4-2015

tisch unbegrenzte Hübe erreicht
werden. Solche Motoren werden
sowohl für sehr hohe als auch für
sehr geringe Vorschubgeschwindigkeiten
eingesetzt und arbeiten
präzise in einem Bereich von
unter 0,1 μm/s bis zu über 5 m/s.
In Kombination mit Luft- 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 Halte- oder Vortriebskraft.
Die Kraft- und 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.
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 Antriebs prinzip
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 ausgelegt
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.
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
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
info@pi.ws
www.pi.ws
meditronic-journal 4/2015
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