Automation

Kombinierte Bewegung mit elektrischen Antrieben

Planarantrieb: Baureihe PRM-P mit zwei Läufermodulen, Luft-Magnet-Lagerung. (Quelle. A-Drive Technology GmbH, 65232 Taunusstein)

Moderne Antriebe kennzeichnen kompakte Bauweise für gesteigerte Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Materialökonomie gepaart mit komplexer Funktionalität (Direktmotortechnik u. ä.). Hilfsfunktionen wie Führen, Steuern/Stellen, Beobachten, Kühlen, Tragen werden durch elektrische/elektronische und konstruktive Maßnahmen mit der Hauptaufgabe Bewegen zusammengefasst. Eine besonders hohe Stufe der Integration weisen Kombinationssysteme wie lagerlose beziehungsweise magnetisch gelagerte Motoren und Mehrkoordinatenantriebe auf. Letztere führen als Grundbaustein mechatronischer Systeme flächige und räumliche Bewegungen aus. Im Ergebnis liegt eine ausgeglichenere Leistungsverteilung auf die Einzelachsen, die steifere Konstruktion bei gesteigerter Genauigkeit vor. Die bewegten Massen nehmen zusammen mit dem Platzbedarf ab, sodass die technologische Dynamik (Vorschubgeschwindigkeit, Positioniergenauigkeit) wächst. Die Grundstruktur entspricht dem bekannten, konventionellen Prinzipaufbau.

Grundtypen
Zu unterscheiden sind:

  • lineare Zweikoordinatenantriebe basierend auf dem Prinzip des Kurzstator-Linearmotors,
  • rotierende, sphärische Mehrkoordinatenantriebe unter Nutzung des Reluktanzprinzips,
  • Drehschubantriebe mit mehreren Wicklungen zum gleichzeitigen Ausführen rotatorischer wie translatorischer Bewegung.
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Immer verbessern integrierte Messsysteme technische und wirtschaftliche Eigenschaften.

Lineare Zweikoordinatenantriebe
Planarantriebe ersetzen getrennte Linearachsen und überstreichen als zweidimensionaler Linearmotor eine Fläche bis ca. 1500 × 1000 mm2 bei Stellgeschwindigkeiten bis > 0,5 m/sec. Freie, hochdynamische Bewegung führt zu beliebigen Positionen. Die erreichbare (Wiederhol-)Genauigkeit/Wegauflösung liegt im unteren einstelligen µm-Bereich. Druckluft- beziehungsweise Magnet-Lagerung unterstützt diese Präzision, die zugleich Verschleißfreiheit sowie lange Lebensdauer begünstigt.


Reluktanz: Magnetischer Widerstand Rm = Θ/Φ (Analogie zum Ohm‘schen Gesetz; Θ magnetische Spannung, Φ Fluss)


Dem gezahnten Stator stehen ein oder mehrere Läufermodule gegenüber. Permanentmagneten PM beziehungsweise das Reluktanzprinzip erlauben den besonders zweckmäßigen Aufbau (Bild). Der bewegliche Motorteil (Läufer) trägt die PM mit oder ohne Eisenrückschluss. Ständerwicklungen werden mit Strömen unterschiedlichen Zeitverlaufs gespeist. Mehrere Läufermodule l erlauben Lösungen mit Achszahlen n > 2 zu l × 2.

Bewegungen in der Fläche benötigen eine spezielle Steuerung, um jede Position im Koordinatensystem zu erreichen. Sie erregt definiert die Statorspulen.

Die konstruktive Einheit mit der Arbeitsmaschine entspricht einem Direktantrieb. Flexible Einbaumöglichkeiten gestatten selbst senkrechte oder Über-Kopf-Anordnungen (Bild).

Sphärische Mehrkoordinatenantriebe (Kugelmotoren)
Elektrische Aktoren mit kugelförmigen Ständern und dazu passenden Läufern erlauben als Direktantrieb freizügig Dreh- und Schwenkbewegungen in einem bestimmten Winkelraum. Die Rotorsegmente gleichen permanenterregten Linearmotoren (Bild).

Die Beweglichkeit resultiert aus dem Reluktanzmoment. Wie bei der geschalteten Reluktanzmaschine (SRM) stehen sich unterschiedliche Polzahlen von Ständer und Läufer gegenüber. Der Bewegungsspielraum des motorischen Kugelgelenks mit drei Freiheitsgraden vergrößert sich infolge einer Ständerpolteilung mit deutlich höherer Anzahl von Spulenwicklungen. Sie müssen (vergleichbar dem Schrittmotor) getrennt angesteuert werden, damit sich das Drehmoment für jede gewünschte Richtung aufbauen kann. Der damit einhergehende, hohe steuerungstechnische und leistungselektronische Aufwand beherrscht zugleich die elektromagnetischen Verkopplungen.

Kugelmotoren besitzen einen hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Schwierigkeitsgrad.

Drehschubantriebe
Blieb bisher die gleichzeitig drehende und translatorische Ortsveränderung der Parallelarbeit von rotativem Haupt- und Vorschubantrieb vorbehalten, übernimmt nun diese kombinierte Aufgabe der Drehschubmotor. Solche Linear-Dreh-Maschinen stehen in unterschiedlichen Konstruktionsvarianten mit getrennten radialen und axialen Spulen oder gemeinsamer Wicklung zur Verfügung:

  • Mehrständersystem (vergleichbar dem Mehrstator-Schrittmotor)
  • axialer Linear-Dreh-Stator-Motor mit gemeinsam genutztem Rotor und getrennten Wicklungen für die zwei Bewegungen (Bild)
  • radiale Linear-Dreh-Stator-Maschine mit übereinander geschichteten Wicklungen
  • eine gemeinsame Drehstrom-Ständerwicklung in schraubenförmiger Nutung (das erzeugte Drehfeld weist eine translatorische und eine rotatorische Bewegungskomponente auf; auch als synchrone Reluktanzmaschine ausführbar).

Jede Wicklung ist über gesonderte Stellglieder anzusteuern, was bei Vielwicklungssystemen höchsten Aufwand bedeutet. Auch die Lagerung beansprucht komplizierte Lösungen.

Anwendungen
Planarantriebe dienen der flächigen Bearbeitung von Werkstücken, wie sie vergleichsweise Prozesse der Mikroelektronik-/Halbleiterindustrie (Waferpositionierung, Chipverpackung, Pick and Place, SMD-Bestückung, Prüfstände für Leiterplatten etc.), die Lasertechnik erfordern

Sphärische Systeme finden ihren Platz bei Antennennachführung, Robotern, Überwachungseinrichtungen, Pumpen (Bild) u. ä.. Zusammen mit elektromagnetischen Lagern können Kugelmaschinen – als bedeutsame mechatronische Komponente überhaupt – mechanische Gelenke ablösen.

Antriebe mit Drehschubmotoren erfüllen die hohen Anforderungen von Bearbeitungsmaschinen (zum Beispiel Lasertechnik), in Mikrosystem- und Feinwerktechnik, in der Elektronikfertigung (SMD-Bestückung, Leiterplattentest), vergleichbarer Präzisionstechnologien.

J. Krause

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