Lineare Bewegungssysteme sind in unzähligen Maschinen zu finden, darunter Präzisions-Laserschneidsysteme, Laborautomatisierungsgeräte, Halbleiterfertigungsmaschinen, CNC-Maschinen, Fabrikautomation und viele andere, die zu zahlreich sind, um sie alle aufzuzählen.Sie reichen von relativ einfachen Lösungen wie einem kostengünstigen Sitzaktuator in einem Pkw bis hin zu einem komplexen, mehrachsigen Koordinatensystem mit Steuerungs- und Antriebselektronik für die Positionierung im geschlossenen Regelkreis.Egal wie einfach oder komplex das lineare Bewegungssystem ist, auf der grundlegendsten Ebene haben sie alle eines gemeinsam: Sie bewegen eine Last in einer bestimmten Zeitspanne über eine lineare Strecke.

Eine der häufigsten Fragen beim Entwurf eines linearen Bewegungssystems dreht sich um die Motortechnologie.Sobald die Technologie ausgewählt ist, muss der Motor so dimensioniert werden, dass er den Anforderungen der Lastbeschleunigung, der Überwindung der Reibung im System und der Auswirkung der Schwerkraft gerecht wird und gleichzeitig eine sichere maximale Betriebstemperatur aufrechterhält.Drehmoment, Geschwindigkeit, Leistung und Positionierungsfähigkeit des Motors hängen von der Motorkonstruktion in Verbindung mit dem Antrieb und der Steuerung ab.

MIT WELCHEM MOTOR SOLL ICH STARTEN?

Beim Entwurf eines linearen Bewegungssystems mit einer bestimmten Motortechnologie sind viele Anwendungsfragen zu berücksichtigen.Eine ausführliche Erläuterung des gesamten Prozesses würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.Ziel ist es, Sie zum Nachdenken darüber anzuregen, bei Gesprächen mit einem Motorenlieferanten die richtigen Fragen zu stellen.

Es gibt nicht den besten Motor für jede Anwendung, sondern den besten Motor für eine bestimmte Anwendung.Bei den meisten Inkrementalbewegungsanwendungen besteht die Wahl zwischen einem Schrittmotor, einem Bürsten-Gleichstrommotor oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor.Die komplexesten Bewegungssysteme können Linearmotoren verwenden, die direkt an die Last gekoppelt sind, wodurch die Notwendigkeit einer mechanischen Leistungsumwandlung entfällt;Es ist keine Übersetzung durch eine Leitspindel/Kugelumlaufspindel, ein Getriebe oder ein Riemenscheibensystem erforderlich.Obwohl mit kernlosen Direktantriebs-Linearservosystemen maximale Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Positionierungsauflösung erreicht werden können, sind sie im Vergleich zu Rotationsmotoren am teuersten und komplex.Eine Architektur mit Rotationsmotoren ist viel kostengünstiger und eignet sich für die meisten linearen Bewegungsanwendungen.Für den Antrieb der Last sind jedoch Mittel zur „Rotations-zu-Linear“-Umwandlung (und damit auch zur Leistungsumwandlung) erforderlich.

Schritt-, Bürsten- und bürstenlose Motoren gelten alle als Gleichstrommotoren;Allerdings gibt es Feinheiten, die dazu führen, dass ein Ingenieur in einer bestimmten Anwendung einen Typ den beiden anderen vorzieht.Es muss betont werden, dass diese Wahl stark von den Designanforderungen des Systems abhängt, nicht nur in Bezug auf Geschwindigkeit und Drehmoment, sondern auch die Anforderungen an Positionierungsgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung.Es gibt nicht für jede Anwendung den perfekten Motor und alle Entscheidungen erfordern Kompromisse bei der Konstruktion.Auf der grundlegendsten Ebene funktionieren alle Motoren, egal ob sie Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren, Bürstenmotoren, bürstenlose Motoren oder andere Elektromotoren heißen, nach dem gleichen physikalischen Prinzip, um Drehmoment zu erzeugen: der Wechselwirkung magnetischer Felder.Es gibt jedoch dramatische Unterschiede in der Art und Weise, wie diese verschiedenen Motortechnologien in bestimmten Anwendungen reagieren.Die Gesamtleistung, Reaktion und Drehmomenterzeugung des Motors hängen von der Methode der Felderregung und der Magnetkreisgeometrie ab, die dem physischen Motordesign innewohnt, der Steuerung der Eingangsspannung und des Eingangsstroms durch den Controller/Antrieb und der Methode der Geschwindigkeits- oder Positionsrückmeldung, falls vorhanden Anwendung erfordert.

Gleichstrom-Schrittmotor-, Bürstenservo- und bürstenlose Servomotortechnologien nutzen alle eine Gleichstromversorgung, um sie mit Strom zu versorgen.Für lineare Bewegungsanwendungen bedeutet dies nicht, dass eine feste Gleichstromquelle direkt an die Motorwicklungen angelegt werden kann;Zur Steuerung des Wicklungsstroms (bezogen auf das Ausgangsdrehmoment) und der Wicklungsspannung (bezogen auf die Ausgangsdrehzahl) ist Elektronik erforderlich.Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Stärken und Schwächen der drei Technologien.

Der Entwurf des Linearsystems beginnt mit der Lastmasse und der Geschwindigkeit, mit der sich die Masse von Punkt A nach Punkt B bewegen muss. Motortyp, Größe und mechanische Konstruktion beginnen mit der Leistung (Watt), die zum Bewegen der Last erforderlich ist.Beginnend bei der Last und schließlich durch alle Komponenten bis hin zur Antriebsstromversorgung besteht die Analyse aus einer Reihe von Schritten, um die Leistungsumwandlung von einem Teil des Systems zum anderen zu verstehen und gleichzeitig die verschiedenen Wirkungsgrade der dazwischen liegenden Komponenten zu berücksichtigen.Watt in Form von Spannung und Strom, die in den Antrieb eingespeist werden, werden letztendlich in mechanische Ausgangsleistung (Watt) umgewandelt, die eine bestimmte Last in einer bestimmten Zeitspanne bewegt.

Um einen Hinweis auf die an der Last benötigte Ausgangsleistung zu erhalten, hilft eine einfache Leistungsberechnung bei der Einstufung eines Motors.Nachdem Sie die durchschnittlich benötigte Ausgangsleistung ermittelt haben, schließen Sie die Analyse des Leistungsbedarfs ab, indem Sie zurück zum Motor gehen und die verschiedenen Leistungsumwandlungselemente durchgehen.Um die Effizienz der verschiedenen Komponenten zu berücksichtigen, sollten die Herstellerangaben herangezogen werden, da diese letztendlich die Größe des Motors und der Stromversorgung bestimmen.Es ist eine persönliche Präferenz, mit welchen Einheiten man arbeitet, SI-Einheiten werden jedoch dringend empfohlen.Durch die Arbeit mit SI-Einheiten entfällt die Notwendigkeit, sich mehrere Umrechnungskonstanten zu merken, und das Endergebnis kann jederzeit wieder in englische Einheiten umgerechnet werden.

Wie viel Kraft wird benötigt, um die Last in der erforderlichen Zeit zu bewegen?

Um eine 9 kg schwere Masse gegen die Schwerkraft anzuheben, ist eine Kraft von etwa 88 N erforderlich.Die Berechnung der zum Bewegen der Last erforderlichen Wattleistung bietet einen Ausgangspunkt für die Bestimmung der Komponenten im restlichen System.Dies ist die durchschnittliche Kraft, die benötigt wird, um eine Masse von 9 kg in 1 Sekunde vertikal von Punkt A nach Punkt B zu bewegen.Systemverluste wie Reibung sind nicht enthalten.Die erforderliche Motorwellenleistung ist etwas höher und hängt von den anderen im System verwendeten Komponenten wie Getriebe und Leitspindel ab.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 W

Dies unterscheidet sich von der Spitzenleistung, die vom System benötigt wird.Sobald Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt werden, ist die Momentanleistung während des Bewegungsprofils etwas höher;Allerdings beträgt die durchschnittlich benötigte Ausgangsleistung am Verbraucher etwa 18 Watt.Nach einer gründlichen Analyse aller Komponenten benötigt ein System wie dieses etwa 37 W Spitzenleistung, um die Aufgabe zu erfüllen.Diese Informationen sowie die verschiedenen anderen Anwendungsspezifikationen helfen nun bei der Auswahl der am besten geeigneten Motortechnologie.

WELCHE MOTORENTECHNIK SOLLTE ICH BERÜCKSICHTIGEN?

Ausgezeichnete Positionierungsmöglichkeiten und relativ einfache Steuerung würden einen Entwickler dazu veranlassen, zunächst die Möglichkeit der Verwendung eines Schrittmotors in Betracht zu ziehen.Ein Schrittmotor würde jedoch die Anforderung eines kleinen mechanischen Platzbedarfs bei gleichzeitiger Erfüllung der Lastanforderungen nicht erfüllen.Ein Spitzenleistungsbedarf von 37 Watt würde einen sehr großen Schrittmotor erfordern.Obwohl Schrittmotoren bei niedrigen Geschwindigkeiten über ein sehr hohes Drehmoment verfügen, übersteigt die Spitzengeschwindigkeit und damit der Leistungsbedarf des Bewegungsprofils die Leistungsfähigkeit aller Schrittmotoren außer den größten.

Ein Bürsten-DC-Servomotor würde die Lastanforderungen erfüllen, einen kleinen mechanischen Platzbedarf haben und eine sehr gleichmäßige Drehung bei niedrigen Geschwindigkeiten ermöglichen;Aufgrund der strengen EMV-Anforderungen ist es jedoch wahrscheinlich am besten, für diese spezielle Anwendung auf den Bürstenmotor zu verzichten.Dies wäre im Vergleich zu einem bürstenlosen System eine kostengünstigere Alternative, könnte jedoch Schwierigkeiten bei der Einhaltung strenger EMV-Anforderungen bereiten.

Der bürstenlose Gleichstrommotor mit sinusförmigem Antriebssystem wäre die erste Wahl, um alle Anwendungsanforderungen einschließlich des Last- und Bewegungsprofils (hohe Leistungsdichte) zu erfüllen.sanfte, zahnradfreie Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten;und ein kleiner mechanischer Platzbedarf.In diesem Fall besteht aufgrund der Hochfrequenzschaltung der Antriebselektronik immer noch die Möglichkeit einer EMI-Signatur;Aufgrund eines schmaleren Frequenzbands kann dies jedoch durch Inline-Filterung abgemildert werden.Ein Bürsten-Gleichstrommotor weist eine breitere EMI-Signatur auf, was die Filterung schwieriger macht.

Die Dimensionierung eines Motors ist erst der Anfang

Bei diesem Artikel handelte es sich um eine kurze Diskussion, um einem Konstrukteur verschiedene Überlegungen bei der Auswahl einer Motortechnologie für eine relativ einfache Linearbewegungsanwendung vorzustellen.Obwohl die Prinzipien für ein komplexeres System wie einen XY-Tisch oder einen mehrachsigen Präzisions-Pick-and-Place-Mechanismus identisch sind, muss jede Achse unabhängig auf ihre Belastung analysiert werden.Eine weitere Überlegung, die nicht Gegenstand dieses Artikels ist, ist die Auswahl eines geeigneten Sicherheitsfaktors, um die gewünschte Lebensdauer des Systems (Anzahl der Zyklen) zu erreichen.Die Systemlebensdauer hängt nicht nur von der Motorgröße ab, sondern auch von den anderen mechanischen Elementen im System, wie dem Getriebe und der Leitspindelbaugruppe.Andere Faktoren wie Positionierungsgenauigkeit, Auflösung, Wiederholbarkeit, maximales Wanken, Nicken und Gieren usw. sind allesamt wichtige Überlegungen, um sicherzustellen, dass das lineare Bewegungssystem die Anwendungsziele erreicht oder übertrifft.