High-End und trotzdem einfach

In vielen Anwendungen müssen Lasten auf einer linearen Achse bewegt werden. Abhängig von den gestellten Anforderungen wie Verstellgeschwindigkeit, auftretende Lasten, Positionier- und Wiederholgenauigkeit, Wartungsfreundlichkeit, Langlebigkeit sowie nicht zuletzt dem Faktor der Kosten, kommen dabei unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Das waren in der Vergangenheit häufig pneumatische oder hydraulische Lösungen, die in letzter Zeit immer mehr von elektromotorisch angetriebenen Systemen abgelöst wurden. Im Bereich dieser Systeme gibt es mehrere Lösungen, bei denen die rotatorische Motorbewegung mittels Antriebsspindeln, Kugelgewindetrieben oder Riemenantrieben in eine lineare Achsbewegung umgewandelt wird. In Konkurrenz dazu stehen Linearmotoren, die mithilfe von Magnetfeldern eine direkte lineare Bewegung ausführen. Nehmen wir beispielsweise eine typische Linearachse in einer automatisierten Handhabungsanwendung mit mittlerer Präzisionsanforderung: Eine Last muss über einen Verfahrweg von einem Meter mit einer Positioniergenauigkeit von unter einem Millimeter bewegt werden. Bei der Auswahl der passenden Lineartechnologie drängt sich zunächst eine mechanische Lineareinheit mit Spindel und Kugelgewinde auf. Bei korrekter Gewindesteigung sowie einem passenden Servomotor und Servocontroller erhält man eine schnell zusammengestellte und kostengünstige Lösung. Linearmotoren werden an dieser Stelle häufig verworfen oder gar nicht erst in Betracht gezogen. Der Grund für diese Einstellung liegt an der verbreiteten Meinung, Linearmotoren seien teure Edellösungen für präzise High-End-Anwendungen. In Wahrheit sind es häufig fehlende Kenntnisse über Linearmotoren, die deren Berücksichtigung verhindern. Doch geschickt eingesetzt bietet ein Linearmotor eine hohe Flexibilität und senkt den Konstruktionsaufwand für eine mechanische Einheit. Linearmotor: Muss nicht teuer sein Betrachtet man die Anschaffungskosten einer Lineareinheit mit Linearmotortechnik isoliert von den übrigen anfallenden Kosten, scheinen andere Lösungen zunächst kostengünstiger zu sein. Das wird sich jedoch mit steigenden Stückzahlen in absehbarer Zeit ändern. Nimmt man darüber hinaus die gesamten Betriebskosten hinzu – Stichwort Total Cost of Ownership – entsteht ein deutlich anderes Bild. Langfristig gesehen kann ein Linearmotor aufgrund seiner höheren Lebensdauer sowie der geringen Verschleißempfindlichkeit und Wartungsintensität hier im Vergleich zu Kugelgewindetrieben deutlich Boden gutmachen. Betrachten wir zunächst die Lebensdauer der konkurrierenden Technologien. Wie bereits erwähnt, wird bei einem Kugelgewinde- oder Riementrieb die Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung umgewandelt. Hinzu kommt, dass häufig ein zusätzliches Getriebe notwendig ist, um die Anforderungen der jeweiligen Anwendung in Bezug auf Drehmoment oder Verfahrgeschwindigkeit erfüllen zu können. Es gibt also eine ganze Reihe beweglicher Teile, die bei jeder Achsbewegung Reibung und damit Verschleiß ausgesetzt sind, der insbesondere die Positioniergenauigkeit des Systems beeinträchtigt. Bei Linearmotoren hingegen gibt es keinerlei mechanische Verbindungspunkte im Kraftstrang, die dem Verschleiß unterliegen. Lediglich an den Linearführungen, die den Motor und die Last abstützen, tritt Reibung auf. Sie sind also der einzig limitierende Faktor, wenn es um die Langlebigkeit der Systeme geht. Linearführungen haben eine hohe Lebensdauer, die üblicherweise in Kilometern gemessen wird. Solange die Last die Nenntragfähigkeit der Führung nicht übersteigt und diese ordnungsgemäß geschmiert wird, sind 100.000km eine realistische Größe. Das Diagramm in Bild 2 stellt die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs und die eines Linearmotors mit einer maximalen Tragfähigkeit von 1.800N gegenüber. Zugrunde gelegt wurden tatsachlich gesammelte Betriebsdaten der unterschiedlichen Technologien. Die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs nimmt mit steigender Last rapide ab und liegt bei 1.800N um die 10.000km. Im Unterschied dazu bleibt die Lebensdauer des Linearmotors (hier ein ServoTube von Dunkermotoren Linear Systems) bei allen Lasten bis zur Grenze von 1.800N konstant bei 100.000km. Für den Anwender ergibt sich hieraus eine klare Schlussfolgerung: Je höher die Last ist, die man bewegen muss, desto häufiger muss man einen Kugelgewindetrieb aufgrund von Verschleiß austauschen. Im oben gezeigten Beispiel erreicht der Linearmotor bis zu einer Last von 1.800N eine Laufleistung von 100.000km, während ein Kugelgewindetrieb in derselben Zeit bis zu zehnmal gewechselt werden muss. Bei Anwendungen mit hohem Durchsatz, also bei vielen zu bewegenden Kilometern, kann sich ein Linearmotor in relativ kurzer Zeit amortisieren, selbst wenn er in der Anschaffung zunächst teurer ist. Nicht nur für High-End-Systeme Die bekanntesten Stärken von Linearmotoren sind deren hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Aus diesem Grund werden sie häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf höchste Präzision ankommt. Daher finden wir diese Technik in Anwendungen wie dem Laserschneider oder Bestückungsvorrichtungen, wo andere Lösungen nicht in der Lage sind, die geforderte Genauigkeit zu liefern. Darüber hinaus sind Linearmotoren aber insbesondere in Anwendungen mit hohem Durchsatz effektiv einsetzbar. Selbst wenn eine derart hohe Präzision gar nicht gefordert ist, sollten Anwender den Einsatz eines Linearmotors in Betracht ziehen. Daneben lassen sich weitere Vorteile ins Feld führen: Da wäre zunächst der geringere Wartungsaufwand. Die verschiedenen beweglichen Komponenten einer Lineareinheit mit Kugelgewindetrieb benötigen eine regelmäßige Schmierung. Das gilt besonders bei schnellen Bewegungen oder hoher Last. Demgegenüber zeigt sich ein System mit Linearmotor genügsam. Die langen Wartungsintervalle ermöglichen einen ununterbrochenen Betrieb dieser Komponenten über mehrere Tage, Wochen oder sogar Monate. Dieser Vorteil erhöht sich noch einmal, wenn die Anwendung eine höhere Präzision erfordert. Dies ist bei Kugelgewindetrieben nur mithilfe von vorgespannten Umlaufmuttern zu erreichen, mit denen das Flankenspiel minimiert wird. Daraus ergibt sich wiederum eine erhöhte Reibung, ergo ein höherer Schmierungsaufwand. Umgebungseinflüsse können sich negativ auf die Schmierung auswirken. Eine staubige Umgebung kann die Schmierung beispielsweise so stark beeinträchtigen, dass der Verschleiß überproportional ansteigt und die Wiederholgenauigkeit demzufolge entsprechend stark nachlässt. Linearmotoreinheiten dagegen sind relativ unempfindlich gegen Schmutz und Staub. Deshalb sind sie unter rauen Bedingungen häufig die bessere Wahl. Leichte Handhabung für Anwender Während die zugrunde liegende Technologie von Linearmotoren möglicherweise kompliziert oder zumindest komplex erscheint – zumindest im Vergleich zu allen anderen mechanischen Lösungen – sind sie für den Anwender alles andere als schwierig zu handhaben. Ganz im Gegenteil: Sie vereinfachen die Konstruktion von Maschinen. Zunächst einmal sind sie kompakter als andere Lösungen, sodass sie sich einfacher in Systeme integrieren lassen. Das bedeutet z.B., dass sie ohne Weiteres vorhandene Lineareinheiten ersetzen können und dabei deutlich mehr Leistung auf kleinerem Raum bieten. Außerdem haben sie fest definierte Eigenschaften und Leistungsmerkmale, die sich beispielsweise optimal in CAE-Konstruktionssysteme einbinden lassen. Darüber hinaus sind sie kaum empfindlich gegen Umgebungseinflüsse. Das heißt, auch hier müssen die Konstrukteure keinen großen Aufwand zu deren Schutz betreiben. Darüber hinaus kann die hohe Präzision von Linearmotoren zur Senkung der Komplexität beitragen. Im Kugelgewindetrieb tritt durch die verschiedenen beweglichen Teile im Kraftstrang immer ein gewisses Spiel auf. Besonders schwierig zu beherrschen ist das Umkehrspiel, das jedes Mal auftritt, wenn die Bewegungsrichtung der Achse wechselt. Diesem Problem begegnen die Konstrukteure durch verschiedene Maßnahmen wie doppelt ausgeführte oder vorgespannte Muttern – und müssen dabei, wie bereits beschrieben, einen erhöhten Verschleiß in Kauf nehmen. Im Unterschied dazu müssen bei Linearmotoren keine dieser aufwändigen Lösungen entwickelt und konstruiert werden, um Schwächen bei der Positionier- und Wiederholgenauigkeit zu kompensieren. Damit können sich die Ingenieure auf die eigentliche Aufgabe ihrer Systeme und Maschinen konzentrieren. Vorteile der Linearmotoren Ein Linearmotor bietet eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit, die auch nach vielen tausend Betriebsstunden durch keinen mechanischen Verschleiß beeinträchtigt wird. Dasselbe gilt für die Verstellgeschwindigkeit, einem weiteren klaren Vorteil des Linearmotors gegenüber dem Kugelgewindetrieb. Eine Spindel hat eine sogenannte kritische Drehzahl, die nicht überschritten werden darf, da die entstehenden Resonanzschwingungen ansonsten zu Schaden führen würden. Daher muss die Drehzahl des antreibenden Motors auf diesen Wert begrenzt werden, was zugleich eine Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit bedeutet. Ähnlich verhält es sich bei der Verstellbeschleunigung. Auch hier stellt die Eigenschwingung der Spindel einen limitierenden Faktor dar. Darüber hinaus wirken bei hoher Beschleunigung enorme Kräfte auf die Kugellager, somit sind auch hier bestimmte Grenzen einzuhalten. Die Konstrukteure müssen also entweder aufwändige Lösungen schaffen oder Kompromisse bei der Leistungsfähigkeit des Systems, und damit der Durchsatzgeschwindigkeit eingehen. Bei Linearmotoren treten diese Probleme erst gar nicht auf. Zunächst einmal fehlen sämtliche mechanische Komponenten, die aus einer rotatorischen eine lineare Bewegung machen müssen. Es gibt also keine mechanische Begrenzung der Verstellbewegungen. Die einzige mechanische Reibung entsteht an den Auflageschienen. Diese Lagerschienen dienen lediglich der Abstützung der Last, sie sind daher nicht den hohen Kräften ausgesetzt, die durch die Beschleunigung entstehen. Während Kugelgewindetriebe eine Verstellgeschwindigkeit von rund 1m/s ermöglichen, unterstützt der Linearmotor STB2508S-1000 von Dunkermotoren Linear Systems mit 5,4m/s mehr als die fünffache Geschwindigkeit. Bei seiner Beschleunigung kommt das Dunkermotoren-Modell auf einen Wert von 23g, während ein Kugelgewindetrieb bereits bei 2g einlenkt. Thermisches Design Die hohe Dynamik von Linearmotoren resultiert in hohen Strömen in den Wicklungen, welche die erforderlichen starken Magnetfelder erzeugen. Hohe Ströme wiederum erzeugen viel Wärme in den Wicklungen. Da es die maximal erlaubte Wicklungstemperatur ist, welche die maximal zulässige Dauerleistung eines Linearmotors bestimmt, ist das thermische Design entscheidend dafür, welche maximale mechanische Dauerleistung ein Linearmotor abgeben kann. Schließlich bestimmt die maximale mechanische Dauerleistung die maximale Dynamik im Dauerbetrieb. Offensichtlich sind es die Größen \’erzeugte Warme\‘ und die \’abgegebene Wärme\‘, die bestimmen, wie viel Wärme im Linearmotor verbleibt und somit für mehr oder weniger maximale mechanische Dauerleistung verantwortlich sind. Ebenso offensichtlich müssen diese beiden Größen optimiert werden. Die erzeugte Wärme kann durch thermisches Design reduziert werden, indem man dafür sorgt, dass der eingesetzte Wicklungsdraht vollständig für den Aufbau des Arbeits-Magnetfeldes eingesetzt wird. Nur der Wicklungsdraht, der den Strom senkrecht zum Permanentmagnetfeld führt, erzeugt auch eine Linearkraft. Die Linke-Hand-Regel ist unbestechlich. Damit sind für hohe Anforderungen an hohe Dauerleistungen besonders die stangengeführten Linearmotoren geeignet. Bei diesem Design wirkt das gesamte erzeugte Elektro-Magnetfeld auf das Permanentmagnetfeld der Magnetstange, da diese von den Spulen komplett umschlossen ist. Im Gegensatz dazu weisen aufwändigere Designs wie U-Kanal Linearmotoren oder Flachbett-Linearmotoren Defizite auf, da diese den Wicklungsdraht mit jeder Windung auch parallel zum Permanentmagnetfeld führen und somit in diesen Bereichen ausschließlich Wärme und keine Linearkraft erzeugen. Die abgegebene Wärme kann ebenfalls durch ein effizientes thermisches Design deutlich erhöht werden. Je besser der Wärmeübergang von der Wicklung zur Oberfläche der Primäreinheit (Komponente, welche die Wicklungen beinhaltet) ist und je größer diese Oberfläche ist, desto besser kann erzeugte Wärme durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben werden und desto weniger Wärme verbleibt in der Wicklung. Auch hier sind es die stangengeführten Linearmotoren, die eine hohe thermische Effizienz aufweisen, da sie die Wärme rundherum direkt von der Spule an das umgebende Gehäuse abgeben, das gleichzeitig auch die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Besonders von Vorteil ist es, wenn dieses Gehäuse gleichzeitig Kühlrippen aufweist und damit schon bei geringer Luftbewegung eine nochmals verbesserte Wärmeabgabe ermöglicht. Weniger geeignet für eine effektive Wärmeabgabe sind U-Kanal-Linearmotoren, bei denen die Wärme in einem nach drei Seiten geschlossenen Kanal aus temperaturempfindlichen Permanentmagneten entsteht und somit nur zu einer von vier Seiten hin abgegeben werden kann. Das macht bei hohen Dauerleistungen aufwändige Kühlkonzepte erforderlich. Linearmotoren in der Praxis Für den praktischen Einsatz der Linearmotortechnologie, gibt es drei Ansätze: Linearaktuatoren, -motoren und -module. Linearaktuatoren sind noch nicht so lange auf dem Markt und stellen eine neue Antriebsart dar. Bei diesen Ausführungen handelt es sich um ein fest montiertes Gehäuse mit einer beweglichen Schubstange. Linearaktuatoren haben bereits eine einfache Gleitführung, sodass sie ohne weitere Lagerungsmaßnahmen direkt in die Anwendung eingebaut werden können. Sie ersetzen pneumatische und elektrische Stellglieder in Automatisierungseinrichtungen. Linearaktuatoren werden von Anwendern eingesetzt, die Leistungsmerkmale benötigen, bei denen andere Technologien passen müssen. In der Regel werden Linearaktuatoren in applikationseigene Anwendungen integriert. Die Verkaufszahlen dieser Technologie sind in jüngster Zeit stark angestiegen. Linearmotoren dagegen haben keine eigene Lagerung; sie werden in zwei Komponenten geliefert, einem Spulenteil und einem Magnetteil, die der Kunde in die eigene Anwendung mit einer entsprechenden Lagerung und eventueller Sensorik integriert. Linearmodule schließlich sind vorkonfigurierte mechanische Kompletteinheiten aus Motor (Spulenteil und Magnetteil), Linearführung und optionalen Sensoren wie Encodern und End- und Referenzschaltern. Sie kommen vermehrt in allen Arten der Handhabungstechnik zum Einsatz, wo sie häufig Kugelgewindetriebe ersetzen. Besonders Systeminteg­ratoren, die auf kurze Markteinführungszeiten angewiesen sind, setzen auf diese Lösungen. Grund hierfür sind ein geringes Einsatzrisiko und die fest definierten Eigenschaften dieser schlüsselfertigen Subsysteme. Die zusätzliche Besonderheit bei den Dunkermotoren Linearmotoren, Linearaktuatoren und Linearmodulen ist die integrierte Sensorik. Mittels analogen Halleffektsensoren werden die Magnete abgetastet und daraus ein 1Vss-Enkodersignal erzeugt, was im Regler interpoliert wird. Die Genauigkeit dieses Feedbacksignals ist für viele Handhabungsaufgaben völlig ausreichend. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Anordnung ist die Unempfindlichkeit dieses Sensorsystems. Das ist ein weiterer Kostenfaktor, da ein zusätzlicher Sensor entfallen kann. Optional kann im Zusammenhang mit den Motoren oder Modulen ein zusätzliches optisches Encodersystem für höhere Präzision verbaut werden. Fazit Der Ruf von Kugelgewindetrieben, bei Systemen mit mittlerer Präzisionsanforderung die günstigere Wahl zu sein, beruht zum Großteil auf Unkenntnis der Linearmotortechnologie. Während Linearmotoren bei hochpräzisen Anwendungen ohnehin die Nase vorn haben, sollte deren Einsatz auch bei anderen Anwendungen in Betracht gezogen werden. Denn selbst wenn keine rekordverdächtige Wiederholgenauigkeit, Beschleunigung oder Verstellgeschwindigkeit gefordert ist, zahlt sich ein Linearmotor in Form erhöhter Verschleißfestigkeit, Zuverlässigkeit und nicht zuletzt längerer Lebensdauer aus.