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Magnetische Direktantriebe - Wenn´s präzise sein soll

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Magnetische DirektantriebeWenn´s präzise sein soll

Bewegen und positionieren mit magnetischen Direktantrieben. Magnetische Direktantriebe bieten hinsichtlich Verschleiß und Dynamik Vorteile gegenüber klassisch motorisierten, spindelbasierten Lösungen. Direktantriebe verzichten weitgehend auf mechanische Komponenten im Antriebsstrang, daher gibt es weniger Reibung und Spiel und damit mehr Präzision.

Magnetische Linearversteller

Von den Eigenschaften magnetischer Direktantriebe profitieren diverse Anwendungsgebiete – etwa die Halbleiterfertigung, Biotechnologie und Medizintechnik oder auch Kippspiegel-, Dosier-, Prüf- und Fokussieranwendungen bis hin zu Photonik und Weltraumtechnik. Die Antriebe überzeugen durch relativ große Stellwege, hohe Geschwindigkeiten und lange Lebensdauer. Damit eignen sie sich für industrielle Anwendungen, die einen „Rund-um-die-Uhr-Betrieb“ verlangen. Zudem sind sowohl Positions- als auch Kraftregelung möglich. In Kombination mit einem digitalen Controller lassen sich dann in vielen unterschiedlichen Bereichen Aufgaben im Automatisierungsverbund lösen, die schnelle, sub-mikrometergenaue Positionierung und geregelte Aktorkraft erfordern.

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Dynamische Voice-Coil-Antriebe
Prinzipiell lassen sich für magnetische Direktantriebe unterschiedliche Antriebstechnologien nutzen. Voice-Coil-Aktoren und magnetische Linearantriebe beispielsweise machen sich die Tatsache zunutze, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld proportional zur Magnetfeldstärke und zum Strom ist. Die elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt und erzeugt eine Kraft, die je nach Stromrichtung bidirektional wirken kann. Voice-Coil-Antriebe sind durch hohe Dynamik, jedoch relativ geringe Haltekräfte und Stellwege charakterisiert. Sie kommen als reibungsfreie Linearantriebe besonders bei Scananwendungen mit Stellwegen bis zu einigen zehn Millimetern zum Einsatz.

PIMag-Direktantriebe

Eisenlose Linearmotoren entsprechen im Prinzip einer Aneinanderreihung mehrerer Voice-Coil-Aktoren; einzelne Spulen lassen sich nach positionsabhängigem, festgelegtem Muster ansteuern (Kommutierung). Dabei ist prinzipiell entweder die Bewegung der Spulen- oder der Magnetbaugruppe möglich, es können damit praktisch unbegrenzte Hübe erreicht werden. Solche Motoren werden sowohl für sehr hohe als auch für sehr geringe Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt und arbeiten präzise in einem Bereich von unter 0,1 Mikrometer pro Sekunde bis zu über fünf Meter pro Sekunde. In Kombination mit Luft- oder Magnetlagern ist eine Positionsauflösung bis zu wenigen Nanometern erreichbar.

Kraft- und Positionsregelung möglich
Aufgrund der Stromsteuerung und der linearen Abhängigkeit der Antriebskraft zum Strom können magnetische Direktantriebe nicht nur positions- oder geschwindigkeitsgeregelt betrieben werden, sondern auch kraftgeregelt. Dies ermöglicht den Betrieb von magnetischen Antrieben und Verstellern mit definierter Halte- oder Vortriebskraft. Die Kraft- und Positionssensoren können gleichzeitig ausgelesen und die Werte verarbeitet werden. Dadurch ergeben sich neben der reinen Kraftregelung die Optionen einer unterlagerten Positions- und Geschwindigkeitsregelung. Eine Auto-Zero-Funktion legt den Haltestrom fest, bei dem der Antrieb im ungeregelten Betrieb eine Kraft von null Newton aufbringt, zum Beispiel für die Kompensation der Gewichtskraft. Ein typischer Vertreter dieser Klasse ist der magnetische Linearversteller V-273, der optional mit einem eigens entwickelten Kraftsensor verfügbar ist. Bei ihm beträgt die Kraftauflösung 0,025 Newton, also umgangssprachlich 2,5 Gramm. Mit der Ansteuerung über einen digitalen Motion Controller lassen sich so Aufgaben im Automatisierungsverbund lösen, die sowohl eine schnelle Positionierung im Bereich von einzelnen Mikrometern und darunter erfordern als auch eine geregelte Aktorkraft. Eine typische Anwendung hierfür ist beispielsweise die Funktionsprüfung von Bedienelementen und Sensoren.

Torque-Motor

Da gerade im Bereich der Präzisionspositionierung die Anwendungen teilweise unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzten Antriebe und Positioniersysteme haben, passt die Karlsruher Physik Instrumente (PI) alle Systemkomponenten wie Motor, Messsystem, Führungstechnologie oder Ansteuerung auf die anwendungs- oder kundenspezifischen Anforderungen an. Dadurch wird eine ähnliche Technologietiefe und Flexibilität erzielt wie bei den piezokeramischen Antrieben des Herstellers. Zusammen mit den Kenntnissen über Regelungstechnik, Führungssysteme und Nanometrologie-Sensorik sind so auch bei den magnetischen Direktantrieben individuelle Lösungen möglich. Für den Anwender macht es dann praktisch keinen Unterschied, nach welchem Antriebsprinzip sein Positioniersystem arbeitet. Er kann sicher sein, dass er eine auf die Applikation maßgeschneiderte Positionierlösung erhält, einschließlich der notwendigen Controller und Sensorik, etwa kapazitive, absolut messende Sensoren oder optische Encoder.

Jenseits vom Standard
Für die Wahl des für eine Positionieranwendung idealen Antriebskonzepts gibt es kein Patentrezept. Welche Antriebslösung sich am besten eignet, ist vom Zusammenspiel vieler Parameter abhängig, die die konkrete Anwendung vorgibt. Rotationsversteller beispielsweise nutzen als Direktantrieb sogenannte Torque-Motoren. Sie überzeugen vor allem durch ihre hohe Dynamik und Positionsauflösung. Sie werden zum Beispiel in der Materialforschung für die Probenbewegung eingesetzt und können hinsichtlich ihrer Belastbarkeit frei skaliert werden. Sie erreichen Geschwindigkeiten bis 360 Grad pro Sekunde; integrierte Encoder ermöglichen eine direkte Positionsmessung und als Option ist eine Luftlagerführung möglich, was zum Beispiel in Präzisionsmaschinen zu einem reibungsfreien Betrieb sorgt. Beste dynamische Eigenschaften erreichen Hexapoden mit magnetischen PIMag-Direktantrieben; hier sind Geschwindigkeiten von mehreren hundert Millimeter pro Sekunde und Beschleunigungen bis zu vier g möglich. Das spezielle Design mit Festkörpergelenken verzichtet völlig auf rollende und reibende Elemente und ermöglicht dadurch eine spielfreie Bewegung ohne mechanisches Rauschen. Unerwünschte Störfrequenzen aus der Hexapod-Mechanik beeinflussen also die Messung nicht. pb

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