3-2015

Antriebe
oder Magnetlagern ist eine Positionsauflösung
bis zu wenigen
Nanometern erreichbar.
Kraft- und Positionsregelung
Aufgrund der Stromsteuerung
und der linearen Abhängigkeit
der Antriebskraft zum Strom
können magnetische Direktantriebe
nicht nur positions- oder
geschwindigkeitsgeregelt betrieben
werden, sondern auch kraftgeregelt.
Die Kraftregelung ermöglicht
den Betrieb von magnetischen
Antrieben und Verstellern
mit definierter Halteoder
Vortriebskraft. Die Kraftund
Positionssensoren können
gleichzeitig ausgelesen und
die Werte verarbeitet werden.
Dadurch ergeben sich neben der
reinen Kraftregelung die Optionen
einer unterlagerten Positions-
und Geschwindigkeitsregelung.
Eine Auto-Zero-Funktion
legt den Haltestrom fest, bei
dem der Antrieb im ungeregelten
Betrieb eine Kraft von 0 N
aufbringt, z.B. für die Kompensation
der Gewichtskraft.
Ein typischer Vertreter dieser
Klasse ist der magnetische
Linearversteller V-273 (Bild 4),
der optional mit einem eigens
entwickelten Kraftsensor verfügbar
ist. Bei ihm beträgt die
Kraftauflösung 0,025 N, also
umgangssprachlich 2,5 Gramm.
Mit der Ansteuerung über einen
digitalen Motion Controller lassen
sich so Aufgaben im Automatisierungsverbund
lösen, die
sowohl eine schnelle Positionierung
im Bereich von einzelnen
Mikrometern und darunter
erfordern als auch eine geregelte
Aktorkraft. Eine typische
Anwendung hierfür ist beispielsweise
die Funktionsprüfung von
Bedienelementen und Sensoren.
Flexible Anpassung an die
Anwendungsanforderungen
Da gerade im Bereich der
Präzisionspositionierung die
Anwendungen teilweise sehr
unterschiedliche Anforderungen
an die eingesetzten Antriebe
und Positioniersysteme haben,
passt Physik Instrumente alle
Systemkomponenten wie Motor,
Messsystem, Führungstechnologie
oder Ansteuerung auf die
anwendungs- oder kundenspezifischen
Anforderungen an.
Dadurch wird eine ähnliche
Technologietiefe und Flexibilität
erzielt, wie bei den piezokeramischen
Antrieben des gleichen
Herstellers. Zusammen mit den
Kenntnissen über Regelungstechnik,
Führungssysteme und
Nanometrologie-Sensorik sind
so auch bei den magnetischen
Direktantrieben individuelle
Lösungen möglich.
Für den Anwender macht es
dann praktisch keinen Unterschied,
nach welchem Antriebsprinzip
sein Positioniersystem
arbeitet. Er kann sicher sein,
dass er eine auf die Applikation
maßgeschneiderte Positionierlösung
erhält, einschließlich der
notwendigen Controller (Bild
5a und 5b) und Sensorik, z. B.
kapazitive, absolut messende
Sensoren oder optische Encoder.
Jenseits der Standardtechnologie
Für die Wahl des für eine
Positionieranwendung idealen
Antriebskonzepts gibt es
leider kein Patentrezept. Welche
Antriebslösung sich am
besten eignet, ist immer vom
Zusammenspiel vieler Parameter
abhängig, die die konkrete
Anwendung vorgibt.
Rotationsversteller beispielsweise
nutzen als Direktantrieb
sogenannte Torque-Motoren
(Bild 6). Sie überzeugen vor
allem durch ihre hohe Dynamik
und Positionsauflösung.
Sie werden z. B. in der Materialforschung
für die Probenbewegung
eingesetzt und können
hinsichtlich ihrer Belastbarkeit
frei skaliert werden. Sie
erreichen Geschwindigkeiten
bis 360 °/s; integrierte Encoder
ermöglichen eine direkte Positionsmessung
und als Option ist
eine Luftlagerführung möglich
(Bild 7), was z. B. in Präzisionsmaschinen
zu einem reibungsfreien
Betrieb sorgt.
Speziell ausgelegte Antriebstechnologien
erzielen hohe Dynamik
Durch spezielle Lösungsansätze
kann über die Standardtechnologien
wie Voice Coil und
Linearmotor hinaus eine weitere
Optimierung der Lösung vor
allem in Bezug auf Kraftdichte,
Energieeffizienz und Baugröße
erreicht werden. Hier setzt PI
beispielsweise auf Resonanzantriebe
mit bis zu 60 g Beschleunigung
oder Reluktanzantriebe
für extrem kompakte Bauformen.
Spezielle Magnetanordnungen
(z. B. Halbach Arrays)
können darüber hinaus auch
zur Gewichtsreduzierung der
bewegten Komponenten beitragen,
was abermals optimale
Dynamik und Wirkungsgrad
ermöglicht.
Beste dynamische Eigenschaften
erreichen z. B. Hexapoden
mit magnetischen PIMag
Direktantrieben (Bild 8); hier
sind Geschwindigkeiten von
mehreren hundert mm/s und
Beschleunigungen bis zu 4 g
möglich. Das spezielle Design
mit Festkörpergelenken verzichtet
völlig auf rollende und reibende
Elemente und ermöglicht
dadurch eine spielfreie Bewegung
ohne mechanisches Rauschen.
Unerwünschte Störfrequenzen
aus der Hexapod-
Mechanik beeinflussen also
die Messung nicht. Automatisierte
Testzyklen bei der Bewegungssimulation
mit hohen Frequenzen
lassen sich so mit großer
Beschleunigung und Geschwindigkeit
realisieren. Gleichzeitig
ist ein präzises Folgen vorgegebener
Trajektorien möglich.
Ein weiteres Beispiel, was sich
mit elektromagnetischen Antrieben
realisieren lässt, liefert der
PIMag 6D (Bild 9). Bei diesem
Positioniersystem schwebt der
passive Läufer auf einem magnetischen
Feld und wird durch
dieses aktiv. Objekte lassen sich
auf diese Weise mit bisher unerreichter
Führungsgenauig keit
(aktive Linearführung) in der
Ebene linear bzw. rotativ bewegen.
Ein wesentlicher Vorteil
dieses Prinzips ist das Fehlen
eines mechanischen Kontaktes
im Antriebsstrang und der Führung;
es gibt folglich keine Reibung.
Weil es keine Reibung
gibt, entsteht auch kein Abrieb,
der den Arbeitsraum verunreinigen
könnte. Außerdem sind
keine Schmiermittel notwendig;
dadurch können diese magnetisch
geführten Systeme gut im
Bild 4: Magnetischer Linearantrieb
mit optionaler Kraftregelung.
Bild 5: Komplette Systemlösungen
auch bei magnetischen Direktantrieben.
Bild 6: Planarscanner von PI mit
Luftlager und magnetischen
Direktantrieben.
Bild 7: Sechsachsiges Positioniersystem,
das auf magnetischem
Schweben basiert.
Vakuum oder unter Stickstoffatmosphäre
arbeiten. Bahnbewegungen
sind bei einer Beschleunigung
von bis zu 2 m/s² und
einer Geschwindigkeit von derzeit
bis zu 100 mm/s mit Nanometerpräzision
realisierbar. Den
magnetischen Direktantrieben
werden sich so zukünftig
viele weitere Einsatzbereiche
erschließen.
Physik Instrumente (PI)
GmbH & Co. KG
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www.pi.ws
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