Linearmotoren haben die Möglichkeiten der Bewegungssteuerung neu definiert und bieten im Vergleich zu herkömmlichen, drehmotorgetriebenen Linearantrieben eine schnellere, präzisere und zuverlässigere Leistung. Die Besonderheit eines Linearmotors besteht darin, dass die Last ohne mechanische Kraftübertragungskomponenten bewegt wird. Stattdessen wird die durch das Magnetfeld der Motorspule erzeugte lineare Kraft direkt an die Last gekoppelt. Dadurch entfallen mechanische Vorrichtungen, die Drehbewegungen in lineare umwandeln, was Lebensdauer, Präzision, Geschwindigkeit und Gesamtleistung des Systems verbessert.
Da die Nachfrage nach höherer Produktivität, höherer Produktqualität, kürzeren Entwicklungszeiten und niedrigeren Entwicklungskosten steigt, wird die Linearmotortechnologie durch modulare Linearmotorkonstruktionen immer beliebter. Sie finden Anwendung in der Messtechnik, in Präzisionsschneidsystemen, in der Halbleiter- und Elektronikfertigung, im Waferhandling, in der Lithografie, in Bildverarbeitungssystemen, in medizinischen Geräten und Vorrichtungen, in Testsystemen, in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, in der Fließbandautomatisierung, in Druck- und Verpackungsanwendungen und in vielen weiteren Anwendungen, die einen hohen Durchsatz und hochpräzise Linearbewegungen erfordern.
Die Komponenten eines Linearmotors müssen mit hoher Präzision und wiederholbaren Prozessen bearbeitet und montiert werden. Die korrekte Ausrichtung dieser Teile ist entscheidend und erfordert ein hohes Maß an Konstruktionsgenauigkeit und Montagegeschick.
Die neue Generation modularer Linearmotoren hat die Spielregeln geändert. Schlüsselfertige modulare Linearmotoren lassen sich einfach in ein System integrieren und sind sofort einsatzbereit, was den Entwicklungsaufwand deutlich reduziert. Ingenieure können die leistungsstarken Vorteile der modularen Linearmotortechnologie nun innerhalb weniger Tage – statt erst nach Monaten oder gar Jahren – in ihre Maschinenkonstruktionen integrieren.
Linearmotorsysteme bestehen aus neun Hauptkomponenten:
- Eine Grundplatte
- Eine Motorspule
- Eine permanente Magnetspur (normalerweise Neodym-Magnete)
- Ein Schlitten, der die Motorspule mit der Last verbindet
- Lineare Lagerschienen, auf denen der Schlitten geführt wird und die mit der Basis verbunden sind
- Ein Linearencoder zur Positionsrückmeldung
- Endanschläge
- Eine Kabelbahn
- Optionaler Faltenbalg zum Schutz der Magnetspur, des Encoders und der Linearschienen vor Umweltverschmutzung.
Regelkreis
Die Komponenten eines Linearmotors müssen hochpräzise und wiederholbar bearbeitet und montiert werden. Die korrekte Ausrichtung dieser Teile ist entscheidend und erfordert viel Detailgenauigkeit bei der Konstruktion und Montage. Beispielsweise müssen die Magnetschiene und die bewegliche Motorspule flach, parallel und mit einem bestimmten Luftspalt dazwischen montiert sein. Die bewegliche Spule läuft auf einem Schlitten, der mit parallelen Präzisions-Linearlagerschienen über der Magnetschiene verbunden ist. Der Positionsgeber mit Linearskala und Lesekopf ist ein weiteres wichtiges Bauteil eines Linearmotors, das eine korrekte Ausrichtung und eine robuste Montage erfordert, um Beschleunigungen von bis zu 5 G standzuhalten. Bei modularen Linearmotoren sind diese Details bereits berücksichtigt und vorkonfiguriert.
Modulare Linearmotorsysteme wie das abgebildete kommen zum Einsatz, wenn präzise, schnelle und wiederholbare Linearbewegungen erforderlich sind. Das System ist eine Alternative zu Kugelumlaufspindel-, Riemen- und Zahnstangenantrieben.
Zur Steuerung der Linearmotorbewegung kommen hochentwickelte Motion Controller und Servoantriebe zum Einsatz. Linearmotoren bieten klare Vorteile hinsichtlich Steifigkeit und Frequenzgang. In bestimmten Frequenzbereichen übertrifft ihre Steifigkeit herkömmliche Kugelumlaufspindeln um das Zehnfache oder mehr. Dank dieser Eigenschaft können Linearmotoren hohe Positions- und Geschwindigkeitsbandbreiten mit beeindruckender Präzision bewältigen, selbst bei externen Störungen. Im Gegensatz zu Kugelumlaufspindeln, die häufig Resonanzfrequenzen zwischen 10 und 100 Hz aufweisen, arbeiten Linearmotoren mit höheren Frequenzen, wodurch ihre Resonanzen weit außerhalb der Positionsbandbreite liegen.
Der Wegfall der mechanischen Übertragung bringt jedoch einen Kompromiss mit sich. Mechanische Komponenten wie Kugelumlaufspindeln tragen dazu bei, Störungen durch Maschinenkräfte, Eigenresonanzfrequenzen oder Querschwingungen zu reduzieren. Durch ihren Wegfall sind Linearmotoren solchen Störungen direkt ausgesetzt. Die Kompensation dieser Störungen obliegt daher der Bewegungssteuerung und der Antriebselektronik, die diese direkt an der Servoachse angehen muss. Hier kommen die modernen, hochentwickelten Bewegungsalgorithmen ins Spiel, die Resonanzen eliminieren und eine bemerkenswerte Positionsregelung ermöglichen.
Im Bereich der Linearantriebe bieten Linearmotoren außergewöhnliche technische Leistung. Ihre Fähigkeit, eine höhere Steifigkeit und höhere Frequenzen zu erreichen, unterscheidet sie von herkömmlichen Alternativen. Durch die Vermeidung von Resonanzfrequenzen und die Beibehaltung hoher Präzision auch bei externen Störungen bieten Linearmotoren eine überzeugende Lösung.
Das Fehlen einer mechanischen Übertragung erfordert jedoch robuste Kompensationsstrategien, um Störungen entgegenzuwirken und so die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Die Abtastfrequenzen von Motion-Controllern für Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise beginnen typischerweise bei 5 kHz. Eine Linearmotorachse kann eine fünf- bis zehnmal höhere Positionsregelkreisbandbreite aufweisen als eine herkömmliche, von einem Rotationsmotor angetriebene Achse, bei der Frequenzen von 1 bis 2 kHz akzeptabel sind. Einige aktuelle Motion-Controller erreichen Abtastraten von 20 kHz oder mehr, was eine ultraschnelle Rückkopplungsregelung und eine hochpräzise Bahnsteuerung ermöglicht.
Da die meisten Hersteller modularer Linearmotoren auch Experten für Bewegungssteuerung und Servomotoren sind, wurden auch viele Herausforderungen im Zusammenhang mit Regelkreisen und mechanischen Resonanzen gut durchdacht und es werden Lösungen und Tools zur Verfügung gestellt, um diese Herausforderungen zu mildern.
LINEARMOTORANWENDUNG
Ich habe vor Jahren wertvolle Erfahrungen mit Linearmotoren gesammelt, als ich mit einem Team von Ingenieuren ein revolutionäres Projekt in Angriff nahm: die Entwicklung der weltweit ersten linearmotorbasierten Laserschneidmaschine. Der Einsatz von Linearmotoren war die perfekte Lösung, um die Branche zu revolutionieren, da herkömmliche Linearantriebstechnologien mit rotierenden Servomotoren nicht die mit Linearmotoren erreichbaren Hochleistungsfähigkeiten bieten konnten.
Die Implementierung der Technologie war keine leichte Aufgabe. Als wir uns intensiver mit dem Projekt beschäftigten, stellten wir fest, dass unsere Anwendung Leistungsspezifikationen für Linearmotoren erforderte, die im Handel nicht erhältlich waren. Unbeirrt beschlossen wir, Linearmotoren speziell für unsere Anwendung zu entwickeln.
Wir standen vor zahlreichen Herausforderungen, da wir ein 450 kg schweres Portalsystem mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s und einer Beschleunigung von 1,5 G bewegen mussten. Dafür mussten wir einen Linearmotor entwickeln, der extreme Kräfte erzeugen konnte. Unser Team blieb hartnäckig und investierte unzählige Stunden in Forschung und Entwicklung, bis wir schließlich einen Linearmotor entwickelten, der den Anforderungen unserer Laserschneidmaschine gerecht wurde. Es war ein stolzer Moment, als wir unsere Linearmotoren 14 Monate später endlich in Aktion sahen, wie sie das Portalsystem mit unglaublicher Geschwindigkeit, Leichtigkeit und Präzision antrieben. Die erreichte Leistung war beispiellos. Es ist bemerkenswert, wie viel schneller unser Maschinenkonzept hätte umgesetzt werden können, wenn es damals schon schlüsselfertige modulare Linearmotoren gegeben hätte.
Die Linearmotortechnologie hat sich seit den Anfängen der Linearmotorentwicklung in den 90er Jahren stark weiterentwickelt. Mit der Einführung neuer modularer Designs ist das Innovations- und Fortschrittspotenzial im Bewegungsdesign und bei Linearmotoren größer denn je. Modulare Linearmotoren definieren die Grenzen des Möglichen neu: Sie bieten schnellere, präzisere und zuverlässigere Bewegungssteuerungsfunktionen, die schnell einsatzbereit sind und eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Branchen unterstützen.
Veröffentlichungszeit: 14. August 2023