Linearmotoren eignen sich hervorragend für Positioniersysteme vom Gantrytyp. Simon Smith vom Motor- und Antriebsspezialisten Aerotech erläutert:
Der Linearmotor ist in Bezug auf die zugrundeliegende Technologie inzwischen in vieler Hinsicht ausgereift. Es gibt jedoch weiterhin zahlreiche Anwendungsbereiche, für die diese hochgenauen Hochgeschwindigkeitsgeräte gegenüber Rotationsausführungen klare Vorteile haben, die aber noch nicht ganz ausgeschöpft sind. Ein solcher Bereich sind Gantry-Positioniersysteme.
Der Linearmotor ist im Wesentlichen ein rahmenloser, bürstenloser Motor mit einem Lagersystem und einem mechanischen Oberbau. Die Motoren entwickeln teilweise unglaubliche Beschleunigungsraten, weisen in Verbindung mit optischen Linearencodern hohe Genauigkeit auf und es tritt kein Verschleiß auf, da sie im Wesentlichen berührungsfreie Geräte sind. Die Konstruktionsweise der Motoren macht sie für Anwendungen, bei denen Verwindungssteifigkeit wichtig ist, besonders gut geeignet.
Es kommen im Wesentlichen zwei Lagertypen zur Anwendung, um die Spule ("Forcer") auf der magnetischen Spur zu halten und dadurch die lineare Bewegung des Motors zu führen. Dies sind zum Einen mechanische Lager vom "Cross Roller"-Typ oder vom Kugelspindeltyp. Zum Anderen werden nicht-mechanische Lager (normalerweise Luft- oder Permanentmagnettypen) eingesetzt. Die Luft- oder Magnetlager sind teuer und werden normalerweise nur für Anwendungen eingesetzt, wo höchste Präzision erforderlich ist, wie z.B. Positioniertische für Flachbildschirme und Halbleitermaschinenausrüstung. Sie kommen gelegentlich aber auch für Gantrysysteme zum Einsatz, für die besonders hohe Präzision gewünscht wird.
Die Konstruktionsweise des Linearmotors macht ihn ideal für Gantrysysteme, wo der Motor so konfiguriert werden kann, daß er in einer Ebene oberhalb der Arbeitsfläche operiert. In einer solchen Anordnung bildet der Motor selbst im Wesentlichen die Querbewegungsachse der Maschine und ermöglicht die Aufnahme großer Werkstücke, ohne mit den Befestigungen in Konflikt zu geraten. Diese Systeme bieten auch Vorteile für Anwendungen, bei denen mit elektrostatisch empfindlichen Komponenten umgegangen wird. Auf ähnliche Weise kann die Gantry zur Handhabung von Teilen auf Förderbändern die Fördereinrichtung überspannen, ohne mit ihr oder den Teilen auf ihr in Konflikt zu geraten.
Motoren werden typischerweise bis zu 1 m Länge hergestellt, können aber in einer "Split Gantry" oder Shuttlebauweise angeordnet werden, so daß größere Spannweiten oder Verfahrwege aufgenommen werden können. Die Motoren von Aerotech sind ungeheuer leistungsfähig und lassen Gantries Geschwindigkeiten von bis zu 3m/s bei Beschleunigungsraten von 20m/s2 erreichen - das sind 2g! Die Wiederholgenauigkeit des Positioniersystems ist bemerkenswert und liegt innerhalb von 2 Mikron. Unter Verwendung einer Dualmotoranordnung können diese Werte noch verbessert werden.
Aktive Luftkühlung der Motorspule hält die Wärmebelastung der Gantrykonstruktion in Grenzen. Ein eisenloses Spulendesign eliminiert in den Linearmotoren von Aerotech häufig bei diesem Motortyp auftretendes "Cogging" und nicht kompensierte magnetische Belastungen. Mit den Gantrysystemen sollten optische Linearencoder verwendet werden, da diese mit Auflösungen bis herab zu 0,1µm erhältlich sind. Encoder sollten nahe der Arbeitsfläche montiert werden, um Abbé-Positionierfehler zu minimieren.
Linearmotorgantries besitzen hohe dynamische Steifigkeit dank der Tatsache, daß sowohl Motor, Encoder als auch Lager am gleichen Konstruktionselement angebracht sind,. Durch diese Steifigkeit sind die Systeme besonders gut für hochbelastende "Point-to-Point"-Anwendungen und für das Nachvollziehen anspruchsvoller Umrißprofile geeignet.
Auf die Lager in einem Linearmotorgantrysystem ist offensichtlich besonderes Augenmerk zu legen. Werden mechanische Lager gewählt, sollten diese vom vorgespannten Linearbewegungstyp sein. Die inhärente konstante Stützgeometrie dieses Typs wird in den Designs von Aerotech durch einen optimierten Lagerblockabstand noch verbessert. Es hat sich erwiesen, daß durch mindestens vier Lagerblöcke pro Achse auch unter variablen Kräften und Lasten ausgezeichnete Verwindungssteifigkeit erzielt werden kann. Die Lagerschienen sind an orthogonalen Flächen des Brückenträgers angebracht, um optimale Lastverteilung und Steifigkeit zu gewährleisten.
Als berührungsfreie Geräte sind Linearmotoren inhärent zuverlässig. Unter Beachtung bestimmter Aspekte kann die Zuverlässigkeit des Gantrypositioniersystems als Ganzes optimiert werden. Da keine Kugelspindeln und Steuerriemen zum Einsatz kommen, tritt im System kein Flankenspiel auf, und es sind keine regelmäßigen Einstellungsarbeiten erforderlich. Zusätzlich zu den vorgespannten Linearlagern sollten Wischerdichtungen und Fettarmaturen verwendet werden. Ein möglicher Schwachpunkt, der von Designern oft übersehen wird, liegt im Kabelmanagement.
Das Kabelmanagementsystem und die Kabeleigenschaften sind wichtige Aspekte der Leistungsfähigkeit des Gantrysystems und seiner langfristigen Zuverlässigkeit. Der Biegeradius des Kabelträgers wird so gewählt, das die Lebensdauer der Kabel, Schläuche und des Trägers selbst am längsten ist. Interne Kabeltrennstücke und Abstandshalter sorgen dafür, daß Teile verschiedener Größen und aus verschiedenen Materialien nicht miteinander in Berührung kommen. Entlastungsteile gewährleisten korrekte Orientierung und verhindern Kabelmigration. Es empfiehlt sich, für alle Feedbacksignale und zur Stromversorgung des Motors spezielle abgeschirmte Mehrfachleiterkabel zu verwenden.
Wegen ihrer Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit und einfachen Konfigurierbarkeit finden Gantrypositioniersysteme mit Linearmotoren immer weitere Verbreitung in anspruchsvollen modernen Automationsanwendungen, die 24 Stunden im Einsatz sind. Von Anwendungen in "Pick-and-Place"-Ausrüstung bis Bildinspektionssystemen, von Bohr- und Routingmaschinen bis Laserschneid- und -schweißmaschinen wurden Linearmotoren als die beste Lösung identifiziert. Hochgenaue "Point-to-Point"- und Umrißanwendungen in der Robotik sind weitere Arbeitsgebiete, in denen ständig neue Einsatzmöglichkeiten erschlossen werden.
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