So erreichen Sie hochpräzise lineare Bewegungen!

Welche Motortechnologie für Ihre Anwendung am besten geeignet ist

Die am weitesten verbreitete Technologie für Präzisionsbewegungen sind die verschiedenen Varianten von Elektromotoren. Je nach Stromquelle unterscheidet man zwischen Gleichstrom- (DC) und Wechselstrommotoren (AC). Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist das Funktionsprinzip: magnetisch, elektrostatisch oder piezoelektrisch.

Auf Magnetismus basierende Gleichstrom- und Wechselstrommotoren

Auf Magnetismus basierende Gleichstrom- und Wechselstrommotoren sind die bekanntesten Motortypen, da sie in allen Bereichen des täglichen Lebens von Elektroautos bis hin zu Haushaltsgeräten vorkommen. Ohne auf alle Varianten von Magnetmotoren einzugehen, wollen wir uns die Typen, die für geewöhnlich in hochpräzisen Bewegungsanwendungen eingesetzt werden, genauer ansehen:

Gleichstrom-Servomotoren: Aufgrund des geschlossenen Regelkreises mit encoderbasiertem Positionsfeedback sind diese Motoren äußerst präzise und bieten eine sehr genaue Positionskontrolle. Sie kommen häufig in Anwendungen wie Robotik, CNC-Maschinen und anderen automatisierten Systemen, die eine präzise Steuerung erfordern, zum Einsatz.
Schrittmotoren: Ursprünglich waren diese Motoren die kostengünstige Alternative zu Servomotoren, da sie aufgrund ihrer eingebauten Leistungsstufen in der Lage sind, die Position zu regeln, wodurch sie ohne Rückkopplung mit einem Encoder für die Positionssteuerung mit offenem Regelkreis verwendet werden können. Diese Betriebsart erfordert beim Start einen Initialschritt und ist nur begrenzt leistungsfähig, da eine Überlastung zu Schrittverlusten und Positionierungsfehlern führen kann. Um diese Probleme zu überwinden, ist es heutzutage üblich, dass Schrittmotoren über eine Encoder-Rückkopplung verfügen und im geschlossenen Regelkreis arbeiten, wodurch sie eine echte Alternative zu Servomotoren darstellen.
Linearmotoren: Durch das „Abrollen“ von Stator und Rotor eines Elektromotors entsteht ein Linearmotor. Sie sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, z. B. bürstenlos, mit Bürsten, synchron oder induktiv. Neben Anwendungen in der Schwerindustrie, z. B. Magnetschwebebahnen, kommen sie auch in Präzisionsanwendungen wie der Halbleiterfertigung oder bei Präzisionstischen zum Einsatz, wo sie gegenüber Positioniertischen mit Gewindespindel- oder Kugelumlaufspindelantrieb Vorteile in Bezug auf Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit, Präzision, Geschwindigkeitskonstanz und Vibrationsvermeidung bieten.

Gibt es einen Unterschied zwischen Piezoantrieben und Piezomotoren?

Auf Piezoelektrizität basierende Lösungen sind im Bereich der hochpräzisen Bewegungen die Hauptkonkurrenten der oben genannten Lösungen. Hier unterscheiden wir zwei Hauptgruppen. Piezoantriebe und Piezomotoren.

Auf Magnetismus basierende Elektromotoren erzeugen in der Regel eine Drehbewegung (außer bei Linearmotoren). Um mit diesen Motoren eine lineare Bewegung zu erzeugen, wird ein Übergangsmechanismus benötigt. Hierfür kommen in den meisten Fällen Gewindespindeln und Kugelumlaufspindeln zum Einsatz.

Diese Komponenten sind bei Piezomotoren mit Direktantrieb hingegen nicht erforderlich, da die erzeugte Bewegung konstruktionsbedingt bereits linear ist. Darüber hinaus führt das Ausführen einer linearen Bewegung entlang des Umfangs eines Kreises zu Piezo-Rotationsmotoren mit Direktantrieb.

Warum ist es wichtig, das gesamte Bewegungssystem zu berücksichtigen und nicht nur den Motor?

Wie wir oben gesehen haben, kann eine hochpräzise lineare Bewegung oft nicht allein durch den Motor erreicht werden. Daher ist es wichtig, während des Entwicklungs- und Integrationsprozesses das gesamte Bewegungssystem zu berücksichtigen. Nehmen wir als Beispiel einen sehr günstigen Gleichstrommotor, der für eine bestimmte Aufgabe geeignet wäre, aber bei der Integration würde man feststellen, dass er ein Getriebe, ein Bremssystem und eine Gewindespindel- oder Kugelumlaufspindel-Lösung benötigt, um alle Betriebsanforderungen zu erfüllen. Auf der anderen Seite mag ein Piezomotor teurer sein, wenn man die Motorpreise vergleicht, aber aufgrund seiner besonderen Eigenschaften benötigt er keine zusätzlichen Komponenten, was die Beschaffung, Montage und Wartung wesentlich erleichtert. Dieses Beispiel zeigt, warum es sich lohnt, in Bewegungssystemen zu denken und nicht nur einzelne Komponenten zu betrachten. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich verschiedener Lösungen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben:

Technologie	Servo- und -Schrittmotoren (DC)	Linearmotor / Schwingspulenmotor	Piezomotor
Lineare Bewegungen	Konvertierbar	Ja	Ja
Rotationsbewegungen	Ja	Konvertierbar	Ja
Auto-Hold / Bremse ohne Leistungsaufnahme	Wenn ein zusätzlicher Mechanismus hinzugefügt wird	Wenn ein zusätzlicher Mechanismus hinzugefügt wird oder die Stromversorgung eingeschaltet ist	Ja, hochpräzises Halten der Position
Spiel beim Starten oder Beenden der Bewegung	Vorhanden, aufgrund des Spiels der hinzugefügten mechanischen Komponenten – kann mit speziellen Getrieben fast auf Null reduziert werden	Abhängig von der Kraft der Magnete und Spulen	Spielfrei
Kompromisse bei der Konstruktion	Kraft vs. Geschwindigkeit: Abhängig vom angebrachten Getriebe Auflösung vs. Preis: Für eine hohe Präzision werden ein leistungsstarker Encoder und Controller benötigt. Darüber hinaus wird für eine lineare Bewegung eine hochwertige Spindel benötigt Kraft vs. Preis: Für eine höhere Kraft wird mehr magnetisches Material benötigt	Hub vs Gewicht: Eine größere Hublänge erfordert mehr Magnete, die wiederum das Gewicht erhöhen Auflösung vs. Hub: Eine hohe Auflösung ist bei größeren Hublängen schwieriger zu erreichen Wiederholgenauigkeit vs. Preis: Trotz hoher Auflösung ist die Bewegung nicht absolut, was zu geringer Wiederholgenauigkeit führt	Kraft vs. Preis: Für eine höhere Kraft wird mehr keramisches Material benötigt Kraft vs. Hub: Für eine höhere Kraft sind kürzere Hublängen verfügbar Kraft vs. Geschwindigkeit: Eine höhere Kraft geht in der Regel auf Kosten der Motordrehzahl

Die Präzision eines Gleichstrommotors in Kombination mit Getrieben und einer Spindel hängt von mehreren Faktoren ab:

Übersetzungsverhältnis: Das Übersetzungsverhältnis bestimmt, wie stark die Drehung des Motors in die Drehung der Spindel übersetzt wird. Ein höheres Übersetzungsverhältnis ermöglicht eine genauere Kontrolle und höhere Präzision, kann aber zu Lasten der Geschwindigkeit gehen.
Motorsteuerung: Das Steuerungssystem für den Motor spielt eine wichtige Rolle. Präzise Steuerungssysteme, wie PID (Proportional-Integral-Derivative)-Regler, können dazu beitragen, eine genauere Positionierung und Geschwindigkeitsregelung zu erreichen.
Mechanische Konstruktion: Die mechanische Konstruktion des Getriebes und des Spindelsystems ist entscheidend. Jegliches Spiel oder Umkehrspiel im Getriebe kann zu Ungenauigkeiten führen.
Qualität der Komponenten: Die Qualität des Motors, des Getriebes und der Spindelkomponenten beeinflusst auch die Präzision. Hochwertige Komponenten führen in der Regel zu einer höheren Präzision und Zuverlässigkeit.
Rückkopplungssysteme: Das Hinzufügen von Rückkopplungssystemen wie Encodern oder Sensoren kann die Präzision erhöhen, indem Echtzeitinformationen über die Position und Geschwindigkeit des Systems übermittelt werden, was wiederum Anpassungen und Korrekturen ermöglicht.
Umgebungsfaktoren: Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Vibration können sich ebenfalls auf die Präzision auswirken.
Toleranz und Kalibrierung: Eine ordnungsgemäße Kalibrierung und Wartung ist für die Aufrechterhaltung der Präzision im Laufe der Zeit unerlässlich.

Mit der richtigen Kombination dieser Faktoren kann ein Gleichstrommotor in Verbindung mit einem Getriebe und einer Spindel im Allgemeinen ein hohes Maß an Präzision erreichen, das für verschiedene Anwendungen wie Robotik, CNC-Maschinen und Automatisierungssysteme geeignet ist. Die erzielbare Präzision hängt jedoch letztlich von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab sowie von den technischen Kompromissen, die bei der Entwicklung und Implementierung eingegangen werden.

Die Dimensionierung des Motors ist nur der Anfang…

In diesem Beitrag ging es um die richtige Dimensionierung eines Motors für eine relativ einfache lineare Bewegungsanwendung entlang einer Achse. Obwohl die gleichen Prinzipien auch für ein komplexeres System wie einen X-Y-Tisch oder einen Mehrachsen-Präzisions-Pick-&-Place-Mechanismus gelten, muss jede Achse separat auf Belastung analysiert werden. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt, der jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, ist die Wahl eines geeigneten Sicherheitsfaktors, um die gewünschte Lebensdauer des Systems (Anzahl der Zyklen) zu erreichen. Die Lebensdauer des Systems hängt nicht nur von der Motorgröße ab, sondern auch von den anderen mechanischen Elementen im System, z. B. dem Getriebe und der Gewindespindel-Baugruppe. Andere Faktoren wie Positioniergenauigkeit, Auflösung, Wiederholgenauigkeit, maximales Rollen, Nicken und Gieren usw. sind allesamt wichtige Aspekte, um sicherzustellen, dass das lineare Bewegungssystem die Anwendungsziele erfüllt oder gar übertrifft.

Um mit einem Gleichstrommotor in Kombination mit einem Getriebe und einer Spindel die gewünschte Präzision zu erreichen, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören das Übersetzungsverhältnis, die Motorsteuerung (z. B. PID-Regler), die Qualität der mechanischen Konstruktion, die Qualität der Komponenten, Rückkopplungssysteme, Umgebungsfaktoren und Kalibrierung. Die richtige Kombination dieser Faktoren kann zu einer hohen Präzision führen, die für Robotik, CNC-Maschinen und Automatisierungssysteme geeignet ist.

Die Motordimensionierung ist von entscheidender Bedeutung, wobei jede Achse separat auf Belastung analysiert werden muss. Verschiedene Motortypen wie Gleichstrom-Schrittmotoren sowie bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren haben ihre Stärken und Schwächen, die sich auf Faktoren wie Drehmoment, Geschwindigkeit, Kosten und Komplexität auswirken.

Vergleich verschiedener Gleichstrommotoren mit einem Piezo-Linearmotor

Gleichstrom-Schrittmotor

Stärken:

Open-Loop-Positionierung – Kein Encoder erforderlich.
Die Rotation benötigt ein einfaches „Impuls- und Richtungssignal“.
Hohe Drehmomentdichte bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Kann sich in einer „Stillstandsposition“ befinden, ohne die Temperaturgrenze zu überschreiten.
Kostengünstigste Lösung.

Schwächen:

Keine Positionskorrektur, wenn die Last das Ausgangsdrehmoment überschreitet.
Geringe Leistungsdichte – das Drehmoment nimmt bei höheren Geschwindigkeiten dramatisch ab.
Kontinuierliche Stromaufnahme auch im Stillstand.
Hohe Eisenverluste bei über 3000 U/min.
Spürbares Rastmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten (kann mit einem Mikroschritt-Antrieb verbessert werden).
Klingeln (Resonanz) bei niedrigen Geschwindigkeiten.

Bürstenbehafteter Gleichstrom-Servomotor

Stärken:

Lineare Geschwindigkeits-/Drehmomentkurve im Vergleich zu einem Schrittmotor.
Kostengünstige Antriebselektronik (4 Leistungsschaltgeräte).
In vielen verschiedenen Konfigurationen erhältlich.
Sehr gleichmäßiger Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Hohe Leistungsdichte – flacheres Drehmoment bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zu einem Schrittmotor.

Schwächen:

Motor hat bei Überlastung eine hohe Stromaufnahme.
Encoder erforderlich für Closed-Loop-Positionierung.
Begrenzte Geschwindigkeit aufgrund mechanischer Kommutierung.
Bürstenverschleiß.
Hoher Wärmewiderstand (Kupfer im Ankerkreis).

Bürstenloser Gleichstrom-Servomotor

Stärken:

Hohe Leistungsdichte – flacheres Drehmoment bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zu einem Schrittmotor.
Lineare Geschwindigkeits-/Drehmomentkurve im Vergleich zu einem Schrittmotor.
Elektronische Kommutierung – keine mechanischen Bürsten.
Hoher Wärmewiderstand (Kupfer im Statorkreis).
Höchstmögliche Geschwindigkeiten im Vergleich zu Schrittmotoren oder Gleichstrom-Bürstenmotoren.

Schwächen:

Höchste Kosten unter den drei Motortechnologien.
Motor hat bei Überlastung eine hohe Stromaufnahme.
Encoder erforderlich für Closed-Loop-Positionierung.
Höhere Antriebskomplexität und Kosten (6 Leistungsschaltgeräte).
Rotorpositionssensoren erforderlich für elektronische Kommutierung

Piezo-Linearmotor – Stärken und Schwächen

Stärken:

Äußerst präzise Positionierung bis in den Submikrometerbereich.
Schnelle Reaktion und eine hohe Beschleunigung.
Kein mechanisches Spiel oder Umkehrspiel.
Kompakte Größe und geringes Gewicht.
Keine magnetische Störung.
Vakuum- und reinraumtauglich.

Schwächen:

Begrenzte Kraftleistung.
Begrenzte Hublänge.
Vergleichsweise höhere Kosten.
Empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Erfordert komplexe Antriebselektronik und Steuerungsalgorithmen.
Anfällig für Verschleiß und Alterung im Laufe der Zeit.

Die Leistungsumwandlung in einem linearen Bewegungssystem beginnt mit dem Verständnis der Lastanforderungen und setzt sich in der Analyse der Motorstromversorgung fort. Nur so kann eine effiziente Bewegung gewährleistet werden. Jeder Motortyp bietet bestimmte Vor- und Nachteile, und die Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.