Lineare DC-Servomotoren für flüssige, dynamische Bewegungen

Projekt Anthozoa

Kleinstantriebe kommen heute in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Klein, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung und möglichst geräuschlosem Lauf sind aber nicht nur Anforderungen, die viele industrielle Anwendungen an die Antriebe stellen. Bei der kinetischen Skulptur Projekt Anthozoa, die das Bewegungsmuster der wirbellosen Blumentiere nachempfindet, sorgen viele kleine lineare DC-Servomotoren für flüssige, dynamische und damit lebensechte Bewegungen.

Autor: Andreas Seegen


Die DC-Linearantriebe der Serie Quickshaft von Faulhaber sind nicht als Oberflächenläufer mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese Konstruktion ergeben sich ein gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen eignen. Typische Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen bis hin zu Scanning-Applikationen z.B. in der Mikroskopie. Inzwischen haben die kompakten DC-Linearantriebe sich aber auch in eher ungewöhnlichen Anwendungen bewiesen. Die kinetische Skulptur Projekt Anthozoa - eine Kooperation von MTK, Flying Saucer und Faulhaber - veranschaulicht, was die kleinen Antriebe leisten können.

Natur künstlich nachbilden

Die Designer von Flying Saucer und die Ingenieure von MKT führen mit Projekt Anthozoa ein uraltes menschliches Streben fort: Natur künstlich nachzubilden. Es galt, eine fließende, natürlich wirkende Bewegung ohne erkennbare technische Einschränkung zu erreichen, und das mit Hilfe der Faulhaber-DC-Servomotoren. Gute Voraussetzungen dafür haben die kleinen Antriebe: Sie kombinieren Geschwindigkeit und Robustheit pneumatischer Systeme mit Flexibilität und Zuverlässigkeit elektromechanischer Linearmotoren. Ihre Konstruktion mit der selbsttragenden Dreiphasenspule im massiven, antimagnetischen Statorgehäuse sorgt für hohe Leistung und Dynamik mit streng linearem Kraft/Strom-Verhältnis bei geringem Einbauvolumen. Auf dieser Basis sind hochdynamische Bewegung ohne Rastmomente, also auch flüssige, lebensechte Bewegungen realisierbar, zumal eine exakte Positionskontrolle über die in den Motoren integrierten Hallsensoren einfach möglich ist.

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Kunst/Technik-Projekt

Mit diesen Eigenschaften im Hinterkopf stießen die Industrie-Designer und Ingenieure auf das Buch 'Kunstformen der Natur' des Naturforschers und Universalgelehrten Ernst Haeckel (1834 bis 1919), das 100 Drucke mit Bildtafeln verschiedener Organismen enthält, die größtenteils von Haeckel zum ersten Mal beschrieben wurden. Besonders angetan hatten es ihnen dabei die Gattung Anthozoa (Blumentiere). Diese größte Klasse der Nesseltiere wurde Inspirationsquelle und Namensgeber des Kunst/Technik-Projektes. Die wirbellosen Tiere bewegen sich sehr geschmeidig und quasi schwebend im Wasser. "Genau das empfindet die Skulptur Projekt Anthozoa nach. Sie verzaubert in einer perfekten Choreografie, die zu sphärischen Klängen die Verschmelzung zweier Bewegungskonzepte visualisiert: Unterwasser-Schwerelosigkeit und Balancieren", so Axel Haschkamp von MKT. Insgesamt sind 120 lineare DC-Servomotoren mit ebenso vielen Ethercat Controllern in diesem faszinierenden Kunstwerk im Einsatz, um die Choreografie eindrucksvoll zu demonstrieren. An die Regelung und das zur Ansteuerung eingesetzte Bussystem stellt das besondere Anforderungen. Daher wurde für Anthozoa eine dezentralisierte Regelungsstruktur gewählt. Die Motion Controller der Serie MC 5004 übernehmen die Regelung der Antriebe unabhängig von der Buslaufzeit, das heißt, die Antriebe werden mit der internen Taktrate von 100µs angesteuert, um der im Millisekunden-Takt vorgegebenen Sollposition zu folgen. Diese Kombination ermöglicht die Synchronisation der 120 Antriebe.

Leistungsstarke DC-Linearmotoren

Die in den kinetischen Skulpturen eingesetzten Linearmotoren vom Typ LM 2070 liefern trotz der kompakten Statorabmessungen von 20x20x70mm beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen bis zu 27,6N zur Verfügung. Die Hublängen liegen standardmäßig bei 40, 80, 120, 160 oder 220mm. Je nach Belastungsfall lässt sich bei der 40mm-Hub-Variante eine Beschleunigung von maximal 93,9m/s2 erreichen, was fast 10g entspricht. Bei 220mm Hub beträgt die maximal mögliche Beschleunigung immer noch 36,8m/s² oder knapp 4g. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs von -20 bis +125°C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig regelbar. Die Wiederholgenauigkeit liegt zwischen 100µm bei 40mm Hub und 120µm bei 120mm Hub.

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