Linearmotoren und Aktuatoren erfüllen Automatisierungsanforderungen

Dec 09, 2023

Linearmotoren und Aktuatoren sind jetzt preislich konkurrenzfähiger als Kugelumlaufspindeln und Riemenantriebe und bieten eine deutlich höhere Agilität und Bandbreite für anspruchsvolle Positionierungsanwendungen. Neue Mikromotoren und Aktoren tragen dazu bei, Aufgaben zu automatisieren, die bisher nicht möglich waren. Direkte Linearantriebe ersetzen zunehmend servogesteuerte Pneumatikzylinder und sorgen für Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit, ohne dass Kosten, Lärm und Wartung von Luftkompressoren anfallen.

Angetrieben durch die Anforderungen der Halbleiterindustrie haben die Hersteller von Linearmotoren die Präzision stetig erhöht, die Preise gesenkt, mehrere Motortypen entwickelt und die Integration in Automatisierungsgeräte vereinfacht. Moderne Linearmotoren bieten eine Spitzenbeschleunigung von 20 g und eine Geschwindigkeit von 10 Metern/Sekunde, sorgen für unübertroffene dynamische Agilität, minimieren den Wartungsaufwand und vervielfachen die Betriebszeit. Sie sind über die spezielle Verwendung in der Halbleiterindustrie hinausgegangen und bieten fortschrittliche Leistung in einer Vielzahl von Anwendungen.

Mit der zehnfachen Geschwindigkeit und Lebensdauer von Kugelumlaufspindeln ist die lineare Direktantriebstechnologie oft die einzige Lösung für produktivitätssteigernde Automatisierung.

Die dynamische Leistung herkömmlicher Positionierungsmechanismen wird durch Leitspindeln, Getriebezüge, Riemenantriebe und flexible Kupplungen begrenzt, die Hysterese, Spiel und Verschleiß verursachen. In ähnlicher Weise leiden pneumatische Aktuatoren unter der Kolbenmasse und der Kolben-Zylinder-Reibung sowie der Luftkompressibilität, was zu einer Komplexität der Servosteuerung führt. Linearmotoren und Aktuatoren verlieren die Masse und Trägheit herkömmlicher Positionierer und bieten ohne diese grundlegenden Einschränkungen eine beispiellose dynamische Steifigkeit.

Die direkte Antriebskrafterzeugung ermöglicht es Linearmotoren und Aktoren, eine Bandbreite im geschlossenen Regelkreis zu erreichen, die mit alternativen Positionierungsmechanismen nicht verfügbar ist. Motor und Aktuator können die Vorteile moderner Steuerungen voll ausnutzen. Diese Regler sind für den Betrieb mit hoher Schleifenverstärkung abgestimmt und ermöglichen eine breite Bandbreitenregelung, schnelles Einschwingen und eine schnelle Erholung nach transienten Störungen.

Linearmotoren und Aktuatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie Bewegungen im Millimeterbereich ausführen, die in der Haftreibungszone arbeiten. Ihre geringe Masse und minimale Haftreibung minimieren die zum Anfahren erforderliche Antriebskraft und vereinfachen die Aufgabe des Steuerungssystems, ein Überschwingen beim Stoppen zu verhindern. Diese Eigenschaften ermöglichen es Direktantriebsmotoren und Aktuatoren, beispielsweise Mikroskopobjektträger zu scannen und die XY-Positionen von Artefakten aufzuzeichnen, die nur wenige Millimeter voneinander entfernt sind.

Anwendungen, die sich schnell wiederholende Bewegungen erfordern, können die hohe Bandbreite des Linearantriebs nutzen, um den Durchsatz von Kugelumlaufspindeln oder Riemenantrieben zu verdoppeln. Maschinen, die Materialrollen auf Länge schneiden (Papier, Kunststoff, sogar Windeln), maximieren den Durchsatz, indem sie ohne Unterbrechung des Materialflusses arbeiten. Um im laufenden Betrieb zu schneiden, beschleunigen solche Maschinen das Schneidmesser, um es mit dem Materialfluss zu synchronisieren, fahren mit Materialgeschwindigkeit zur Schneidstelle und leiten dann den Schnitt ein. Nach dem Schneiden wird die Klinge zu ihrem Ausgangspunkt zurückgebracht, um auf den nächsten Hin- und Rückschnittzyklus zu warten.

Es stehen drei grundlegende Linearmotorkonfigurationen zur Verfügung: Flachbett-, U-Kanal- und Rohrmotoren. Jeder Motor hat seine eigenen Vorteile und Einschränkungen.

Flachbettmotoren bieten zwar unbegrenzten Hub und höchste Antriebskraft, üben jedoch eine erhebliche und unerwünschte magnetische Anziehung zwischen der lasttragenden Kraft und der Permanentmagnetschiene des Motors aus. Diese Anziehungskraft erfordert Lager, die die zusätzliche Last tragen.

Der U-Kanal-Motor mit seinem eisenlosen Kern hat eine geringe Trägheit und damit maximale Agilität. Die lasttragenden Magnetspulen des Forcers bewegen sich jedoch tief im U-Kanal-Rahmen, wodurch die Wärmeabfuhr eingeschränkt wird.

Rohrlinearmotoren sind robust, thermisch effizient und am einfachsten zu installieren. Sie bieten direkten Ersatz für Kugelumlaufspindeln und pneumatische Stellungsregler. Die Permanentmagnete des Rohrmotors sind in einem Edelstahlrohr (Schubstange) eingeschlossen, das an beiden Enden abgestützt ist. Ohne zusätzliche Schubstangenunterstützung ist der Lastweg je nach Schubstangendurchmesser auf 2 bis 3 Meter begrenzt.

Von allen drei Motortypen sind Rohrmotoren am besten für den industriellen Einsatz geeignet. Rohrlinearmotoren haben tiefgreifende Vorteile aus einer grundlegenden technischen Innovation gezogen. Die Linearmotoren von Copley Controls ersetzen den herkömmlichen externen Linearencoder durch integrierte Hall-Sensoren. Ein patentierter Magnetkreis ermöglicht es Hall-Effekt-Sensoren, eine fast zehnfache Verbesserung der Auflösung und Wiederholgenauigkeit zu erreichen.

Da Linearencoder fast so viel kosten können wie der Linearmotor selbst, ist der Wegfall einer solchen eine erhebliche Kostenreduzierung. Dies vereinfacht auch die Integration von Linearmotoren in Automatisierungssysteme, da kein kniffliger Encoder unterstützt und ausgerichtet werden muss. Weitere Vorteile sind Robustheit, Zuverlässigkeit und die Tatsache, dass Encoder keine geschützten Umgebungen benötigen.

Rohrlinearmotoren können in leistungsstarke, vielseitige Linearantriebe mit Direktantrieb umgewandelt werden. Bei einer Aktuatorausführung bleibt der Forcer stationär (mit dem Maschinenrahmen verschraubt), während die Schubstange zur Lastpositionierung auf reibungsarmen, schmierungsfreien Lagern läuft, die im Forcer montiert sind. Der Linearantrieb übertrifft nicht nur Kugelumlaufspindeln und Riemenantriebe, sondern ist auch eine leistungsstärkere Alternative zu programmierbaren servopneumatischen Positionierungssystemen.

Rohrlinearmotoren eignen sich für Anwendungen zur Produktivitätsverdoppelung, da zwei unabhängige Antriebe auf eine einzige Schubstange wirken. Jeder Forcer verfügt über einen eigenen Servoantrieb und kann völlig unabhängig vom anderen fahren. Dann kann beispielsweise ein Forcer laden, während der andere entlädt. Mit dieser Technik kann der Durchsatz verdoppelt werden, indem jeweils zwei Artikel gleichzeitig von einem schnell laufenden Förderband gehoben und präzise auf einem zweiten Förderband platziert werden.

Ebenso können mehrere Forcer, die auf eine einzelne Schubstange wirken, die Antriebskraft verdoppeln, verdreifachen oder sogar vervierfachen. Die Forcer können von einem einzigen Controller bedient werden.

Der lasttragende Linearmotor läuft auf langlebigen Einzelschienenlagern. Im Gegensatz dazu beinhalten Kugelumlaufspindel-Umwandlungsmechanismen von Rotation zu Linear zusätzliche Verschleißquellen, die die Leistung beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen.

Die Schubstange des Linearantriebs gleitet auf langlebigen, schmierungsfreien Lagern, die im Forcer montiert sind. Diese inhärente Einfachheit ermöglicht es dem Aktuator, 10 Millionen Betätigungszyklen durchzuführen. Aktuatorlager sind selbstausrichtend und erleichtern so den Einbau. Die Antriebskraft des Aktuators wird direkt auf die Schubstange übertragen, wodurch Beschleunigung und Reaktionsfähigkeit verbessert werden.

Wenn der externe Encoder durch einen in den Forcer integrierten Halbleitersensor ersetzt wird, werden Direktantriebsmotoren und Aktuatoren zu sehr einfachen Zweikomponentengeräten. Forcer und Schubstange sind beide von Natur aus sehr robuste Komponenten, wodurch Motor und Aktuator den internationalen IP67-Washdown-Schutzklassen entsprechen.

Das Fehlen schleifender Zahnräder und surrender Leitspindeln verleiht Linearmotoren und Aktuatoren die immer wichtiger werdende Eigenschaft eines geräuscharmen Betriebs. Die OSHA orientiert sich eng an den europäischen Industrievorschriften, die immer strengere Vorschriften für Lärm am Arbeitsplatz vorsehen. In Labor- und Krankenhausumgebungen ist ein leiser Betrieb bereits von entscheidender Bedeutung. Diese Sorge wird immer weiter verbreitet, da die OSHA ihre Regelung auf andere Produktionsumgebungen ausdehnt.

Dieser Artikel wurde von George Procter, Vizepräsident von Copley Motion Systems LLC, Canton, MA, verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier

Dieser Artikel erschien erstmals in der Aprilausgabe 2008 des Motion Control Technology Magazine.

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