24 A N T R I E B ST E C H N I K DC-LINEAR-ANTRIEBSSYSTEM www.polyscope.ch Antriebssystem mit kompaktem Aufbau Für kraftvollen Schub und dynamische Bewegungen Lineare Bewegungen sind in vielen technischen Bereichen gefragt. So zahlreich und anspruchsvoll wie die Anforderungen, sind auch die diversen Antriebsausführungen. Lässt man exotische Anwendungen einmal weg, so kommen eigentlich nur pneumatische Antriebe, Klein- und Kleinstmotoren mit (Spindel-)Getriebe und Linearmotoren in Betracht. » Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee Ein Linearantrieb verbindet die schnelle und einfache Regelung eines elektrischen Systems mit dem einfachen Aufbau pneumatischer Zylinder. Wie bei den «Rotationsmotoren» muss auch hier den speziellen Gegebenheiten der Kleinantriebe Rechnung getragen werden. Das bedeutet aber nicht unbedingt Nachteile, sondern eröffnet kreativen Ingenieuren auch grosse Chancen. Bisherige Linearmotoren sind meist als «Oberflächenläufer» mit Schlitten und Führung ausgeführt, eine Bauform, die nicht unbedingt in jede Anwendung einzupassen ist. Die Tessiner Spezialisten setzten daher von vornherein auf eine neue, rotationssymmetrische Ausführung des Läufers. Zusammen mit einem rechteckigen, leicht anflanschbaren Stator ergibt sich so eine fast universelle Passform. In Zahlen bedeutet dies: Der Stator (Motor) misst nur 12,5a19,9a49,4 mm inklusive Steckeranschluss (Bild 1). Den Läuferstab gibt es momentan in zwei Varianten mit jeweils 6,3 mm Durchmesser und 82 bzw. 154 mm Länge. So sind Hublängen von bis zu 20 bzw. 80 mm möglich. Dies ist ausreichend für viele Kleinantriebsanwendungen. Beide Motorkomponenten zusammen wiegen nur 57 bzw. 74 g. Der Läuferstab ist mit superstarken Permanentmagneten bestückt Der Antrieb setzt sich aus nur wenigen Einzelteilen zusammen, für den Anwender sind es eigentlich sogar nur drei, der Stator (Motor), der Stecker mit Kabel und der Läuferstab. Der Motor selbst baut auf einem nichtmagnetischen Stahlgehäuse auf. In diesem sitzen eine Bild 1: Der lineare DC-Servomotor in Kompaktbauweise selbsttragende Drehstromspulenwicklung sowie die Hülsenlagerung des Läufers aus speziellem Gleitlagermaterial. Unter der oberen Abdeckung verstecken sich noch eine Platine mit einer gedruckten Schaltung für die drei Hall-Sensoren zur Positionsbestimmung sowie der Steckeranschluss. Der Präzisions-Metallgleitstab, d.h. der Läuferstab, ist mit superstarken Permanentmagneten bestückt (Bild 2). Gleitlagerung des Läuferstabs erlaubt Geschwindigkeiten bis 2,7 m/s Diesen durchdachten Aufbau erkennt man in den mechanischen Kenndaten wieder. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 3,1 N, als Spitzen-/Stosskraft stehen sogar bis zu 9,4 N zur Verfügung. Je nach Belastungsfall beträgt die Beschleunigung für die 20-mmVariante 176 m/s2 – 18-fache ErdbeschleuniPolyscope 12/09 Bild 2: Nur wenige Teile sorgen für hohe Effizienz und Positioniergenauigkeit gung – und für die 80-mm-Variante immer noch 92 m/s2 . Dabei verkraftet die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes problemlos Geschwindigkeiten bis 2,7 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs mit –20 bis +125 °C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig mittels eines Motion-Controllers regelbar. Die Auflösung beträgt 6 µm, die Wiederholgenauigkeit 40 µm. Die drei linearen Hallsensoren in 25 A N T R I E B ST E C H N I K &)&%#/ DC-LINEAR-ANTRIEBSSYSTEM *%!$.)(()*$'") !#+& -*).!#+&, Verbindung mit dem Motion-Controller begrenzen den maximalen Positionierfehler, d.h. die Differenz zwischen vorgegebener Wissen Linearantriebe bieten Vorteile Geradlinige, also lineare Bewegungen lassen sich auf unterschiedliche Weise erzeugen. Nach dem noch oft angewendeten klassischen Prinzip wird dazu eine Drehbewegung «umgerichtet». Die verwendete Mechanik ist je nach Einsatzfall und Anforderung unterschiedlich: Eine einfache Seilzugvorrichtung kommt ebenso in Frage wie eine hochgenau gefertigte Gewindespindel. Auch Zahnstangenantriebe oder Vorrichtungen mit Laufrad sind in der Praxis zu finden. Allen diesen Lösungen ist eines gemeinsam: sie unterliegen thermischer Ausdehnung und mechanischem Verschleiss. Je grösser die Anforderungen an die Präzision werden, umso mehr leidet die exakte Positionierung unter der Abnutzung. Gerade Kleinund Kleinstantriebe stellen schon vom Funktionsprinzip her sehr hohe Anforderungen an die Präzision. Daher sind nur hochwertige Polyscope 12/09 Werkstoffe und aufwendige Fertigungsverfahren Garant für lange, zuverlässige Funktion. Nutzt man statt diesen klassischen Lösungen Linearantriebe, so ändert sich die Situation drastisch. Da hier schon der Antrieb an sich durch das elektromechanische Prinzip für die lineare Bewegung sorgt, entfallen alle mechanischen Zwischenglieder. Der Antrieb ist also immer gleichbleibend exakt positioniert. Die wirklich erreichbare Auflösung hängt dabei schlussendlich nicht von eventuellem Verschleiss, sondern nur vom mechanischen Grundaufbau (Magnet-/Spulendesign) und vor allem von der Genauigkeit des jeweils verwendeten Längenmesssystems in der spezifischen Anwendung ab. Zusammen mit einem geeigneten Encoder am Motor sowie einem darauf abgestimmten Motion Controller ergibt sich so eine dauerhaft reproduzierbare Präzision. Da alle Werte nur rein elektrisch bestimmt sind, spielen mechanische Toleranzen, Verschleiss und thermische Ausdehnung der Komponenten keine Rolle. Die «Mechanik» des Läuferstabs ist hier nur noch das Übertragungsmittel der elektromagnetisch generierten Kraft und hat selbst keinerlei modifizierende Wirkung auf Krafterzeugung und Position. %HYG O7";;7 "=9" 9"4" +VO7>"ZZ"+7=2" DO/9+?PV9" HI,Y>#D:=;=" 2VPS H=" -"> O7"?7 D4O 5Y-=7( AY-=7 49& \Y-=7 HI,YO( &=" D;;" 0UM VP@D9=O="P7 O=9&S [="Z"P-DP" !"?C4O" O=9& AA>GHLJ5 49& A\>*!,S !"9"P";; ?D-"9 D;;" 2"PZ3@-DP"9 F"PO=> V9"9 "=9" E4@P=ZZO."=7 2V9 XX9O 49& "=> 9"9 ,P-"=7O7":T"PD74P-"P"=+? 2V9 >AK$' -=O Q\X$'S ,;;" HT"=+?"P O=9& T=9>49& Z49<7=V9O<V:TD7=-"; .4 &"9 7PD&=7=V9";; D: YDP<7 -"<D997"9 HI,YOS WV2=7PV9=+ ,! G?4P@D4"PO7PDOO" NA R \KXK E3P=+? 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Realisieren Sie mit LabVIEW: Motion-Controller ist Nervenzentrale ■ ■ ■ ■ Motorsteuerung mit Programmable Automation Controllers (PACs) von NI und Schleifenraten bis zu 200 kHz (5 µs) Integration von Messungen, I/O und Bildverarbeitung Direkte Anbindung an eine Vielzahl von Steuereinheiten und Motoren Schnelle und einfache Anpassung von Controllern für anspruchsvolle Anwendungen mit NI SoftMotion Laden Sie Ihr Resource Kit zur Motorensteuerung jetzt unter ni.com/motion/d herunter. 056 2005151 National Instruments Switzerland Corp. Austin, Zweigniederlassung Ennetbaden Sonnenbergstr. 53 • CH-5408 Ennetbaden Tel.: +41 56 2005151 • Fax: +41 56 2005155 [email protected] • ni.com/switzerland ©2008 National Instruments Corporation. Alle Rechte vorbehalten. LabVIEW, National Instruments, NI, ni.com und NI SoftMotion sind Warenzeichen von National Instruments. Andere erwähnte Produkt- und Firmennamen sind Warenzeichen oder Handelsbezeichnungen der jeweiligen Unternehmen. 2008-9415-341-117-I Druckfehler, Irrtümer und Änderungen vorbehalten. Für die neuen Antriebe stehen als Steuerungszentrale besonders abgestimmte Controller bereit (Bild 3). Nur so lässt sich das mechanische Potenzial richtig steuern und nutzen. Die 4-Quadranten-Controller arbeiten im Spannungsbereich von 12 bis 30 VDC mit einer PWM-Schaltfrequenz von 78 kHz. Der Wirkungsgrad liegt bei sehr guten 95 Prozent. Es gibt momentan zwei Varianten, die jeweils 3 bzw. 6 A Dauerausgangsstrom abgeben können. Beide Varianten sind wahlweise mit RS 232- oder CAN-Schnittstelle ausgestattet. So lassen sie sich einfach anschliessen, programmieren und vernetzen. Der nutzbare Geschwindigkeitsbereich (entspricht dem Drehzahlbereich rotierender Motoren) liegt bei 1 bis 10 000 mm/s, die dafür nötige Encoderauflösung mit den internen Hallsensoren beträgt 3000 Impulse auf 18 mm. Mit externem Encoder sind sogar bis zu 65 535 Impulse realisierbar. Drei teilweise frei programmierbare Ein/ Ausgänge sowie ein Speicher für Ablaufprogramme mit 3,3 kWord (zirka 1000 Befehle) bringt die Antriebsintelligenz vor Ort. PI-Geschwindigkeitsregler für hohen Gleichlauf, Geschwindigkeitsprofile, Positionierbetrieb oder Betrieb als Kraftregler durch einstellbare Strombegrenzung sind nur ein Teil der Fähigkeiten des neuen Kraftzwergs. Auch Schrittmotorbetrieb, Gearing Mode (elektronisches Getriebe), analoger Positioniermodus (Positionsregelung auf Analogspannung), analoge Stromvorgabe und externer Impulsgeber als Istwertgeber sind im erweiterten Betriebsbereich möglich. Zur Programmierung stehen die umfangreichen Befehlssätze und die komfortablen Programme des Faulhaber-Motion-Managers zur Verfügung (Bild 4). Bild 3: Die Nervenzentrale «Motion Controller» ist exakt auf die Linear-Mechanik abgestimmt Bild 4: Das schicke Starterkit erlaubt den schnellen Einstieg Einfache Installation und schnelle Programmierung Der neue Direktantrieb bietet gegenüber herkömmlichen Lösungen viele Vorteile. Er eignet sich für zyklische Bewegungsabläufe ebenso wie für Positionieraufgaben. Lineare Bewegungsvorgänge und Positionieranwendungen lassen sich mit dem Motion-Manager am PC generieren. Für den Anwender bedeutet dies einfache Installation, schnelle Programmierung oder nachträgliche Anpassung sowie die lange Lebensdauer. Der wartungsfreie Aufbau senkt die Kosten für Installation und Wartung. « Infoservice Minimotor SA 6980 Croglio Tel. 091 611 31 00, Fax 091 611 31 10 [email protected], www.minimotor.ch Polyscope 12/09
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