Revolutionierung der Bewegungssteuerung mit Linearmotoren

Jun 29, 2023

Linearmotoren haben die Möglichkeiten der Bewegungssteuerung mit schnellerer, präziserer und zuverlässigerer Leistung im Vergleich zu herkömmlichen, rotatorisch motorgetriebenen Linearaktuatoren neu definiert. Die einzigartige Eigenschaft eines Linearmotors besteht darin, dass die Last ohne mechanische Kraftübertragungskomponenten bewegt wird. Stattdessen wird die vom Magnetfeld der Motorspule erzeugte lineare Kraft direkt an die Last gekoppelt. Dadurch werden mechanische Vorrichtungen überflüssig, die Drehbewegungen in lineare Bewegungen umwandeln, wodurch die Lebensdauer, Präzision, Geschwindigkeit und Gesamtleistung des Systems verbessert werden.

Da die Nachfrage nach höherer Produktivität, höherer Produktqualität, schnellerer Entwicklungszeit und geringeren Konstruktionskosten wächst, wird die Einführung der Linearmotortechnologie durch den Einsatz modularer Linearmotorkonstruktionen immer beliebter. Sie finden sich in der Messtechnik, in Präzisionsschneidsystemen, in Halbleiter- und Elektronikfertigungsanlagen, in der Waferhandhabung, in der Lithographie, in Bildverarbeitungssystemen, in medizinischen Geräten und Geräten, in Testsystemen, in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, in der Fließbandautomatisierung, in Druck- und Verpackungsanwendungen und in vielen anderen Anwendungen die einen hohen Durchsatz und eine hochpräzise lineare Bewegung erfordern.

Heute hat die neue Generation modularer Linearmotoren die Spielregeln verändert. Schlüsselfertige modulare Linearmotoren lassen sich einfach an ein System anschrauben und sind sofort betriebsbereit, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzt. Ingenieure können die leistungsstarken Vorteile der modularen Linearmotortechnologie jetzt in nur wenigen Tagen statt in Monaten oder sogar Jahren in ihre Maschinenkonstruktionen integrieren.

Neun Hauptkomponenten umfassen Linearmotorsysteme:

Eine Grundplatte

Eine Motorspule

Eine permanentmagnetische Spur (normalerweise Neodym-Magnete)

Ein Schlitten, der die Motorspule mit der Last verbindet

Lineare Lagerschienen, auf denen der Schlitten geführt und mit der Basis verbunden wird

Ein linearer Encoder zur Positionsrückmeldung

Endstopps

Eine Kabelstrecke

Optionaler Faltenbalg zum Schutz der Magnetspur, des Encoders und der Linearschienen vor Umweltverschmutzung.

Die Komponenten eines Linearmotordesigns müssen mit hoher Präzision und wiederholbaren Prozessen bearbeitet und montiert werden. Die richtige Ausrichtung dieser Teile ist von entscheidender Bedeutung und erfordert erhebliche Konstruktionsdetails und Montagekenntnisse. Beispielsweise müssen die Magnetschiene und die bewegliche Motorspule flach und parallel sein und mit einem bestimmten Luftspalt zwischen ihnen montiert werden. Die bewegliche Spule läuft auf einem Schlitten, der mit parallelen Präzisions-Linearlagerschienen über der Magnetschiene verbunden ist. Der Positionsencoder mit linearer Skala und Lesekopf ist ein weiterer wichtiger Teil eines Linearmotors, der ordnungsgemäße Ausrichtungsverfahren und eine robuste Montagekonstruktion erfordert, um Beschleunigungen von bis zu 5 G standzuhalten. Bei modularen Linearmotoren sind diese Details bereits berücksichtigt und sofort einsatzbereit.

Zur Steuerung der Bewegung des Linearmotors kommen hochentwickelte Motion Controller und Servoantriebe zum Einsatz. Linearmotoren haben hinsichtlich Steifigkeit und Frequenzgang einen klaren Vorteil. In bestimmten Frequenzbereichen weisen sie eine Steifigkeit auf, die herkömmliche Kugelumlaufspindeln um den bemerkenswerten Faktor 10 oder mehr übertrifft. Mit dieser Eigenschaft können Linearmotoren hohe Positions- und Geschwindigkeitsregelbandbreiten mit beeindruckender Präzision bewältigen, selbst bei externen Störungen. Im Gegensatz zu Kugelumlaufspindeln, bei denen häufig Resonanzfrequenzen zwischen 10 und 100 Hz auftreten, arbeiten Linearmotoren mit höheren Frequenzen, sodass ihre Resonanzen weit außerhalb der Bandbreite des Positionsregelkreises liegen.

Mit dem Wegfall der mechanischen Übertragung ist jedoch ein Kompromiss verbunden. Mechanische Komponenten wie Kugelumlaufspindeln tragen dazu bei, Störungen durch Maschinenkräfte, Eigenresonanzfrequenzen oder Schwingungen quer zur Achse zu verringern. Durch ihre Eliminierung sind Linearmotoren solchen Störungen direkt ausgesetzt. Folglich obliegt die Kompensation dieser Störungen der Motion-Controller- und Antriebselektronik, die diese direkt angehen muss, indem sie direkt auf die Servoachse einwirkt. Hier kommen die heutigen hochentwickelten Bewegungsalgorithmen mit geschlossenem Regelkreis ins Spiel, um Resonanzen zu eliminieren und eine bemerkenswerte Positionsregelkreisregelung zu ermöglichen.

Im Bereich der Linearantriebe bieten Linearmotoren außergewöhnliche technische Leistungsfähigkeit. Die Fähigkeit der Motoren, eine überlegene Steifigkeit aufzuweisen und bei höheren Frequenzen zu arbeiten, unterscheidet sie von herkömmlichen Alternativen. Indem sie Resonanzfrequenzen trotzen und auch bei externen Störungen eine hohe Präzision aufrechterhalten, bieten Linearmotoren eine überzeugende Lösung.

Das Fehlen einer mechanischen Übertragung erfordert jedoch robuste Kompensationsstrategien, um Störungen entgegenzuwirken und die kontinuierliche Leistung und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Die Abtastfrequenzen der Bewegungssteuerung für Geschwindigkeits- und Positionsschleifen beginnen typischerweise bei 5 kHz. Eine Linearmotorachse kann eine Positionsschleifenbandbreite haben, die fünf- bis zehnmal so groß ist wie die einer herkömmlichen Drehmotorachse, bei der Frequenzen von 1 oder 2 kHz akzeptabel sind. Einige aktuelle Motion-Controller können Abtastraten von 20 kHz oder mehr erreichen, was eine ultraschnelle Feedback-Steuerung und eine äußerst präzise Bahnsteuerung ermöglicht.

Da die meisten Hersteller von modularen Linearmotoren auch Experten für Bewegungssteuerung und Servos sind, wurden viele Herausforderungen im Regelkreis und mechanische Resonanzprobleme ebenfalls gut durchdacht und es werden Lösungen und Werkzeuge bereitgestellt, um diese Herausforderungen zu mildern.

Ich habe vor Jahren wertvolle Erfahrungen mit Linearmotoren gesammelt, als ein Team von Ingenieuren ein revolutionäres Projekt in Angriff nahm: die weltweit erste Laserschneidmaschine auf Linearmotorbasis zu entwickeln. Der Einsatz von Linearmotoren war die perfekte Lösung, um die Branche zu revolutionieren, da herkömmliche Linearantriebstechnologien, die von rotierenden Servomotoren angetrieben werden, nicht die mit Linearmotoren erreichbaren Hochleistungsfähigkeiten bieten konnten.

Die Implementierung der Technologie war keine leichte Aufgabe. Als wir uns mit dem Projekt befassten, stellten wir fest, dass unsere Anwendung Leistungsspezifikationen für Linearmotoren erforderte, die nicht im Handel erhältlich waren. Wir ließen uns nicht beirren und entschieden uns, Linearmotoren speziell für unsere Anwendung zu entwickeln.

Wir standen vor zahlreichen Herausforderungen, da wir ein 1.000 Pfund schweres Portalsystem mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s und einer Beschleunigung von 1,5 G bewegen mussten, was bedeutete, dass wir einen Linearmotor entwickeln mussten, der extreme Kräfte erzeugen konnte. Unser Team hat durchgehalten und unzählige Stunden in Forschung und Entwicklung gesteckt, bis wir schließlich einen Linearmotor entwickelt haben, der den Anforderungen unserer Laserschneidmaschine gerecht wird. Es war ein stolzer Moment, als wir 14 Monate später endlich unsere Linearmotoren in Aktion sahen, die das Portalsystem mit unglaublicher Geschwindigkeit, Leichtigkeit und Präzision antreiben. Die erbrachte Leistung war beispiellos. Es ist bemerkenswert, wie viel schneller unser Maschinenkonzept hätte fertiggestellt werden können, wenn es damals schlüsselfertige modulare Linearmotoren gegeben hätte.

Die Linearmotortechnologie hat sich stark weiterentwickelt, seit wir in den 90er Jahren mit der Entwicklung von Linearmotoren begonnen haben. Mit der Einführung neuer modularer Designs ist das Potenzial für Innovation und Fortschritt im Bewegungsdesign und bei Linearmotoren größer denn je. Modulare Linearmotoren definieren das Mögliche neu, mit schnelleren, präziseren und zuverlässigeren Bewegungssteuerungsfunktionen, die schnell eingesetzt werden können und für ein breites Anwendungsspektrum in vielen Branchen von Vorteil sind.

Eric Davidson ist Account Representative bei Motion Ai (Naperville, IL). Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2023 des Motion Design Magazine.

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