Die meisten Menschen denken bei Parallelantriebssystemen an kartesische Portalroboter. Parallelantriebssysteme können aber auch als zwei oder mehr parallel arbeitende Linearmotoren mit einer einzigen Antriebssteuerung betrachtet werden. Dies umfasst kartesische Portalroboter sowie andere wichtige Bereiche der Bewegungssteuerung, wie z. B. hochpräzise und ultrapräzise Einachsroboter mit einer Auflösung und Positioniergenauigkeit im Subnanometer- bis hohen Pikometerbereich. Diese Systeme kommen in Bereichen wie Optik und Mikroskopen, Halbleiterfertigung, Werkzeugmaschinen, Aktuatoren mit hoher Kraft, Materialprüfgeräten, Pick-and-Place-Arbeiten, Montagevorgängen, Handhabungsmaschinen und Lichtbogenschweißen zum Einsatz. Alles in allem gibt es Anwendungen sowohl im Mikron- als auch im Submikrometerbereich.

Probleme mit parallelen Laufwerken
Das Hauptproblem bei allen Parallelantriebssystemen ist die orthogonale Ausrichtung: die Fähigkeit, die parallele Achse rechtwinklig zu halten. Bei mechanisch angetriebenen Systemen wie Spindel-, Zahnstangen-, Riemen- und Kettenantrieben besteht das Hauptproblem darin, dass das mechanische System durch Fehlausrichtung oder überlappende Toleranzen blockiert wird. Bei Direktantriebssystemen kommt ein zusätzliches Problem hinzu: Sinusfehler, die durch Installationsfehler und Abweichungen bei den Linearmotoren entstehen.

Die gängigste Methode zur Lösung dieser Probleme besteht darin, jede Seite des Parallelsystems unabhängig anzutreiben und zu steuern, sie jedoch elektronisch zu synchronisieren. Die Kosten eines solchen Systems sind hoch, da es die doppelte Antriebs- und Positionserfassungselektronik eines einachsigen Systems benötigt. Außerdem treten Synchronisierungs- und Trackingfehler auf, die die Leistung des Systems beeinträchtigen können.

Die Parallelschaltung von Linearwellenmotoren wird durch einen Motor mit hoher Ansprechempfindlichkeit ermöglicht. Die dynamische Bewegung, die von zwei identischen Linearwellenmotoren erzeugt wird, ist bei gleichem Steuersignal die gleiche.

Wie bei allen Parallelantriebssystemen müssen die Linearwellenmotoren physisch mit einem Mechanismus gekoppelt werden, der der Achse nur einen Freiheitsgrad ermöglicht. Dadurch agieren parallele Linearwellenmotoren als eine Einheit und ermöglichen den Betrieb mit einem einzigen Encoder und einem einzigen Servoantrieb. Da ein ordnungsgemäß installierter Linearwellenmotor berührungslos arbeitet, kann er keine mechanische Blockierung im System verursachen.

Diese Aussagen gelten für jeden berührungslosen Linearmotor. Linearwellenmotoren unterscheiden sich in mehreren Bereichen von anderen berührungslosen Linearmotoren, wodurch sie sich gut für parallele Anwendungen eignen.

Das Design des Linearwellenmotors platziert den Permanentmagneten im Zentrum des elektromagnetischen Feldes, wodurch der Luftspalt unkritisch wird. Die Spule umschließt den Magneten vollständig, sodass die Nettowirkung des Magnetfelds Kraft ist. Dadurch werden Kraftschwankungen, die durch einen Unterschied im Luftspalt – sei es durch Fehlausrichtung oder Bearbeitungsunterschiede – verursacht werden, nahezu eliminiert, was die Ausrichtung und Installation des Motors vereinfacht.

Allerdings kann der Sinusfehler – ein großes Problem – bei jedem berührungslosen Linearmotor zu Kraftunterschieden führen.

Linearmotoren werden wie Linearwellenmotoren als Synchronmotoren bezeichnet. Durch Stromzufuhr zur Spule entsteht ein Elektromagnet, der sich mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete in der Magnetbahn synchronisiert. Die Kraft eines Linearmotors ergibt sich aus der relativen Stärke dieser Magnetfelder und dem Winkel ihrer gezielten Fehlausrichtung.

In einem Parallelantriebssystem bilden alle Spulen und Magnetbahnen einen einzigen Motor, wenn ihre Magnetfelder perfekt ausgerichtet sind. Jede Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetbahnen führt jedoch zu einer Fehlausrichtung der Magnetfelder, wodurch in jedem Motor unterschiedliche Kräfte entstehen. Dieser Kraftunterschied kann wiederum das System blockieren. Der Sinusfehler ist also die Differenz der Kräfte, die durch die Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetbahnen entsteht.

Der Sinusfehler kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

F_Unterschied=F_Gen× Sünde(2πD_Unterschied/MP_nn)

WoF_Unterschied= Kraftdifferenz zwischen den beiden Spulen,F_Gen= erzeugte Kraft,D_Unterschied= Länge der Fehlausrichtung undMP_nn= magnetische Nord-Nord-Neigung.

Die meisten Linearmotoren auf dem Markt sind mit einem magnetischen Nord-Nord-Abstand von 25 bis 60 mm ausgelegt, um IR-Verluste und die elektrische Zeitkonstante zu reduzieren. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung von nur 1 mm bei einem Linearmotor mit 30 mmnnDie Steigung führt zu einem Leistungsverlust von etwa 21 %.

Der Linearwellenmotor kompensiert diesen Verlust durch eine deutlich längere magnetische Nord-Nord-Teilung, die den Effekt von Sinusfehlern durch versehentliche Fehlausrichtungen reduziert. Die gleiche Fehlausrichtung von 1 mm bei einem Linearwellenmotor mit einer 90-mm-Nord-Teilung führt lediglich zu einem Leistungsverlust von 7 %.

Parallelantriebssysteme
Eine wirklich präzise Positionierung ist bei hoch- und ultrapräzisen Einachsenrobotern nur möglich, wenn sich das Feedback direkt im Schwerpunkt des Arbeitspunkts befindet. Auch die Krafterzeugung des Motors sollte genau im Schwerpunkt des Arbeitspunkts liegen. Es ist jedoch in der Regel unmöglich, Motor und Feedback exakt an derselben Stelle zu platzieren!

Durch die Platzierung eines Encoders im Massenmittelpunkt und die Verwendung paralleler Linearwellenmotoren in gleichmäßigem Abstand zum Massenmittelpunkt wird die gewünschte Rückmeldung und Krafterzeugung im Massenmittelpunkt erreicht. Dies ist bei anderen Arten von Parallelantriebssystemen nicht möglich, da für diese Art von Parallelantrieb zwei Encoder- und Servoantriebssätze erforderlich sind.

Die Kombination aus einem Antrieb und einem Encoder eignet sich am besten für Anwendungen mit ultrahoher Präzision und bietet Portalsystembauern einen enormen Vorteil. Frühere Systeme bestanden oft aus zwei verschiedenen Motoren, die separate Kugelumlaufspindeln mit zwei verschiedenen, elektronisch verbundenen Steuerungen antrieben, oder sogar aus zwei Linearmotoren mit zwei Encodern, die wiederum mit zwei Antrieben elektronisch verbunden waren. Heute können dieselben Aktionen von zwei Linearwellenmotoren, einem Encoder und einem Verstärker/Treiber ausgeführt werden, solange die Steifigkeit des Systems ausreichend hoch ist.

Dies ist auch bei Anwendungen mit extrem hohen Kraftanforderungen von Vorteil: Es ist möglich, beliebig viele Linearwellenmotoren parallel zu schalten und so deren Kräfte zu addieren.