Positioniersystem Sprung in eine neue Genauigkeitsklasse

Autor / Redakteur: Ute Drescher / Ute Drescher

Die Schaeffler-Tochter Idam hat ein X-Y-Positioniersytem auf Basis der Planarmotor-Technologie entwickelt, das in eine neue Genauigkeitsklasse vordringt.

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Das X-Y-Positioniersytem basiert auf Planarmotor-Technologie. Der Planarstator wird in Hybrid-Bauweise aus Stahl und Aluminiumschaum hergestellt.
Das X-Y-Positioniersytem basiert auf Planarmotor-Technologie. Der Planarstator wird in Hybrid-Bauweise aus Stahl und Aluminiumschaum hergestellt.
(Bild: Idam)

Auf einer Statorplatte bewegt sich ein Läufermodul auf einem hauchdünnen Luftkissen in beliebigen Bahnen. Beeindruckend sind sowohl die Geschwindigkeit als auch die Präzision der Bewegungen – das Auge kann kaum folgen. Es handelt sich um ein X-Y-Positioniersystem auf Basis der Planarmotor-Technologie, das Ingenieure der Schaeffler-Tochter INA - Drives & Mechatronics (Idam) in Suhl, entwickelt haben. Solche Systeme lassen sich beispielsweise für die Positionierung von Wafern einsetzen und eignen sich ebenfalls für unterschiedliche Applikationen wie Mikromontage oder Labortechnik.

Kundenspezifische Multiachssysteme gehören zu den Schwerpunkten

Die Idam ist ein Unternehmen der Schaeffler Gruppe und Spezialist für Direktantriebstechnologie. Zum Portfolio des Unternehmens gehören lineare und rotative Direktantriebe sowie direkt angetriebene Positioniersysteme in einem breiten Größen- und Leistungsspektrum. Spezielle Elektronikbaugruppen, die für den Betrieb der Direktantriebe erforderlich sind, ergänzen das Angebot. Neben hoch dynamischen und effizienten Torquemotoren gehören kundenspezifische High-Performance-Multiachssysteme zu den Schwerpunkten des Unternehmens. „Durch gemeinsame Entwicklungen und die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb der Schaeffler Gruppe entstehen direkt angetriebene Positioniersysteme auf technologisch höchstem Niveau“, erklärt Jürgen Weyh, Managing Director bei Idam.

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Übertragungselemente entfallen bei Direktantrieben

Direktantriebe erzeugen Kraft, Moment und Bewegungen direkt an der Last. Getriebe, Kupplungen, Spindeln und andere Wandler sind also nicht erforderlich. Der Verzicht auf Übertragungselemente bringt für dynamische und präzise Anwendungen deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben. „So lassen sich Produktivitätssteigerungen erzielen, die mit herkömmlichen Antriebssystemen nicht zu leisten sind“, bringt Jürgen Weyh die Vorteile auf den Punkt.

Direktantriebe sind äußerst komplexe Systeme. Das Know-how innerhalb der Idam umfasst die Mechanik, Motorenentwicklung, Elektronik, Mess- und Regelungstechnik und damit das gesamte Antriebssystem. Das Wissen und die Erfahrung der Idam-Ingenieure, gekoppelt mit den Synergieeffekten, die sich aus der Zusammenarbeit innerhalb der Schaeffler Gruppe ergeben, mündet dann in Produkten, die den Kunden einen Wettbewerbsvorsprung verschaffen.“

Die Qualität der Feedback-Signale bestimmt die Qualität der Regelung

Ein Positioniersystem besteht im Wesentlichen aus einer Führungsbaugruppe, entweder linear oder rotativ, einem Elektro-Aktor, in diesem Fall einem Motor und im Falle von geregelten Systemen einem Feedbacksystem. „Hier beobachten wir einen Trend zu hochqualitativen Feedback-Signalen“, erklärt Jürgen Weyh. „Davon hängen natürlich die Güte der Regelung und im Weiteren die Genauigkeit und insbesondere die Verlustleistung ab“.

Ein Beispiel für ein Positioniersystem ist das Präzisions-X-Y-Kreuztischsystem MDDS-002, ein kompaktes Zwei-Achs-X-Y-System. Es wird u.a. eingesetzt für die optische Vermessung von Linsen. Weitere Anwendungen finden sich in der Laserstrukturierung, der Mikrobearbeitung oder dem optischen Scannen in der Productronic und Lasertechnik. Die Grundkonstruktion kann an die Kundenanforderungen, wie z.B. Verfahrbereiche und mechanische Schnittstellen, angepasst werden. Zu den wesentlichen Merkmalen gehört neben der hohen Positionier- und Bahngenauigkeit die maximale Positioniergeschwindigkeit von 1,2 m/s.

Eine weitere Neuentwicklung des Suhler Unternehmens ist die Schubstange LDDS-055, die in der technischen Webtechnik für die Versatzbewegung von Barren in Wirkmaschinen eingesetzt wird. Auf solchen Anlagen werden technische Gewebe hergestellt, wie sie heute in zunehmendem Maße, u.a. im Leichtbau, eingesetzt werden.

Die bewegte lineare Einheit der Schubstange besteht aus einem CFK-Magnet-Verbund, das reduziert sowohl die Masse als auch die Verlustleistung. Die Schubstange kann mit einem absoluten Messsystem ausgerüstet werden. Eingesetzt werden die klassischen Schaeffler-Kugelumlaufführungen sowie Idam-Motoren vom Typ L1C in Doppelkammanordnung, um eine maximale Kraft-/Leistungsdichte zu erreichen. Gefahren werden mit der Schubstange Zyklen von 3,64 mm in 14 ms bei 0,5 m/s und 69 m/s². Für Geschäftsführer Jürgen Weyh ist die Schubstange ein gutes Beispiel für die Fokussierung der Idam auf OEM-Kunden: „Ihnen können wir auch anspruchsvolle Technik mit vertretbarem Aufwand anbieten, die für die spezielle Anwendung optimiert sind“.

Neu: das X-Y-Positioniersystem auf Planarmotor-Technologie

Ein Highlight der aktuellen Neuentwicklungen bei Idam ist das X-Y-Positioniersystem auf Basis der Planarmotor-Technologie. Es zeichnet sich durch seinen einfachen Aufbau aus: Die luftgelagerten Planarmotoren bestehen aus einer strukturierten Statorplatte, auf der sich ein oder mehrere Planarläufer bewegen. Den Planarstator kann Idam derzeit bis zu einer Größe von 1500 mm x 1000 mm liefern. Größe und Anzahl der Läufer sind skalierbar.

Die Planarstatoren stellt Idam in Leichtbauweise her. Das senkt das Statorgewicht, gleichzeitig ist die Konstruktion sehr steif. Gegenüber einer reinen Stahlkonstruktion ist die Montage einfacher, außerdem sinken der Aufwand für Handling und Transport. Ein Beispiel verdeutlicht das: So wiegt ein Stator mit den Abmessungen 850 mm x 850 mm bei konventioneller Stahlbauweise 275 kg, bei Leichtbauweise aber nur 100 kg. „Die Massereduktion beträgt typischerweise 60 Prozent“, erklärt Silvia Färber-Pfannschmidt, bei der Idam zuständig für das Projektmanagement.

Eine eigens entwickelte Bibliothek gehört zum Standard

Zur Basiskonfiguration gehören neben Planarstator und -läufer ein IPC mit Soft-PLC, eine eigens bei Idam entwickelte Planar-Servo-Bibliothek , ein Servo-Drive sowie das Netzteil. Die Luftlagerung ist verschleißfrei. Aufgrund des eingesetzten handelsüblichen IPC befindet sich die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik immer auf dem neuesten Stand.

Um die Vorteile zu zeigen, die der Einsatz der neuen Systeme mit sich bringt, führt Projektmanagerin Silvia Färber-Pfannschmidt als Beispiel den Einsatz beim Wafer-Handling in einer modularen Produktionsplattform an. Innerhalb dieser Bearbeitungszelle werden die Wafer zu verschiedenen Stationen transportiert. Das geschah bisher mit Drehtischen. „Das jetzt eingesetzte Planarsystem kombiniert vier Läufer, die paarweise das Handling zweier unabhängiger Produktionslinien auf einem Stator realisieren. Aufgrund des parallelen Transports der Wafer, der durch unser System möglich wurde, konnte der Kunde den Durchsatz auf der gleichen Fläche nahezu verdoppeln", so Silvia Färber-Pfannschmidt.

Die absolute Positioniergenauigkeit erreicht +/-8 µm

Der größte Vorteil des neuen Systems gegenüber den Vorgängermodellen liegt in der verbesserten Positioniergenauigkeit. Lag sie vorher bei +/-25 µm, erreicht die absolute Genauigkeit jetzt +/-8 µm im gesamten Arbeitsbereich, der maximal 1000 mm x 1500 mm beträgt. Gelungen ist dies ohne ein aktives Referenzmesssystem. Zudem ist das Einbinden weiterer Läufer ohne Zusatzaufwand möglich. Das hochpräzise Luftlager trägt zu dieser Positioniergenauigkeit bei.

Den Kundennutzen der neuen Servo-Planarantriebe fasst Silvia Färber-Pfannschmidt so zusammen: Die Planarantriebe lassen sich wie "normale" X-Y-Linearachsen in einer Steuerung einbinden. Die Kommunikation erfolgt ebenfalls über Standard-Schnittstellen mit dem Echtzeit-Feldbus Ether-CAT. Da die maximale Geschwindigkeit jetzt bis zu 2 m/s erreicht, steigert das Planarsystem die Produktivität weiter. Und: Die hohe Positioniergenauigkeit eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten mit Kostenvorteil.“

Der Sprung in eine neue Genauigkeitsklasse bei Planarmotoren ist gelungen.

Seminar Elektrische Direktantriebe vom VDI-Wissensforum, 25.–26. 6. 2014

Im Download-Center von Idam finden Sie Informationen zu den Produkten

* Ute Drescher ist Chefredakteurin der konstruktionspraxis.

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