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#Produkttrends
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Tipps zur Auswahl hochgenauer Linear-Positioniersysteme: Teil 1
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Die Elektronik-, Optik-, Computer-, Inspektions-, Automatisierungs- und Laserindustrie erfordern unterschiedliche Spezifikationen für Positioniersysteme.
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Kein System ist für alle richtig.
Damit ein hochgenaues Positioniersystem optimal funktioniert, müssen die Komponenten, aus denen das System besteht - Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem und Steuerung - alle so gut wie möglich zusammenarbeiten, um die Anwendungskriterien zu erfüllen.
Basis & Lager
Um über die optimale Systemkonfiguration zu entscheiden, betrachten Sie zunächst den mechanischen Teil des Systems. Für Lineartische gibt es vier gängige Basis- und Lagerkonstruktionen, die zur Auswahl stehen:
- Aluminiumbasis und Schlitten mit Bolton-Kugellagerführungen.
- Aluminium- oder Stahlbasis und Aluminium- oder Stahlseite mit vier rollengelagerten Umlaufblöcken auf Stahlschienen.
- Meehanite-Gussbasis und -Schlitten mit integrierten Rollenführungsschienen.
- Granitführungen mit Granit- oder Gussschlitten und Luftlagern.
Aluminium ist leichter als Meehanit oder Stahl, aber weniger steif, weniger stabil, weniger belastbar und weniger stressresistent. Außerdem ist Aluminium viel empfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen. Gusseisen ist 150% steifer als Aluminium und 300% besser in der Schwingungsdämpfung. Stahl ist haltbar und stärker als Eisen. Es leidet jedoch unter längerem Klingeln, was sich nachteilig auf schnelle Bewegungs- und Einschwingzeiten auswirkt.
Granitführungen mit Luftlagern bieten die steifste und haltbarste Kombination. Granit kann für Ebenheit und Geradheit im Submikronbereich poliert werden. Der Nachteil eines Granittisches ist, dass er aufgrund der Masse des Granits einen größeren Platzbedarf hat und mehr wiegt als ein Positioniersystem auf Stahl- oder Eisenbasis. Da es jedoch keinen Kontakt zwischen den Lagern und den Führungsflächen aus Granit gibt, tritt kein Verschleiß auf, und die Luftlager sind weitgehend selbstreinigend. Außerdem hat Granit hervorragende schwingungsdämpfende Eigenschaften und thermische Stabilität.
Darüber hinaus ist das Design des Tisches selbst wichtig für die Gesamtleistung des Tisches. Tische gibt es in einer Vielzahl von Konfigurationen, von zusammengeschraubten Einheiten mit vielen Teilen bis hin zu einfachen Gussgestellen und Schlitten. Die Verwendung eines einzigen Materials für den gesamten Tisch sorgt im Allgemeinen für eine gleichmäßigere Reaktion auf Temperaturschwankungen, was zu einem genaueren System führt. Merkmale wie Verrippung sorgen für Dämpfung, was ein schnelles Einschwingen ermöglicht.
Integrierte Führungen haben gegenüber angeschraubten Führungen den Vorteil, dass auch nach langer Zeit kein Nachstellen der Führungen zur Vorspannung erforderlich ist.
Kreuzrollenlager haben einen Linienkontakt zwischen Rolle und Laufbahn, während Kugellager einen Punktkontakt zwischen Kugel und Laufbahn haben. Daraus resultiert im Allgemeinen ein ruhigerer Lauf der Rollenlager. Es gibt weniger Oberflächenverformung (und Verschleiß) über die Rollfläche und es gibt eine größere Kontaktfläche, so dass die Last gleichmäßiger verteilt wird. Belastungen bis zu 4,5 bis 14 kg/Rolle sind Standard, zusammen mit einer hohen mechanischen Steifigkeit von etwa 150 bis 300 Newton/Mikron. Nachteilig ist die inhärente Reibung durch den Linienkontakt.
Die kleine Kontaktfläche, die die Reibung des Kugellagers begrenzt, schränkt aber auch die Tragfähigkeit ein. Rollenlager haben im Allgemeinen eine längere Lebensdauer als Kugellager. Allerdings kosten Rollenlager mehr.
Die Standard-Tischgrößen eines Herstellers umfassen 25 bis 1.800 mm Länge und 100 bis 600 mm Schlittenbreite.
Eine Luftlagerkonfiguration besteht aus Hub- und Führungslagern, die durch gegenüberliegende Luftlager oder durch in den Führungselementen eingebettete Hochkraftmagnete vorgespannt werden. Diese berührungslose Konstruktion vermeidet die Reibung anderer Lagerkonstruktionen. Außerdem gibt es bei Luftlagern keinen mechanischen Verschleiß. Außerdem können Luftlager in großen Abständen zueinander angeordnet werden. Dadurch werden die resultierenden geometrischen Fehler gemittelt, was Winkelabweichungen von weniger als 1 Bogensekunde und eine Geradheit von besser als 0,25 Mikrometer über 200 mm ergibt.
Zahlenwerte sind schwer zu nennen - sie hängen von vielen Faktoren ab. Zum Beispiel hängt die Positioniergenauigkeit nicht nur von den Lagern oder Führungen ab, sondern auch vom Positionsmesssystem und der Steuerung. Die Reibung in einem Positioniersystem hängt nicht nur davon ab, welches Antriebssystem Sie gewählt haben, sondern auch von der Lagereinstellung, der Tischabdichtung, der Schmierung und so weiter. Daher hängen die genauen Werte, die erreicht werden können, sehr stark von der Kombination aller Komponenten ab, die wiederum von der Anwendung abhängt.
Antriebssystem
Von den vielen Arten von Antriebssystemen - Riemen, Zahnstange, Gewindespindel, präzisionsgeschliffene Kugelumlaufspindel und Linearmotor - kommen für die meisten hochgenauen Positioniersysteme nur die beiden letztgenannten in Frage.
Kugelgewindetriebe gibt es in einer Reihe von Auflösungs-, Präzisions- und Steifigkeitscharakteristiken und können hohe Geschwindigkeiten (über 250 mm/sec) liefern. Da der Kugelgewindetrieb jedoch durch die kritische Drehzahl der Spindel begrenzt ist, erfordert eine höhere Geschwindigkeit eine geringere Steigung, einen geringeren mechanischen Vorteil und einen Motor mit höherer Leistung. Dies bedeutet in der Regel den Wechsel zu einem leistungsstärkeren Motorantrieb mit höherer Busspannung. Kugelgewindetriebe sind zwar weit verbreitet, können aber auch mechanisches Spiel, Aufwickeln, zyklische Steigungsfehler und Reibung aufweisen. Ebenfalls übersehen wird die Steifigkeit der mechanischen Kupplung, die Motor und Antrieb miteinander verbindet.
Beim linearen Servomotor greift die elektromagnetische Kraft direkt in die bewegte Masse ein, ohne mechanische Verbindung. Es gibt keine mechanische Hysterese oder zyklische Pitch-Fehler. Die Genauigkeit hängt vollständig vom Lagersystem und dem Feedback-Regelsystem ab.
Die dynamische Steifigkeit gibt an, wie gut ein Servosystem die Position als Reaktion auf eine Impulslast beibehält. Im Allgemeinen bieten eine größere Bandbreite und eine höhere Verstärkung eine größere dynamische Steifigkeit. Dies kann quantifiziert werden, indem die gemessene Impulslast durch den Auslenkungsweg dividiert wird:
Dynamische Steifigkeit = ΔF/ΔX
Die hohe Steifigkeit und die hohe Eigenfrequenz führen zu einem hervorragenden Servoverhalten mit kurzen Einschwingzeiten. Der Schlitten reagiert schnell auf veränderte Positionsbefehle, da es keine mechanische Kopplung zwischen Motor und Schlitten gibt. Da es auch kein "Klingeln" der Kugelumlaufspindel gibt, können schnelle Verfahr- und Einschwingzeiten erreicht werden.
Ein bürstenloser Linearmotor besteht aus einer Permanentmagnet-Baugruppe, die am Maschinenbett befestigt ist, und einer Spulenbaugruppe, die am Schlitten befestigt ist. Zwischen der Spulenbaugruppe und den Magneten wird ein Spalt von etwa 0,5 mm eingehalten. Es besteht kein physischer Kontakt zwischen den beiden Baugruppen.
Der Kern der Drehspulenbaugruppe enthält eine Reihe von überlappenden und isolierten Kupferspulen. Diese sind präzise gewickelt und für den dreiphasigen Betrieb abgestimmt. Eine Reihe von Hall-Effekt-Sensoren wird für die elektronische Kommutierung verwendet. Das Design der Kommutierungselektronik sorgt für eine Bewegung mit vernachlässigbarer Kraftwelligkeit. Da die Kommutierung nicht mechanisch, sondern elektronisch erfolgt, ist eine Lichtbogenbildung bei der Kommutierung ausgeschlossen.
Diese Eigenschaften machen einen Linear-Servomotor nützlich für Anwendungen, die eine hohe Beschleunigung (z. B. 2,5 m/sec2 oder mehr), eine hohe Geschwindigkeit (z. B. 2 m/sec oder mehr) oder eine präzise Geschwindigkeitsregelung erfordern, selbst bei sehr geringer Geschwindigkeit (z. B. nur wenige mm/s). Außerdem benötigt ein solcher Motor keine Schmierung oder sonstige Wartung und hat keinen Verschleiß. Wie bei jedem anderen Motor auch, darf der Effektivwert der Dauerkraft oder des Stroms wegen der Wärmeabgabe nicht über längere Zeiträume hinweg die zulässigen Werte überschreiten.
Sie erhalten Linear-Servomotoren in Dauerantriebskräften von 25 bis über 5.000 N. Die meisten größeren Motoren haben eine Luft- oder Wasserkühlung. Mehrere Linearmotoren können parallel oder in Reihe geschaltet werden, um höhere Antriebskräfte zu erhalten.
Da es keine mechanische Verbindung zwischen Motor und Schlitten gibt, entfällt eine mechanische Untersetzung wie bei einem Kugelgewindetrieb. Die Last wird im Verhältnis 1:1 auf den Motor übertragen. Bei einem Kugelgewindetrieb reduziert sich die Lastträgheit auf dem Schlitten zum Motor um das Quadrat des Untersetzungsverhältnisses. Dies macht den Linearmotorantrieb weniger geeignet für Anwendungen mit häufigen Lastwechseln, es sei denn, Sie wählen einen Controller, den Sie mit verschiedenen Sätzen von Motorsteuerungsparametern programmieren können, die verschiedenen Lasten entsprechen, um eine effektive Servokompensation zu erhalten.
Für viele vertikale Anwendungen ist eine Kugelumlaufspindel einfacher und kostengünstiger - der Linearmotor muss zum Ausgleich der Schwerkraft kontinuierlich erregt werden. Außerdem kann eine elektromechanische Bremse die Tischposition blockieren, wenn der Strom abgeschaltet ist. Sie können jedoch einen Linearmotor verwenden, wenn Sie das Motor- und Lastgewicht mit einer Feder, einem Gegengewicht oder einem Luftzylinder ausgleichen.
Bei den Anschaffungskosten gibt es kaum einen Unterschied zwischen einem Linearmotorantrieb und einem Kugelumlaufspindelantrieb, der Motor, Kupplungen, Lager, Lagerböcke und Kugelumlaufspindel umfasst. Im Allgemeinen ist ein bürstenbehafteter Linearmotor etwas günstiger als ein Kugelgewindetrieb, und bürstenlose Versionen sind in der Regel etwas teurer.
Es gibt mehr zu beachten als die Anschaffungskosten. Ein realistischerer Vergleich umfasst Wartung, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Ersatzteilkosten, einschließlich Arbeitsaufwand. Hier schneidet der Linearmotor gut ab.
Teil 2 wird sich mit Positionsmesssystemen befassen.