Lineare DC-Servomotoren für flüssige, dynamische und „lebendige“ Bewegungen:

Perfekte Choreografie ist eine Frage der Präzision

Kleinstantriebe leisten heute in den unterschiedlichsten Anwendungen beachtliches. Klein, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung und möglichst geräuschlosem Lauf sind aber nicht nur Anforderungen, die viele industrielle Anwendungen an die Antriebe stellen. Bei der kinetischen Skulptur „Projekt Anthozoa“ beispielsweise, die das Bewegungsmuster der wirbellosen Blumentiere nachempfindet, sorgen viele kleine lineare DC-Servomotoren für flüssige, dynamische und damit lebensechte Bewegungen.

Linearmotoren können recht unterschiedlich konstruiert sein, denn grundsätzlich lassen sich „drehende“ Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten. Die DC-Linearantriebe der Serie „Quickshaft“ aus dem Hause FAULHABER beispielsweise sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen besonders gut eignen. Typische Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen bis hin zu Scanning-Applikationen beispielsweise in der Mikroskopie. Inzwischen haben die kompakten DC-Linearantriebe sich aber auch in eher ungewöhnlichen Anwendungen bewiesen. Die kinetische Skulptur „Project Anthozoa“ – eine Kooperation der MTK AG, flying saucer und FAULHABER – liefert dafür ein beeindruckendes Beispiel und veranschaulicht gleichzeitig, was die kleinen Antriebe leisten können.

Natur künstlich und künstlerisch nachbilden

Mit der Leidenschaft zu begeistern und Wissen lebendig zu vermitteln sowie der Überzeugung, jedes noch so abstrakte und technische Thema zu einer aufregenden Erfahrung machen zu können, führen die Designer von flying saucer (Berlin) und die Ingenieure der MKT AG (Olching) mit „Projekt Anthozoa“ ein uraltes menschliches Streben fort: Natur künstlich nachzubilden. Von den ersten Höhlenmalereien bis zu moderner Robotik setzte die Technik hier stets Grenzen, eröffnete aber auch immer wieder neue Möglichkeiten. Jetzt galt es weg von der gemeinhin mit „Robotern“ verbundenen eher tollpatschigen Nachahmung zu kommen, und stattdessen eine fließende, natürlich wirkende Bewegung ohne erkennbare technische Einschränkung zu erreichen, und das mit Hilfe der Faulhaber-DC-Servomotoren.

Gute Voraussetzungen dafür haben die kleinen Antriebe: Sie kombinieren Geschwindigkeit und Robustheit pneumatischer Systeme mit Flexibilität und Zuverlässigkeit elektromechanischer Linearmotoren. Ihre Konstruktion mit der selbsttragenden Dreiphasenspule im massiven, antimagnetischen Statorgehäuse sorgt für hohe Leistung und Dynamik mit streng linearem Kraft-Strom-Verhältnis – bei überraschend geringem Einbauvolumen. Auf dieser Basis sind dann hochdynamische Bewegung ohne Rastmomente, also auch flüssige, lebensechte Bewegungen realisierbar, zumal eine exakte Positionskontrolle über die in den Motoren integrierten Hallsensoren einfach möglich ist.

Balance und Schwerelosigkeit

Mit diesen Eigenschaften im Hinterkopf stießen die Industrie-Designer und Ingenieure auf das Buch „Kunstformen der Natur“ des Naturforschers und Universalgelehrten Ernst Haeckel (1834 bis 1919), das 100 Drucke mit Bildtafeln verschiedener Organismen enthält, die größtenteils von Haeckel zum ersten Mal beschrieben wurden. Besonders angetan hatten es ihnen dabei die Anthozoa (Blumentiere). Diese größte Klasse der Nesseltiere wurde Inspirationsquelle und Namensgeber des Kunst-Technik-Projektes. Die wirbellosen Tiere bewegen sich sehr geschmeidig und quasi schwebend im Wasser. „Genau das empfindet die Skulptur „Projekt Anthozoa“ nach. Sie verzaubert in einer perfekten Choreografie, die zu sphärischen Klängen die Verschmelzung zweier Bewegungskonzepte visualisiert: Unterwasser-Schwerelosigkeit und Balancieren“, so Axel Haschkamp von MKT.

Insgesamt sind 120 lineare DC-Servomotoren mit ebenso vielen Ether-CAT Controllern von FAULHABER in diesem faszinierenden Kunstwerk im Einsatz, um die Choreografie eindrucksvoll zu demonstrieren. An die Regelung und das zur Ansteuerung eingesetzte Bussystem stellt das besondere Anforderungen. Daher wurde für Anthozoa eine dezentralisierte Regelungsstruktur gewählt. Die Motion Controller der Serie MC 5004 übernehmen die Regelung der Antriebe unabhängig von der Buslaufzeit, das heißt, die Antriebe werden mit der internen Taktrate von 100 μs angesteuert, um der im Millisekunden-Takt vorgegebenen Sollposition zu folgen. Diese Kombination ermöglicht eine perfekte Synchronisation der 120 Antriebe.

Beachtliche Leistung

Die in den kinetischen Skulpturen eingesetzten Linearmotoren vom Typ LM 2070 liefern trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die Hublängen liegen standardmäßig bei 40, 80, 120, 160 oder 220 mm. Je nach Belastungsfall lässt sich bei der 40-mm-Hub-Variante eine Beschleunigung von maximal 93,9 m/s2 erreichen, was fast 10 g entspricht. Bei 220 mm Hub beträgt die maximal mögliche Beschleunigung immer noch 36,8 m/s² oder knapp 4 g. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs von -20 bis +125 °C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig regelbar. Die Wiederholgenauigkeit liegt zwischen 100 µm bei 40 mm Hub und 120 µm bei 120 mm Hub.

Die leistungsstarken linearen DC-Servomotoren werden außerdem noch in zwei kleineren Varianten angeboten. Der LM 1247 mit Statorabmessungen von 12 x 12 x 49,4 mm (B x H x L) arbeitet ebenfalls mit 40 bis 120 mm Hub; die mit Statorabmessungen von 8 x 8 x 33 mm (B x H x L) noch kleinere Ausführung wird mit 15 oder 40 mm Hub angeboten. Damit lässt sich für unterschiedlichste Anwendungen, die kompakte, dynamische und laufruhige Antriebe brauchen, eine passende Lösung finden. „Projekt Anthozoa“ begeisterte 2018 bereits Messebesucher in Amsterdam, Hannover, Bern, München und Nürnberg. Auf welchen Ausstellungen und Messen das Kunstwerk 2019 zu sehen ist, wird auf der Webseite www.project-anthozoa.com veröffentlicht.

Alle Bilder: Faulhaber