Linear antreiben – magnetostriktiv messen - SWISS ENGINEERING ...

Magnetostriktive Positionssensoren_Antriebstechnik
Omni Ray AG
Linearmotor, entwickelt von der EAAT GmbH aus Chemnitz.
Linear antreiben – magnetostriktiv messen
Innovative Lineartechnik bewegt nicht nur Entwickler und Konstrukteure. Dynamische Linearmotoren übernehmen
Antriebs- und Transportaufgaben mit einer hohen Präzision, nicht zuletzt dank eines leistungs -
fä higen Messsystems nach dem Prinzip der Magnetostriktion.
Die Einsatzgebiete von Linearmotoren
sind vielfältig, denn
sie besitzen aufgrund ihres
Funktionsprinzips viele Vorteile.
Da der Linearantrieb elektrische
Energie unmittelbar in mechanische
Energie umwandelt,
entfällt eine mittels Getriebe
herbeigeführte Translation.
Ein magnetisches Wanderfeld
erzeugt die Schubkraft am
beweglichen Teil. Mechanische
Übertragungselemente entfallen,
so dass es ausser der Führung
keine Verschleissteile gibt – ideal
für Hightech-Anwendungen in
der Elektronik-, Automobil-,
Druck- oder Roboterindustrie
oder im allgemeinen Maschinenbau
bei Werkzeugmaschinen,
Schneidanlagen, Handlings-
und Montagesystemen
oder Verpackungsmaschinen.
Gekennzeichnet durch Dynamik,
Stellgenauigkeit, Langlebigkeit
und Wartungsarmut steigert
der Linearantrieb nicht nur die
Produktionsleistung, sondern
auch die Fertigungsqualität.
Ein Beispiel innovativer Lineartechnik
ist der von der EAAT
GmbH aus Chemnitz entwickelte
Direktantrieb. In Form eines
Langstatorsystems trägt der fest
montierte Stator als Primärteil
die Wicklung. 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 ermöglicht der flache
Motor eine konstruktive Integration
in das Maschinenkonzept
des Anwenders.
Präzis geregelt
Ein Frequenzumrichter mit
Anbindung an den Steuerungsrechner
und ein magnetostriktives
Messsystem komplettieren
den Linearmotor zu einem
präzise geregelten Antrieb. Der
von EAAT entwickelte 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 Sensor 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
mittels magnetostriktiver
Effekte berührungslos durch
die Gehäusewand des Rohrs.
Auf systembedingte Öff nungen
im Messsystem kann verzichtet
werden.
Vor, während und nach dem
Verfahrvorgang meldet das
magnetostriktive Messsystem
fortlaufend den Lage-Istwert
des Schlittens zurück an die
Elektronik. Durch die synchrone
Messung steht stets ein zeitgenauer
Messwert zur Verfügung,
der bei Bedarf am Rechner visualisiert
werden kann. Auf Basis
des Lage-Istwerts 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.
Präzise, dynamisch
und ruckfrei
Ausgelegt für kleine Lasten bewegt
der Linearmotor zwischen
0,05 und 1 kg. Ob in der Mikroelektronik,
Nanotechnik, Labortechnik,
Photovoltaik oder in
der Montage- und Verpackungstechnik
der verschiedensten
Industriebranchen: Mit einer
Schubkraft von 10 N übernimmt
der Linearmotor präzise 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 positioniert
werden.
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Antriebstechnik_Magnetostriktive Positionssensoren
Omni Ray AG
Lage-Istwert
Rechner
Positionssensor
Schlitten
Doch nicht nur die Position des
Schlittens, sondern auch seine
Geschwindigkeit und Beschleunigung
von 10 m/s 2 werden von
dem Sensor der Marke Temposonics
erfasst. Bei Geschwindigkeiten
im Bereich von 0,5
bis 1000 mm/s bewegt sich das
Sekundärteil ohne Rastkräfte
ruck- und rastfrei und mit hoher
Geschwindigkeitskonstanz.
Voraussetzung für die Realisierung
der niedrigen Geschwindigkeiten
ist die Genauigkeit des
Messsystems. Die eingesetzte R-
Serie mit SSI Ausgang von Temposonics
löst bis zu 1 µm herab
und verfügt über leistungsstarke,
integrierte Elektronik. Zudem
sind eine schnelle und sichere
Ankoppelung an die Steuerung
und ein störsicherer Datentransfer
möglich. Mit Messraten bis
zu 4 kHz und Übertragungsgeschwindigkeiten
bis zu 1,0 MBd
je nach Übertragungsstrecke
garantieren die SSI-Sensoren der
R-Serie im Linearmotor hohe
Dynamik. Eine vom maximalen
Arbeitshub abhängige Linearität
von 30 bis 60 µm sichert das
Ansteuern definierter Positionen.
Ein weiterer Vorteil: Beim
Einschalten des Linearantriebs,
bei mechanischen Kollisionen
oder nach einem Stromausfall
Positionsmagnet
Zur Positionsrückmeldung ist ein Sensor in Stab-Bauform
mit dem Sensorrohr parallel zum Langstator fest montiert.
~
=
=
~
Langstator
ist keine Referenzmarkenanfahrt
notwendig und somit ist der
Antrieb ständig einsatzbereit. Im
laufenden Betrieb steuern die
Sensoren mit einer Wiederholgenauigkeit
besser als +/– 4 µm
exakt eine bereits angefahrene
Position wieder an. Unerlässlich,
wenn es um die exakte Positionierung
– zum Beispiel eines
Bauteils zur Bedampfung – geht.
Ohne Verschleiss
Die Leistungsfähigkeit von
Temposonics-Sensoren gründet
auf der – von MTS vor über 30
Jahren entwickelten – magnetostriktiven
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
Netzteil
Frequenzumrichter
Antwortsignals errechnet wird.
Durch die Nutzung von magneto-mechanischen
Effekten ist
kein direkter Kontakt zwischen
dem positionsgebenden Magnet
und dem Messelement notwendig.
Deshalb arbeitet das
Messsystem berührungslos und
verschleissfrei. Ein auf Torsionsimpulse
reagierendes Empfängersystem
bringt den Vorteil der
Vibrationsunempfindlichkeit, da
sich Torsionswellen kaum durch
äussere mechanische Störungen
erzeugen lassen.
Durch die Verwendung eines
nach dem magnetostriktiven
Prinzip arbeitenden Sensors
wird für den Linearmotor kein
Ka belschlepp mehr benötigt
– wie zum Beispiel bei der inkrementellen
Messung erforderlich.
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.
Einsatzvielfalt
Die magnetostriktiven Positionssensoren
eignen sich für viele
Einsatzgebiete, denn durch
ihre vielfältigen Bauformen,
Messlänge und Schnittstelle sind
sie äusserst flexibel. Beispielsweise
ermöglicht der RF-Sensor
mit biegsamem Messstab Linearmessungen
auf nicht grad -
liniger Strecke bis zu 15 m. Da
bei Positionieraufgaben oft
mehrere Positionen angefahren
werden müssen, misst ein einzelner
Temposonics-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.
Vergleich
Bei der Wahl des idealen
Messsystems für den Linearantrieb
unterzog EAAT den
Temposonics-Sensor einem
Vergleich mit anderen Anbietern
magnetostriktiver Sensorik. Der
Positionssensor von MTS zeigte
sich im Praxistest 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
kurzerhand das zuvor
eingebaute Produkt durch einen
Temposonics-Sensor. Dieser sicherte
– nach Aussage von EAAT
– letztendlich die Inbetriebnahme
des Linearmotors.
Omni Ray AG
Im Schörli 5
8600 Dübendorf
Tel. 044 802 28 80
www.omniray.ch
Info
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