Robust, dynamisch, zuverlässig und platzsparend

Kleinstantriebe beflügeln Maschinenbau-Innovationen

Servoantriebe mit integriertem Controllerbaustein und Anschlusssteckern für schnelle Montage. Bild: Faulhaber

Über Wirtschaftlichkeit und Produktgüte entscheidet nicht unbedingt die Komplexität einer Fertigungsanlage. Oft sind einfache, aber durchdachte Lösungen die wahren Fortschrittsbringer. Dies gilt zum Beispiel für Positioniertische, Spann- und Schwenkeinheiten, oder auch für die werkstückabhängige Steuerung von Laserschweißköpfen ohne komplizierte Zusatzausrüstung. Dies bringt in der Fertigungspraxis häufig deutliche Vorteile gegenüber so genannten „High-tech“ Lösungen. In all den genannten Fällen arbeiten Kleinstmotoren als Helfer im Hintergrund. Sie übernehmen den mechanischen Antrieb und sogar teilweise interessante Sonderaufgaben, beispielsweise als „Sensoren“.

Gerade für Aufgaben in der Fertigung, bei denen höchste Präzision, kräftiges Zupacken oder kurze Zykluszeiten erforderlich sind, machen sich die Kraftzwerge zunehmend unverzichtbar. Entsprechend der Vielzahl der gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen in diesem Bereich bietet der Kleinstantriebsexperte FFAULHABER eine breite Palette unterschiedlichster, aufeinander abgestimmter Antriebe, Controller, Sensoren und Steuerungen an, die praktisch alle Anforderungen der Konstrukteure abdecken können. Im Folgenden werden beispielhaft drei Anwendungen im Werkzeugbau näher erläutert.

Elektropneumatischer Hybrid

Bei vielen Handlings- und Automatisierungsaufgaben ist es erforderlich, ein Werkstück oder Werkzeug in eine bestimmte Position zu drehen. Die Anforderungen an die Schwenkeinheiten sind dabei groß. Erwartet werden schnelle, präzise Bewegung, kraftvoller Lauf, Wartungsarmut etc. Eine einfache, kräftige Drehbewegung erhält man, wenn zwei Pneumatikzylinder per Kolbenzahnstange auf eine Welle mit Ritzel wirken. Diese Lösung hat allerdings einen gravierenden Nachteil: Eine feste definierte Position schnell anzusteuern ist auf diese Weise auch mit hohem Steuerventilaufwand kaum möglich. Wählt man stattdessen elektrische Antriebe, so fehlt bei kleinem Bauraum die nötige Kraft.

Hybridantrieb im kompakten Gehäuse hat den „Dreh“ raus. Bild: Schunk

Der Hybridantrieb im kompakten Gehäuse hat den „Dreh“ raus.
Bild: Schunk

Dieses Dilemma löst eine Schwenkeinheit, die beide Antriebsvarianten miteinander kombiniert. Die Pneumatik bringt die bekannt hohe Leistungsdichte mit, der DC-Motor sorgt für kurze Reaktionszeiten und feine Regelbarkeit. Der wartungsfreie Servomotor mit dauergeschmierten Lagern zieht unmittelbar nach dem Startsignal der SPS an. Mit der prinzipbedingten Verzögerung steuert dann die Pneumatik als „Turbo“ das nötige Drehmoment bei. So ist ein sofortiger, weicher Anlauf und eine kraftvolle Beschleunigung sichergestellt. Beim Abbremsen beendet zuerst die Pneumatik den Vortrieb und der Elektromotor fährt die Einheit präzise auf Position. Zusätzlich wirkt die Pneumatik als definiert einstellbare sanfte Bremse, verschleißanfällige hydraulische Stoßdämpfer sind nicht notwendig. Über digitale Ein/Ausgänge lassen sich bis zu fünf Positionen ohne Programmieraufwand einstellen. Dank des einfachen Regelverhaltens der 24-V-DC-Kleinmotoren ist ein Schwenkbereich von 180° bei einer Positioniergenauigkeit von nur 0,03° möglich. Da die Klein-Motoren im 4-Quadrantenbetrieb sowohl Antriebs- wie Bremsfunktionen übernehmen, eignen sie sich gut für diesen Positionierungsbetrieb.

Schnelle Positionierung im Sub-Mikrometer-Bereich

Das neue System: Die beiden Antriebselemente für Grob- und Feinpositionierung sind deutlich zu sehen. Bild: Feinmess Dresden

Das neue System: Die beiden Antriebselemente für Grob- und Feinpositionierung sind deutlich zu sehen.
Bild: Feinmess Dresden

Ob Elektronik, Mechanik oder Biologie, in all diesen Bereiche stellen kleinste Strukturen hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit. Um Positionen im Sub-Mikrometer-Bereich zuverlässig anfahren zu können, ist Know-how gefragt. Piezoantriebe sind für feinste Schrittweiten bekannt; leider ist ihre Geschwindigkeit für längere Strecken jedoch meist unzureichend. Aber auch die Lösung durch mehrstufige, hoch untersetzte und spielfreie Getriebe die sehr hohen Auflösungen zu erreichen, reduziert die Dynamik. Ein patentiertes System aus schnellem DC-Motor in Kombination mit hochpräzisem Piezorotationsantrieb an einer gemeinsamen Spindel verbindet nun Präzision und Dynamik im µm-Bereich. An jedem Ende eines Kugelgewindeantriebs für einen Linearstelltisch ist jeweils einer der beiden Motoren platziert.

Für die schnelle Zustellung im Hochgeschwindigkeitsmodus reicht beispielsweise als Antriebselement ein über eine Balgkupplung mit der Welle verbundener konventioneller DC-Bürsten-Motor mit Rotationsencoder. Da seine Betriebszeit relativ gering ist, ist auch der Wärmeeintrag durch den Motor minimal und vernachlässigbar. Im Positionierbetrieb schaltet das System bei einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s energielos, also ohne Wärmeeintrag, über eine permanentmagnetische Kupplung auf den rotorischen Piezomotor um, der die hochpräzise Feinpositionierung übernimmt. In der Ruhelage arbeitet dieser dann als passive Spindelbremse, dämpft Schwingungen und verhindert ungewollte Bewegungen des Tischsystems. Für den Einsatz im Dual-Speed-Linearstelltisch eignen sich herkömmliche graphitkommutierte Präzisionsmotoren. Die Standard-Motoren wurden vom Schönaicher Antriebsspezialisten auf die Anwendung hin angepasst, das spart Entwicklungszeit und Kosten.

Laserschweißen per „Drahtführung“

Bislang nimmt beim automatischen Laserschweißen eine Kamera den Verlauf der Fügefuge auf, der Rechner wertet das Bild aus und gibt dem Schweißroboter entsprechende Steuerungsbefehle. Dieser positioniert dann den Laserkopf. Nachteil dieser Lösung ist die verzögerte Bewegung des Kopfes, er „hinkt“ immer dem Kamerabild hinterher. Einen völlig anderen, rein mechanischen Ansatz, ähnelt der Orientierung von Blinden mit einem Blindenstock. Er vermeidet solche Schwierigkeiten, indem er die Gegebenheiten geschickt nutzt: Am Stoß zweier Bleche ergibt sich immer ein Absatz, ebenso beim Schweißen im Winkel, entweder durch Überlappung der Bleche oder durch den Fügespalt. Für die Schweißung wird heute häufig Zusatzmaterial per Zuführungsdraht in den Schweißfokus eingebracht. Ein „Tastdraht“ ist daher fast immer vorhanden. Der Zusatzdraht wird nun leicht gegen die Kante des überlappenden Bleches gedrückt und diese Kraft als Parameter für die Kopfsteuerung verwendet, so folgt der Schweißfokus exakt dem Stoßverlauf. Dies geschieht ohne Verzögerung simultan zur Bewegung des Kopfes. Abweichungen durch Toleranzen am Werkstück gleicht ein solches Vorgehen unverzüglich aus. Die Naht wird so immer genau an der Stelle aufgebracht, an der sie verfahrenstechnisch sein muss. Da diese Abtastung rein mechanisch funktioniert, spielen weder optische Reflexion noch Beleuchtung oder unterschiedliche Blechoberflächen eine Rolle. Die Steuerung des Laserkopfes übernimmt selbst die Feineinstellung und den Toleranzausgleich an der Naht im Bereich von ±5 mm; der Roboterarm dient nur der Grobführung.

Der Sinusmotor mit integriertem Controller sorgt für die exakte Nachführung des Schweißkopfes. Bild: Scansonic

Der Sinusmotor mit integriertem Controller sorgt für die exakte Nachführung des Schweißkopfes.
Bild: Scansonic

Der eingesetzte Sinusmotor des Kleinstmotorenspezialisten ist für diesen Anwendungsfall optimal geeignet. Die äußerst kompakte Bauform mit integriertem „Huckepack“-Motion-Controller erlaubt, den Kopf klein und leicht zu gestalten. Die leichtverständliche Software des Motion Managers erleichtert die Abstimmung auf die jeweiligen Schweißparameter. Dazu ist die feinfühlige Auswertung der Betriebsdaten des Motors notwendig. Die integrierte Steuerungselektronik misst den Antriebsstrom des Motors und wertet ihn als „Kraftsignal“ aus. Zusätzlich erlauben die integrierten analogen Hallsensoren eine Positionserkennung. Aus Lage und Stromstärke wird so das nötige Steuerungssignal für den Laserkopf errechnet. Da der Motor sehr dynamisch ausgelegt ist, ist bei Abweichungen von den eingegebenen Werten sehr rasch nachgeregelt. Der Sinusmotor übermittelt die Daten per RS-232-Schnittstelle oder CAN-Schnittstelle zur Steuerung. Für andere Einsatzbereiche gibt es Motor und Controller auch getrennt. Der Controller kann so in anwenderspezifische Systeme integriert werden.

Nicht nur im Maschinenbau lassen sich mechanisch arbeitende Komponenten durch Kleinstantriebe in vielen Eigenschaften verbessern. Oft ist dazu kein großer Zusatzaufwand nötig, Encoder, Controller oder Reduziergetriebe gehören heute zum Standardprogramm. So kann selbst bei ausgefallenen Anwendungen oft mit Lösungen „von der Stange“ oder mit nur geringfügigen Anpassungen ein optimales Ergebnis erzielt werden. Das spart Entwicklungszeit und Kosten.

Titelbild: Faulhaber

Andreas Zeiff

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

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