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Antriebssystem Direktantriebe für Positioniersysteme

| Autor/ Redakteur: Michael Koch / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Lineare und rotatorische Direktantriebe bieten viele Vorteile beim Betrieb von Positioniersystemen. Dennoch gibt es Vorbehalte gegen deren Einsatz, die die Experten von Föhrenbach gerne widerlegen.

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Kundenbeispiel: Kreuztisch aus zwei Linearschlitten inklusive Kabelführung.
Kundenbeispiel: Kreuztisch aus zwei Linearschlitten inklusive Kabelführung.
(Bilder: Föhrenbach)

Lineare und rotatorische Direktantriebe liefern hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungswerte. Zudem sind sie wartungsarm, gewähren hohe Standzeiten und weisen gute Eigenschaften beim Gleichlauf und der Positioniergenauigkeit auf. In anspruchsvollen Positioniersystemen bieten sie daher entsprechende Vorteile. Dennoch gibt es immer noch Vorbehalte im Maschinenbau: Ein Mehraufwand bei der steuerungstechnischen Inbetriebnahme der Achsen schreckt so manchen Konstrukteur. Föhrenbach hat mehr als 20 Jahre Erfahrung mit Direktantrieben in hochpräzisen Positioniersystemen. Daher sind sich die Experten sicher: Der Einsatz lohnt sich. Und die Inbetriebnahme gelingt durch gute Kooperation zwischen Maschinen- und Positioniersystemhersteller leichter als gedacht.

Die technischen Eigenschaften von Linearmotoren und die konstruktiven Merkmale von direkt angetriebenen Positionierachsen führen zu zahlreichen positiven Eigenschaften, die die entsprechenden Positioniersysteme für besonders anspruchsvolle Anwendungen prädestinieren.

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Wartungsarmes Maschinendesign

Bei Direktantrieben entfallen zahlreiche mechanische Komponenten wie Getriebe, Ritzel, Zahnstangen, Spindeln, Zahnriemen und Ketten. Durch das schlanke Design der Mechanik reduziert sich der Verschleiß, was zu längeren Standzeiten der Systeme führt. Maschinenbetreiber profitieren davon durch reduzierten Wartungsaufwand und erhöhte Maschinenverfügbarkeit. Und dank der vollständigen Integration in die Maschine bieten Linearmotorachsen auch unter rauen Einsatzbedingungen besonders hohe Zuverlässigkeit. Bei hohen Taktgeschwindigkeiten sind Energieeinsparungen von bis zu 70 % im Vergleich zu Spindelantrieben möglich.

Wirtschaftlich schlagen diese Vorteile insbesondere bei Anwendungen zu Buche, bei denen überdurchschnittliche Produktivität gefordert ist und ein Maschinenstillstand hohe Kosten verursacht. Die hohe Beschleunigung und Verfahrgeschwindigkeit sorgen zudem für schnelle Bearbeitungszeiten. Eine optimierte Fertigung hoher Stückzahlen wird also durch eine Maschinenlösung mit direktangetriebenen Positionierachsen zuverlässig und ökonomisch sinnvoll unterstützt.

Gesamtes Positioniersystem stimmig konstruieren

Nichtsdestotrotz ist auch ein Direktantrieb keine Wunderkomponente der Maschinenkonstruktion. Seine robusten technischen Eigenschaften kann er nur entfalten, wenn das gesamte Positioniersystem erstens in sich stimmig konstruiert ist, zweitens passend zur Anwendung dimensioniert wurde und drittens höchste Präzision in der mechanischen Bearbeitung der Achssysteme garantiert ist.

Der Wegfall der oben genannten mechanischen Elemente wirkt sich positiv auf die Präzision des Positionierens aus. Es entfallen die typischen Ungenauigkeiten durch Getriebespiel, Zahnriemendehnung, Wellentorsion, Resonanz oder Hysterese. Die sorgfältige mechanische Bearbeitung der Linear­achsen vorausgesetzt, ist es bei direkt angetriebenen Linearachsen letztlich das Messsystem, das die Genauigkeit der Gesamtanwendung bestimmt.

In Verbindung mit einem hochauflösenden Messsystem ergeben sich daher gute Gleichlaufeigenschaften, auch bei niedrigen Verfahrgeschwindigkeiten. Auch Positionier- und Wiederholgenauigkeit sind gegenüber traditionellen mechanischen Übertragungssystemen verbessert. Und aufgrund des optimalen Verhältnisses von Drehmoment bzw. Kraft zu Eigenträgheit bzw. Leistung zu Gewicht zeichnen sich direkt angetriebene Positioniersysteme durch eine hohe Dynamik aus. Die hohe Steifigkeit des mechanischen Systems ermöglicht dabei eine höhere Verstärkung der Regelkreise.

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Standardkomponenten und maßgeschneiderte Systeme

Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt Föhrenbach hochpräzise Komponenten, Einheiten und Systeme für Linear- und Rundbewegungen in der Automatisierungstechnik und im Präzisionsmaschinenbau. Seit rund 20 Jahren kommen dabei als Eigenentwicklungen integrierte Linearmotoren zum Einsatz, die auf die jeweiligen Anforderungen des Kunden angepasst werden. Für Anforderungen, die mit diesen Standardkomponenten nicht realisiert werden können, entwickelt Föhrenbach maßgeschneiderte Systeme.

Die hochpräzisen Positionierlösungen kommen in Kundenanwendungen mit besonders hohen Anforderungen an Qualität und/oder Verfügbarkeit zum Einsatz. Beispiele sind die Laserbearbeitung, Laboranwendungen oder die Leiterplattenindustrie. Bei Föhrenbach ist man sich sicher, dass diese Lösungen zukünftig in einem noch viel stärkeren Ausmaß Einsatz in der Maschinenautomation finden werden.

Sehr hohe Präzision des Direktantriebs von Vorteil

Insbesondere in Punkto Genauigkeit gilt allerdings, dass das Gesamtsystem nur so gut ist wie seine schwächste Komponente. In Verbindung mit der potentiell sehr hohen Präzision des Direktantriebs und eines fein auflösenden Messsystems entscheidet letztlich die Qualität der mechanischen Bearbeitung der Achsen über die Performance der Anwendung.

Föhrenbach entwickelt seine Positioniersysteme daher nach dem Prinzip „Alles aus einer Hand“. Die eingesetzten Motoren sind Eigenentwicklungen mit sehr hoher Leistungsdichte. Vor allem aber beim Feinfräsen und Schleifen der Achsen setzt das Unternehmen überdurchschnittlich hohe Standards. Dies gelingt bei hoher Leistungs- und Fertigungstiefe durch den Einsatz eines spezialisierten Maschinenparks inklusive der Vermessung produzierter Achsen mittels Laser-Interferometer. In dieser Kombination aus erfahrener Konstruktion und anspruchsvoller Fertigung gelingt Föhrenbach die Umsetzung von Positioniersystemen mit einer Wiederhol- und Positioniergenauigkeit in der Größenordnung von ≤ 1 μm. Das Unternehmen hat alle notwendigen Messmittel zur Erfassung von Positionsstreubreite, Ablaufgenauigkeit ≤ 1'' (Kippen, Gieren und Rollen), sowie von Winkel- und Taumelfehler bei Rundachsen.

Reibungslose Inbetriebnahme

Direktantriebe erlauben im Vergleich zu mechanischen Übertragungssystemen hohe Beschleunigungswerte. Diese positive Systemeigenschaft stellt erhöhte Anforderung an die Regelung und Steuerung der Achsen bzw. an die Einrichtung und Inbetriebnahme von Antriebsreglern.

Daher bietet Föhrenbach ein eigenes Portfolio an Steuerungen und Antriebsreglern, die komplett im eigenen Schaltschrank an Kunden ausgeliefert werden können. Bei Kunden, die diese integrale Lösung für die Positioniertechnik ihrer Maschinen wählen, übernimmt das Unternehmen die Einstellung der Regler und die Inbetriebnahme der Achs- und Mehrachssysteme mit aufgebrachten Lasten. Die Systeme werden dann in optimalem Zustand betriebsbereit übergeben. (sh)

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Tipp: Anwendertreff Maschinenkonstruktion Verfügbarkeit und Produktivität, Flexibilität, Adaptivität – diese Ziele erreichen Konstrukteure und Entwickler bis heute mithilfe klassischer Technologien und Methoden. Doch angesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen stellt sich die Frage: Wo bieten sich neue Maschinenkonzepte an, wo spielen bewährte Technologien ihre Stärken auch in Zukunft aus? Der Anwendertreff Maschinenkonstruktion will diese Fragen klären und konkrete Lösungsansätze aufzeigen.
Anmeldung: Anwendertreff Maschinenkonstruktion

* Michael Koch ist Produktmanager für lineare Direktantriebe bei der Föhrenbach GmbH

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