Linearmotor Präzises Messen sichert die Genauigkeit eines Antriebs

Redakteur: Stefanie Michel

Hochdynamische Linearmotoren übernehmen Antriebs- und Transportaufgaben mit hoher Präzision, nicht zuletzt dank eines leistungsfähigen Messsystems nach dem Prinzip der Magnetostriktion.

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Nur 20 mm hoch ist der Linearmotor und erlaubt so eine einfache Integration in das Maschinenkonzept des Anwenders. Bilder: MTS Sensor
Nur 20 mm hoch ist der Linearmotor und erlaubt so eine einfache Integration in das Maschinenkonzept des Anwenders. Bilder: MTS Sensor
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Einsatzgebiete von Linearmotoren sind vielfältig, denn sie besitzen aufgrund ihres Funktionsprinzips zahlreiche Vorteile. Da der Linearantrieb elektrische Energie unmittelbar in mechanische Energie umwandelt, entfällt eine mit Getriebe herbeigeführte Translation. Ein magnetisches Wanderfeld erzeugt die Schubkraft am beweglichen Teil. Mechanische Übertragungselemente entfallen, so dass es außer der Führung keine Verschleißteile gibt. Somit sind sie bestens geeignet für High-End-Anwendungen in der Elektronik-, Automobil-, Druck- oder Roboterindustrie oder im allgemeinen Maschinenbau bei Werkzeugmaschinen, Schneidanlagen, Handlings- und Montagesystemen oder Verpackungsmaschinen. Gekennzeichnet durch ein hohes Maß an Dynamik, Stellgenauigkeit, Langlebigkeit und Wartungsarmut steigert der Linearantrieb nicht nur die Produktionsleistung, sondern auch die Fertigungsqualität.

Flaches Langstator-System positioniert genau

Bei einem von der EAAT, Chemnitz, entwickelten Direktantrieb in Form eines Langstatorsystems trägt der fest montierte Stator als Primärteil die Wickelung. Dagegen fällt das Sekundärteil, die Magnetplatte, wesentlich kürzer aus und gleitet rollengeführt über den waagerecht liegenden Induktor. Die Bewegungsgeschwindigkeiten von Wanderfeld und Magnet verlaufen synchron über den segmentierten, maximal 1800 mm langen Verfahrweg. Mit einer Gesamthöhe von nur 20 mm erlaubt der flache Motor eine problemlose konstruktive Integration in das Maschinenkonzept des Anwenders.

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Ein Frequenzumrichter mit Anbindung an den Steuerungsrechner und ein magnetostriktives Messsystem komplettieren den Linearmotor zu einem präzise regelbaren Antrieb. Der Umrichter entspricht einem Standardregler und speist bei einer Eingangsspannung von 60 VDC die Motorwicklungen mit einer Frequenz von 300 bis 800 Hz bei einer Spannung von 0 bis 28 VAC.

Zur Positionsrückmeldung ist ein Temposonics-Sensor der MTS in Stab-Bauform mit dem Sensorrohr parallel zum Langstator fest montiert. Einziges bewegliches Teil am Messsystem ist der mobile Schlitten, an dem ein kleiner Permanentmagnet angebracht ist. Er überträgt die Position des Sekundärteils über magnetostriktive Effekte vollkommen berührungslos durch die Gehäusewand des Rohrs hindurch. Auf systembedingte Öffnungen im Messsystem kann vollkommen verzichtet werden.

Vor, während und nach dem Verfahrvorgang meldet das magnetostriktive Messsystem fortlaufend den Lageistwert des Schlittens nach SSI-Standard zurück an die Elektronik. Durch das synchrone Messen steht stets ein zeitgenauer Messwert zur Verfügung, der bei Bedarf am Rechner visualisiert werden kann. Auf Basis des Lageistwerts und der vom Rechner vorgegebenen Sollposition speist der Umrichter die Leiterspannung in die entsprechenden Motorwicklungen, um das magnetische Wanderfeld zu initiieren und das Sekundärteil in der gewünschten Lage zu positionieren.

Ausgelegt für kleine Lasten bewegt der Linearmotor zwischen 0,05 und 1 kg. Ob in der Mikroelektronik, Nanotechnik, Labortechnik, Fotovoltaik oder in der Montage- und Verpackungstechnik der unterschiedlichsten Industriebranchen. Mit einer Schubkraft von 10 N übernimmt der Linearmotor hochpräzise und dynamisch alle Antriebsaufgaben - sogar im Hochvakuum. Für die Vakuumtauglichkeit sorgt ein Isolierharz, das beim Aushärten einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen wird. Auch der Sensor, dessen Messrohr sich im Vakuum befindet, ist geeignet für einen Einsatz im Vakuum. So können in einem besonderen Anwendungsfall Werkstücke in einer Bedampfungsanlage bei 10-7 bar angetrieben und genau positioniert werden.

Doch nicht nur die Position des Schlittens, sondern auch seine Geschwindigkeit und Beschleunigung von 10 m/s2 werden von dem Sensor erfasst. Bei Geschwindigkeiten von 0,5 bis 1000 mm/s bewegt sich das Sekundärteil ohne Rastkräfte vollkommen ruck- und rastfrei und mit hoher Geschwindigkeitskonstanz. Voraussetzung für das Realisieren der niedrigen Geschwindigkeiten ist die hohe Genauigkeit des Messsystems. Die eingesetzte Temposonics R-Serie mit SSI Ausgang löst bis zu einem Mikrometer auf und hat eine leistungsstarke, integrierte Elektronik, was die schnelle und sichere Ankoppelung an die Steuerung und einen störsicheren Datentransfer garantiert. Mit möglichen Messraten bis zu 4 kHz und Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 1,0 MBd je nach Übertragungsstrecke sorgen die SSI-Sensoren der R-Serie im Linearmotor für hohe Dynamik. Eine hierbei vom maximalen Arbeitshub abhängige Linearität von 30…60 µm sichert das genaue Ansteuern definierter Positionen.

Ein weiterer Vorteil aller Sensoren von MTS liegt in der absoluten Positionsbestimmung. Beim Einschalten des Linearantriebs, bei mechanischen Kollisionen oder nach einem Stromausfall ist keine Referenzmarkenanfahrt notwendig und somit ist der Antrieb ständig einsatzbereit. Im laufenden Betrieb steuern die Sensoren mit einer Wiederholgenauigkeit besser +/- 4 µm exakt eine bereits angefahrene Position wieder an. Unerlässlich, wenn es um die genaue Positionierung - beispielsweise eines Bauteils zur Bedampfung - geht.

Berührungslos und ganz ohne Verschleiß

Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit der Sensoren ist die vor mehr als 30 Jahren entwickelte, magnetostriktive Messtechnologie. Zur Positionsbestimmung wird aus der Sensorelektronik ein Stromimpuls durch ein Messelement – den Wellenleiter – geschickt. Im Bereich des Positionsmagneten entsteht eine partielle Verdrehung und damit eine Torsionswelle. Sie läuft als Körper-Ultraschallwelle zu den Enden des Wellenleiters und wird dort von einem speziellen Signalumformer verarbeitet. Die genaue Ortsbestimmung ergibt sich durch eine Laufzeitmessung, bei der die Magnetposition aus der Zeit zwischen dem Start des Stromimpulses und dem Eintreffen des elektrischen Antwortsignals errechnet wird. Mit dem Nutzen der magneto-mechanischen Effekte ist kein direkter Kontakt zwischen dem positionsgebenden Magnet und dem Messelement notwendig. Deshalb arbeitet das Messsystem vollständig berührungslos und verschleißfrei. Ein auf Torsionsimpulse reagierendes Empfängersystem ist zudem gegen Vibrationen unempfindlich, weil sich Torsionswellen kaum durch äußere mechanische Störungen erzeugen lassen.

Beim Verwenden eines nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeitenden Sensors wird für den Linearmotor keine Kabelführung mehr benötigt - wie er bei inkrementeller Messung erforderlich ist. Der Positionsmagnet gleitet schnell, berührungslos und ohne mechanischen Widerstand am Sensorrohr hin und her. Mit einer typischen Zykluszeit von ≤ 1 ms meldet der Sensor die Position an den Umrichter zurück.

Positionssensor misst bis zu 15 m linear

Die Einsatzgebiete magnetostriktiver Positionssensoren sind breit gefächert, denn durch ihre Vielfalt in Bauform, Messlänge und Schnittstelle sind sie äußerst flexibel. Beispielsweise ermöglicht der flexible RF Sensor mit biegsamem Messstab Linearmessungen auf nicht gradliniger Strecke bis zu 15 m. Da bei Positionieraufgaben oft mehrere Positionen angefahren werden müssen, misst ein einzelner Sensor mit den Schnittstellen CAN, Profibus und EtherCAT sogar parallel mit bis zu 20 verschiedenen Magneten 20 unterschiedliche Wege. Möglich macht dies die Multi-Positionsmessung von MTS. Und fehlt einmal ein Positionsgeber oder ist der Messbereich überschritten, signalisiert eine Diagnose-LED am Kopf des Sensors dem Anwender direkt den Handlungsbedarf.

Bei der Wahl des geeigneten Messsystems für den Linearantrieb unterzog der Antriebshersteller den Sensor einem Vergleich mit anderen Anbietern magnetostriktiver Sensorik. Der Temposonics Positionssensor zeigte sich im Praxistest mit Abstand am rauschärmsten und zuverlässigsten. Das Geschwindigkeitssignal weist im Zeitverlauf kaum Schwankungen auf, während das Messsystem eines Mitbewerbers – obwohl bereits von der Elektronik korrigiert – mit Spitzenwerten von über 50 mm/s vom Istwert abweicht. Da Rauschen, Jitter, lange Totzeiten und Messungenauigkeiten entscheidend die Laufgüte des Motors beeinträchtigen, ist mit Schwankungen in dieser Größenordnung ein präziser Linearantrieb nicht realisierbar.

Daraufhin ersetzte der wissenschaftliche Industriebetrieb das zuvor eingebaute Produkt durch einen Temposonics-Sensor. Dieser sicherte - nach Aussage von EAAT - letztendlich die Inbetriebnahme des Linearmotors.

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