Die meisten Menschen verbinden Parallelantriebssysteme mit denen von kartesischen Portalrobotern. Man kann sie aber auch als zwei oder mehr Linearmotoren verstehen, die parallel von einer einzigen Antriebssteuerung gesteuert werden. Dies umfasst neben kartesischen Portalrobotern auch andere wichtige Bereiche der Bewegungssteuerung, wie beispielsweise hochpräzise und ultrapräzise Einachsroboter mit Auflösungen und Positionsgenauigkeiten im Subnanometer- bis hohen Pikometerbereich. Solche Systeme finden Anwendung in Bereichen wie Optik und Mikroskopie, Halbleiterfertigung, Werkzeugmaschinen, Aktuatoren mit hoher Kraft, Materialprüfgeräten, Pick-and-Place-Systemen, Montageprozessen, Handhabungsmaschinen und Lichtbogenschweißen. Kurz gesagt: Es gibt Anwendungen sowohl im Mikrometer- als auch im Submikrometerbereich.

Probleme mit Parallelantrieben
Das Hauptproblem aller Parallelantriebssysteme ist die orthogonale Ausrichtung: die Fähigkeit, die parallele Achse rechtwinklig zu halten. Bei mechanisch angetriebenen Systemen wie Schrauben-, Zahnstangen-, Riemen- und Kettenantrieben besteht das Hauptproblem in der Blockierung des mechanischen Systems durch Fehlausrichtungen oder kumulierte Toleranzen. Bei Direktantriebssystemen kommt noch das Problem des Sinusfehlers hinzu, der durch Montagefehler und Abweichungen bei den Linearmotoren entsteht.

Die gängigste Methode zur Behebung dieser Probleme besteht darin, jede Seite des Parallelsystems unabhängig anzusteuern und zu steuern, sie aber elektronisch zu synchronisieren. Ein solches System ist kostenintensiv, da es die doppelte Menge an Antriebs- und Positionserfassungselektronik eines einachsigen Systems benötigt. Zudem treten Synchronisations- und Nachführfehler auf, die die Systemleistung beeinträchtigen können.

Die Parallelschaltung von Linearmotoren ist nur mit einem hochreaktiven Motor möglich. Die dynamische Bewegung zweier identischer Linearmotoren ist bei gleichem Steuersignal identisch.

Wie bei allen Parallelantriebssystemen müssen die Linearmotoren mit einem Mechanismus gekoppelt sein, der die Bewegung der Achse auf einen einzigen Freiheitsgrad beschränkt. Dadurch fungieren die Linearmotoren als eine Einheit und ermöglichen den Betrieb mit einem einzigen Encoder und einem einzigen Servotreiber. Da ein korrekt installierter Linearmotor berührungslos arbeitet, kann er keine mechanischen Blockierungen im System verursachen.

Diese Aussagen treffen auf alle berührungslosen Linearmotoren zu. Linearwellenmotoren unterscheiden sich von anderen berührungslosen Linearmotoren in mehreren Punkten, die ihren Einsatz in Parallelanwendungen ermöglichen.

Die Konstruktion des Linearmotors platziert den Permanentmagneten im Zentrum des elektromagnetischen Feldes, wodurch der Luftspalt unkritisch wird. Die Spule umschließt den Magneten vollständig, sodass die resultierende Wirkung des Magnetfelds eine Kraft ist. Dadurch werden Kraftabweichungen aufgrund von Unterschieden im Luftspalt, sei es durch Fehlausrichtung oder Fertigungstoleranzen, praktisch eliminiert, was die Ausrichtung und Installation des Motors vereinfacht.

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

Linearmotoren, wie auch Linearwellenmotoren, zählen zu den Synchronmotoren. Dabei wird Strom an die Spule angelegt, um einen Elektromagneten zu erzeugen, dessen Magnetfeld mit dem der Permanentmagnete in der Magnetschiene synchronisiert ist. Die Kraft in einem Linearmotor entsteht 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 und damit zu unterschiedlichen Kräften in den einzelnen Motoren. Diese Kraftdifferenz kann das System blockieren. Der Sinusfehler entspricht somit der Differenz der durch die Fehlausrichtung der Spulen oder Magnetbahnen verursachten Kräfte.

Der Sinusfehler kann mit folgender Gleichung berechnet werden:

F_dif=F_gen× sin(2πD_dif/MP_nn)

WoF_dif= Kraftdifferenz zwischen den beiden SpulenF_gen= erzeugte KraftD_dif= Länge der Fehlausrichtung undMP_nn= magnetische Steigung von Nord nach Nord.

Die meisten Linearmotoren auf dem Markt sind mit einem magnetischen Teilungswinkel (Nord-Nord) von 25 bis 60 mm konstruiert, angeblich um die IR-Verluste und die elektrische Zeitkonstante zu reduzieren. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung von nur 1 mm bei einem Linearmotor mit einem 30-mm-Teilungswinkel bereits erhebliche Auswirkungen haben.nnDie Neigung führt zu einem Leistungsverlust von etwa 21%.

Der Linearmotor kompensiert diesen Verlust durch einen deutlich größeren magnetischen Teilkreis (Nord-Nord), wodurch der Einfluss von Sinusfehlern aufgrund versehentlicher Fehlausrichtung reduziert wird. Dieselbe Fehlausrichtung von 1 mm führt bei einem Linearmotor mit einem magnetischen Teilkreis von 90 mm lediglich zu einem Leistungsverlust von 7 %.

Parallelantriebssysteme
Eine wirklich präzise Positionierung ist bei hoch- und ultrapräzisen Einachsrobotern nur dann möglich, wenn das Feedback direkt im Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes liegt. Auch die Krafterzeugung des Motors sollte genau im Massenschwerpunkt des Arbeitspunktes erfolgen. In der Praxis ist es jedoch unmöglich, Motor und Feedback exakt am selben Ort zu platzieren.

Durch die Platzierung eines Encoders im Massenschwerpunkt und den Einsatz paralleler Linearmotoren mit gleichem Abstand zum Massenschwerpunkt wird die gewünschte Rückmeldung und Krafterzeugung im Massenschwerpunkt erzielt. Dies ist bei anderen Parallelantriebssystemen, die zwei Sätze von Encodern und Servoantrieben benötigen, nicht möglich.

Die Lösung mit einem einzigen Antrieb und einem einzigen Encoder eignet sich optimal für Anwendungen mit höchsten Präzisionsanforderungen und bietet Herstellern von Portalsystemen einen entscheidenden Vorteil. Früher wurden Systeme mitunter mit zwei verschiedenen Motoren betrieben, die separate Kugelgewindetriebe über zwei unterschiedliche, elektronisch verbundene Steuerungen antrieben, oder sogar mit zwei Linearmotoren und zwei Encodern, die wiederum mit zwei Antrieben elektronisch verbunden waren. Heute lassen sich dieselben Funktionen mit zwei Linearmotoren, einem Encoder und einem Verstärker/Treiber realisieren, sofern die Steifigkeit des Systems ausreichend hoch ist.

Dies ist auch ein Vorteil für Anwendungen, die extrem hohe Kräfte erfordern. Es ist möglich, beliebig viele Linearmotoren parallel zu schalten und so ihre Kräfte zu addieren.