fehlausrichtung der Magnetfelder und erzeugt unterschiedliche Kräfte in jedem Motor. Sinusfehler sind daher die Kraftdifferenzen, die durch eine Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetspuren entstehen.

Sinusfehler können mithilfe der nachfolgenden Gleichung berechnet werden:

Fdif = Fgen × sin(2πDdif/MPn-n)

Dabei ist:

  •  Fdif = die Kraftdifferenz zwischen den beiden Spulen
  •  Fgen = die erzeugte Kraft
  •  Ddif = die Fehlausrichtungslänge, und MPn-n = der Polabstand (Nord-Nord)

Die meisten Linearmotoren sind mit einem Polabstand (Nord-Nord) im Bereich zwischen 25 bis 60 mm Länge ausgeführt, unter dem Deckmantel einer Reduzierung der IR-Verluste und der elektrischen Zeitkonstante. Eine Fehlausrichtung von nur 1 mm führt in einem Linearmotor mit einem Polabstand Nord-Nord von 30 mm zu einem Leistungsverlust von 21 Prozent.

Der lineare Wellenmotor kompensiert diesen Verlust durch einen noch längeren Polabstands (Nord-Nord), der den Effekt von Sinusfehlern aufgrund zufälliger Fehlausrichtungen reduziert. Eine Fehlausrichtung von nur 1 mm in einem linearen Wellenmotor mit einem Polabstand (Nord-Nord) von 90 mm führt zu einem Leistungsverlust von nur 7 Prozent.

Geringerer Leistungsverlust

Nur bei einer Rückkopplung direkt in den Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes ist eine wirklich genaue Positionierung bei hoch- und ultrapräzisen Einachsrobotern möglich. Die Krafterzeugung vom Motor erfolgt ebenfalls direkt in den Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes. Es ist jedoch unmöglich, dass die Krafterzeugung und die Rückkoppelung an genau derselben Position stattfinden.

Durch einen Encoder im Massenschwerpunkt und durch lineare Wellenmotoren mit gleichem Abstand zum Massenschwerpunkt wird die gewünschte Rückkoppelung und Krafterzeugung im Massenschwerpunkt erzeugt. Dies ist bei anderen Parallelantriebssystemen, die zwei Encodersätze und Servoantriebe zur Erzeugung dieses Parallelantriebstyps erfordern, nicht möglich.

Für äußerst präzise Anwendungen

Einzelantriebe/Einzelencoder sind bestens geeignet  für ultrapräzise Anwendungen. In der Vergangenheit hatten Systeme zwei verschiedene Motoren, die mithilfe von zwei unterschiedlichen, elektronisch miteinander verbundenen Steuerungen getrennte Kugelgewindeantriebe antrieben. Oder sie hatten zwei Linearmotoren mit zwei Encodern, die elektronisch mit zwei Antrieben verbunden waren. Nun können dieselben Aktionen mit zwei linearen Wellenmotoren, einem Encoder und einem Verstärker/Antrieb ausgeführt werden, solange die Steifigkeit des Systems selbst ausreicht. Vorteilhaft ist dies auch bei Anwendungen, in denen ein extrem hoher Kraftaufwand erforderlich ist. Auch ist es möglich, eine beliebige Zahl an linearen Wellenmotoren zu verbinden und so ihre Kraft zusammenzuführen.

Ben de Vries

ist geschäftsführender Gesellschafter von Dynetics.

(ah)

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