Inspektionssysteme Welcher Antrieb ist der richtige? – eine Entscheidungshilfe

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Steinmeyer Mechatronik GmbH

Als Spezialist für hochgenaue Positionierlösungen realisiert Steinmeyer Mechatronik Inspektionssysteme für die Prüf- und Messtechnik, angepasst an die individuelle Aufgabenstellung des Kunden – worauf es bei der Auswahl des Antriebs ankommt.

Inspektionssysteme sind fester Bestandteil vieler Fertigungslinien. Sie tragen zur Verbesserung der Produktqualität, Reduzierung der Ausschussrate, Steigerung der Prozesseffizienz sowie Einsparung von Kosten bei. Hightech-Branchen wie die Halbleiterindustrie, die Medizintechnik oder die Pharmabranche verlangen gar eine lückenlose Qualitätskontrolle und Dokumentation. Aber auch in anderen Industriezweigen spielt die Überwachung und Kontrolle im Produktionsprozess eine wichtige Rolle, Tendenz steigend. Dabei stellt jede Anwendung und Branche unterschiedliche Anforderungen an die Inspektionssysteme – seien es schwere Lasten, große Verfahrwege, hoher Durchsatz, minimale Partikelgenerierung oder auch extreme Stabilität in Pikometer-Bereich. Das hat Auswirkungen auf die Wahl des Antriebs. Doch welcher ist der richtige?

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Die Qual der Wahl

Zu den wichtigsten Antriebsarten für Inspektionssysteme gehören DC-, AC-, Schritt-, Linear- und Piezomotoren. Darüber hinaus gibt es weitere Motorprinzipien wie Magnetostriktion, Memory-Effekt, chemische Antriebe, Ultraschallmotoren und Wärmedehnung. Diese sind jedoch kommerziell nicht sicher serientauglich erhältlich. Steinmeyer Mechatronik, Spezialist für hochgenaue Positionierlösungen aus Dresden, arbeitet jedes Jahr an 50 neuen Entwicklungen in allen denkbaren Industriezweigen, die µm-Präzision erfordern.

Darüber hinaus verfügt das Unternehmen über breite Anwendungserfahrung im Einsatz aller gängigen Antriebsarten – inklusive Vakuum und Magnetfreiheit bis hin zu vollkommen exotischen Sonderfällen. „Der Antrieb sollte sich nach der Anwendung richten und nicht nach der für den betreffenden Lieferanten gewohnten oder bequemsten Lösung. Ansonsten werden Kompromisse eingegangen, die entweder zu Kosten für Nachentwicklung oder Abstrichen an der Qualität des Produktes führen“, macht Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik, deutlich.

Das Optimum finden

Die Auswahl des Antriebs ist dabei immer ein Kompromiss im Spannungsfeld zwischen Geschwindigkeit, Genauigkeit, Last und Verfahrweg. Darüber hinaus spielen weitere Kriterien wie Steifigkeit (Stillstandsstabilität, Immunität gegenüber Schwingungen von außen), Dynamik (Taktzeit, Beschleunigung), Linearität (Resonanzen, Regelbarkeit) und die Einsatzbedingungen der Umwelt (Temperatur, Vakuum, Reinraum, Magnetismus etc.) in die Entscheidung hinein. Auch Integrationsaspekte (Einbautoleranzen, Wartung), Anforderungen an Bauraum und Preis sowie die Faktoren Industriereife, Lebensdauer, Verfügbarkeit und Support sollten Berücksichtigung finden. „Da ist sorgfältiges, kluges Abwägen und Gewichten gefragt“, betont Elger Matthes und erklärt: „Das Wichtigste ist zu verstehen, was der Kunde benötigt – und dann mit diesem Verständnis aus den vielen Möglichkeiten das Optimum zu wählen.“ Dafür braucht es ein feines Gespür für die Applikationsanforderungen, langjährige Erfahrung und tiefes Wissen über Antriebs- und Motorentechnik.

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AC-Motoren: Spezialisten für große Lasten

Bei großen Lasten in rauen Umgebungen bietet sich beispielsweise eine Kombination aus AC-Motor und Kugelgewindetrieb an – so wie in einem konkreten Anwendungsfall zur Inline-Qualitätskontrolle mit Laseroptiken aus dem Bereich Werkzeugmaschine. Die Laseroptiken bringen ein Gewicht von 26 kg auf die Waage und erfordern kraftvolle Antriebe. Heimspiel für AC-Motoren. Sie sind einfach konstruiert, robust gebaut, industrietauglich, besonders langlebig und bieten hohe Drehzahlen sowie mittlere Momente. Diese Wechselstrommotoren zeichnen sich durch ein äußeres, stehendes Spulensystem mit drei Phasen aus, in dem sich ein Magnetsystem dreht. Eine Elektronik stellt ein sinusförmiges Drehfeld zur Verfügung, dem der Rotor folgt.

Auch die sogenannten elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren (BLDC = „bürstenloser DC-Motor“ oder ec-Motor = „elektronisch kommutierter Motor“) sind im Grunde Wechselstrommotoren mit intern im Motor untergebrachter Elektronik, die die Kommutierung vornimmt. BLDC sind bestens geeignet, wenn es darum geht, eine konstante Drehzahl ohne Anspruch auf das Anfahren bestimmter Positionen zu realisieren. Mit „AC-Motoren“ sind hier die AC-Servomotoren gemeint, nicht jedoch Induktionsmaschinen. Der Begriff „Servo“ beschreibt die Fähigkeit eines Motors, auch bei Stillstand volles Moment abzugeben. Zudem können auch Bewegungen weit geringer als eine Umdrehung geregelt ausgeführt werden.

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Servomotor – Aufbau, Funktion, Anwendung

DC-Motoren: Klassiker bei hohen Drehzahlen und kleinen Momenten

Elektrodynamische Antriebe wie AC-Motoren machen sich den elektrodynamischen Effekt zunutze, das heißt die Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld. Dabei gilt die Proportionalität von Strom zur Last und von der Spannung zur Drehzahl bzw. Geschwindigkeit. Das ermöglicht es, elektrodynamische Antriebe sehr feinfühlig auf sub-µm anzusteuern. Für Positionieraufgaben benötigen sie ein Messsystem oder einen Encoder. Auch DC- und Linearmotoren arbeiten nach diesem Prinzip.

Charakteristisch für DC-Motoren ist, dass sich innerhalb einer stehenden Magnetanordnung ein Spulensystem dreht, das über Schleifbürsten mit den zwei äußeren Anschlüssen verbunden ist und somit bei der Drehung die für die Bewegung notwendige Spule kontaktiert (mechanische Kommutierung) – sozusagen die Umkehrung der oben beschriebenen AC-Motoren. Gleichstrommotoren weisen eine kompakte Bauform sowie extreme Dynamik auf und eignen sich hervorragend für Anwendungen mit hohen Drehzahlen und kleinen Momenten. Ihre Ansteuerung ist einfach, weil nur eine Phase geregelt werden muss.

Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein XY-Z Portal für eine Rauhigkeitsmessung. Damit werden Wiederholgenauigkeiten von 0,5 µm und sehr gleichmäßige Messfahrten realisiert.

Linearmotoren: Ideale Lösung für lange Verfahrwege und große Geschwindigkeiten

Geht es um lange Verfahrwege und große Geschwindigkeiten, sind Linearmotoren die Technologie der Wahl. Ein Applikationsbeispiel ist hier die Kontrolle großer Paneele nach dem Laserschneiden. Dies wurde mit einem Luftlager-Portalsystem mit integriertem Linearencoder umgesetzt, das Verfahrwege von 1.600 mm und 1.150 mm in XY sowie Positioniergeschwindigkeiten von 1.500 mm/s (Spitze: 2.200 mm/s) realisiert. Bei elektrodynamischen Linearmotoren handelt es sich um die „abgewickelten“ AC-Servos bzw. BLDC-Motoren. Es wird zwischen „eisenbehafteten“ (DLM) und „eisenlosen“ (eDLM) unterschieden. Im ersten Fall wird ein Läufer mit in einen Eisenkern gewickelten Spulen über einer leiterförmigen Magnetanordnung bewegt, im zweiten Fall ist es ein Verguss aus drei Spulen zwischen zwei Magnetsystemen. Elektrodynamische Linearmotoren arbeiten verschleißfrei und bieten sehr hohe Geschwindigkeiten und extreme Beschleunigungen. Zu beachten ist das deutliche Rastmoment des eisenbehafteten Linearmotors, das aus der Reluktanzwirkung des Eisenkreises resultiert. Bei eisenlosen Linearmotoren tritt dagegen kein Rastmoment auf, wodurch ein sehr gleichförmiger Lauf gewährleistet wird.

Schrittmotoren: Ohne Messsystem einsetzbar

Nicht immer ist ein zusätzliches Messsystem, wie es bei AC-, DC-, Linear- und Piezomotoren zwingend erforderlich ist, erwünscht, denn dadurch steigen Komplexität und Kosten. Liegt der Fokus auf Einfachheit, Robustheit und Wirtschaftlichkeit, sind Open-Loop-Systeme ideal. Mit Schrittmotoren können Positionen alleine durch Zählen der Schritte angefahren werden, was eine auf Feedback regelnde Steuerung entbehrlich macht. Das Ergebnis sind eine einfache Ansteuerung und ein robuster Aufbau. Schrittmotoren bieten begrenzte Beschleunigung und Geschwindigkeit, was für typische Einsatzbereiche wie Mikroskoptische in der Regel aber auch nicht erforderlich ist. Exemplarisch kann an dieser Stelle eine Anwendung mit einer Positioniergeschwindigkeit von 25 mm/s (Spitze: 50 mm/s) genannt werden. Der XY-Kreuztisch mit 100 mm Verfahrweg zeichnet sich durch eine Wiederholgenauigkeit von 2,5 µm aus und ermöglicht eine Positionierung von Lasten bis 10 kg.

Schrittmotoren können durchaus kleine Diven sein. So warten sie mit einem kapriziösen Laufverhalten, Resonanzproblemen bei der Inbetriebnahme und einem mit steigender Drehzahl abrupt fallendem Antriebsmoment auf. Dennoch erweist sich das gegenüber DC-Motoren bei gleicher Baugröße etwa dreifache Moment als nützlich, um in Kombination mit Gewindetrieben und Mikro-Stepping ausreichend geringe Schrittweiten zu erzeugen. Durch den Aufbau mit einem gezahnten Rotor mit Permanentmagnet besitzen sie ein Haltemoment und laufen rastend.

Piezomotoren: Extrem hohe Auflösung im Nanometerbereich

Auch Piezomotoren sind selbsthaltend. Ihr größter Vorteil liegt jedoch in der sehr hohen Auflösung im Nanometerbereich sowie in der hervorragenden Stabilität nach der Bewegung. Wiederholgenauigkeiten von 0,05 µm und Stillstandsabweichungen <50 pm/min stellen kein Problem dar. Davon profitiert auch die Halbleiterindustrie bei der Inspektion von Nanostrukturen. Eine Lösung ist ein UHV 3-Achs-System in magnetfreier Ausführung mit Verfahrwegen von 160 mm für die X-Bewegung und je 20 mm für die Y- und Z-Bewegung (vertikal). Dank speziell entwickelter Piezomotoren können Lasten bis zu 2 kg positioniert werden.

Piezomotoren

Wie Miniaturmotoren mit Piezo-Effekt frei von Spiel werden

Piezomotoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, also die Längenänderung eines Kristalls im elektrischen Feld. Typischerweise betragen diese 1,5 Promille. Um makroskopische Verstellwege im mm-Bereich zu erreichen, werden mehrere Piezostacks in Piezomotoren zu beweglichen Beinen miteinander kombiniert, sodass sie – gegen eine harte Oberfläche gedrückt – eine quasikontinuierliche Bewegung ausführen. Die Kraftübertragung auf die Läuferkeramik erfolgt über Reibung. Mit Schreiter, Oszillator, Wanderwellenmotor und Stick-Slip-Motor haben sich vier Grundprinzipien durchgesetzt, die mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum abdecken. Die Ansteuerung von Piezomotoren ist hochspeziell und verlangt viel Erfahrung bei der Inbetriebnahme.

Für jede Anwendung die bestmögliche Antriebslösung

Ob Oberflächeninspektion, Bauteilvermessung oder Leiterplattenkontrolle, ob automatische optische Inspektion (AOI), manuelle Überprüfung oder 3D-Messungen: Der Antrieb trägt entscheidend zur Leistungsfähigkeit der eingesetzten Inspektionslösung bei. Steinmeyer Mechatronik kennt die spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Anwendungen und Branchen genau und realisiert Inspektionssysteme, die sich durch perfekte Ebenheit, kleinste Toleranzen für Nicken und Gieren und ein gleichmäßiges Ablaufverhalten auszeichnen. „Durch unsere Einbindung in die Steinmeyer-Firmengruppe haben wir zwar eine gewisse Nähe zum Gewindetrieb, dennoch gehen wir ohne Vorbehalte in die Komponentenwahl. Die bestmögliche Lösung der Positionieraufgabe im gegebenen Kostenrahmen hat oberstes Primat“, so Elger Matthes.

Übrigens: Am Standort Dresden arbeiten alle Abteilungen – Entwicklung, Mechanik, Elektronik, Software, Fertigung, Montage, Messlabore, Testzentrum – vernetzt unter einem Dach. So können Synergien optimal genutzt und spezifische Kundenanforderungen schnell und unkompliziert realisiert werden. Alle Abteilungen sind an der Lösungsfindung beteiligt.

* Dr. Alexander Bromme ist Geschäftsführer der Steinmeyer Mechatronik.

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