Kompakte Linearaktuatoren mit sehr hoher Genauigkeit

Hochpräzises Positionieren in drei Ausführungen

Linearaktuatoren, also die Kombination aus Schrittmotor und Kugelumlaufspindel, eignen sich gut für Schub und Zug von kleinen Werkstücken oder für Anwendungen zur Feinabstimmung. Oriental Motor hat mit der DR-Serie nun eine neue Aktuatorgeneration entwickelt, bei denen Rotor, Spindel und Mutter ohne Kupplung direkt integriert sind. Die Geräte vereinen hochpräzises Positionieren mit einer sehr kompakten Baugröße und lassen sich dadurch flexibel in die Anlage integrieren.
 Die Linearaktuatoren der DR-Serie sind neben der Standardausführung auch mit Lineartisch oder mit Seitenführung erhältlich.
Die Linearaktuatoren der DR-Serie sind neben der Standardausführung auch mit Lineartisch oder mit Seitenführung erhältlich.Bild: Oriental Motor (Europa) GmbH

Die Aktuatoren der neuen DR-Serie sind in der Standardversion und alternativ mit Lineartisch oder mit Seitenführung erhältlich. Alle drei Varianten bieten flexible Einsatzmöglichkeiten und eine hohe Genauigkeit. Neu an der Baureihe ist ihre besonders kompakte Konstruktion: Die Aktuatoren wurden bei der Entwicklung auf eine reduzierte Gesamtlänge sowie einen geringen Montageaufwand ausgelegt. Denn Rotor, Kugelumlaufspindel und -mutter sind ohne Kupplung direkt integriert. Die Kugellager liegen an der Außenseite der Kugelumlaufmutter an. Ihr großer Durchmesser sorgt dafür, dass sich die Gesamtlänge der Aktuatoren deutlich reduziert. Die veränderte Konstruktion verschafft Anwendern einen Vorteil, denn durch die besondere Bauweise ist der Bedarf an externen Bauteilen geringer.

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Flexibilität, Präzision, Geschwindigkeit

Ein weiteres Plus der Linearaktuatoren ist die hohe Flexibilität, die sie ihren Anwendern in der Montage bietet. Dafür wurde im Vergleich zur Vorgängerserie die Gehäusekonstruktion angepasst, sodass nun eine größere Gehäusefläche auf der Montageoberfläche aufliegt. Insbesondere bei der Version mit Lineartisch wird die Belastung auf diese Weise besser verteilt. Das schont die Kugellager und verlängert die Lebensdauer der Aktuatoren. Mit speziell konzipierten Montageplatten lassen sich außerdem nahezu alle Montagerichtungen umsetzen. Gleichzeitig erlauben die Linearaktuatoren eine höhere Geschwindigkeit – ein expliziter Kundenwunsch, der in die Konstruktion der DR-Serie mit einfloss. Die neue Serie lässt die Wahl zwischen zwei verschiedenen Spindelsteigungen: Mit der Steigung von 2,5mm wird eine maximale Geschwindigkeit von 100mm/s erreicht, mit der Steigung von 1mm beträgt die maximale Transportlast 4kg.

Eine außergewöhnliche Eigenschaft der DR-Linearaktuatoren ist ihre hohe Positioniergenauigkeit, die sich mittels Lasermessung belegen lässt: Demnach beträgt die Wiederholpositioniergenauigkeit ±0,0011mm, spezifiziert bei konstanter Temperatur und Last mit ±0,003mm. Das bedeutet, die Aktuatoren erreichen eine Genauigkeit, die einem Zehntel eines feinen Haares entspricht. Die Vorschubschrittgenauigkeit der Linearaktuatoren beträgt ±0,0004mm. Damit eignen sie sich gut für Anwendungen mit sehr geringem Vorschub, z.B. für Mikroskoptische.

Weniger Temperaturschwankungen, genauere Stoppposition

Ein Faktor, der bei Motoren und Aktuatoren Auswirkung auf die Positioniergenauigkeit hat, ist die Temperatur: Durch die Wärme des Motors steigt die Temperatur der mechanischen Komponenten an. Das kann zu Wärmeabweichungen von Schaltkreiselementen sowie einer Wärmeausdehnung mechanischer Komponenten führen. Darunter kann die Funktionsgenauigkeit von Maschinen und Anlagen leiden. Aus diesem Grund werden etwa bei Messgeräten und Werkzeugmaschinen häufig Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge durchgeführt. Im Falle von Motoren und Aktuatoren haben Temperaturschwankungen Auswirkungen auf die Positioniergenauigkeit: Die Temperatur der mechanischen Komponenten steigt durch die Wärme des Motors an und durch die Wärmeausdehnung verändert sich die Stoppposition.

Auch an dieser Stelle spielen die Linearaktuatoren der DR-Serie ihre Vorteile aus, denn Temperaturunterschiede wirken sich nur marginal aus: Bei einem Temperaturanstieg von etwas über 30°C beträgt die Abweichung der Stoppposition weniger als 18µm. Hier unterstützt der AZ-Motor der DR-Serie, der eine Überwachung des Lastfaktors ermöglicht. Unter dem Lastfaktor versteht man das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Lastmoment und dem spezifizierten Nennmoment (Schubkraft) während des Betriebs. Reduziert man den Betriebsstrom, lässt sich jedoch die Wärmeentwicklung begrenzen. Die kostenlose Parametriersoftware MEXE02 von Oriental Motor ermöglicht eine einfache Überwachung des Motorlastfaktors: Mithilfe des Lastfaktor-Monitorings wird der passende Betriebsstrom ermittelt, um Betriebsstörungen durch Überlast zu vermeiden und das Potenzial der Linearaktuatoren bestmöglich zu nutzen.

Das folgende Beispiel – Lastfaktor-Monitoring im Fall eines trapezförmigen Bewegungsprofils mit drei verschiedenen Betriebsströmen – veranschaulicht diesen Vorgang. Die Grafik verdeutlicht, wie sich die Reduzierung des Betriebsstroms auf Motortemperatur und Wärmeentwicklung auswirkt und sich durch das Monitoring die Genauigkeit der Stoppposition verbessern lässt. Oder aber bei einem Betriebsstrom von 40 Prozent erreicht der Lastfaktor 100 Prozent und es kommt zu einer Abweichung von der eingestellten Geschwindigkeit. Daraus kann sich eine Betriebsstörung der Anlage ergeben. Wird der Betriebsstrom hingegen auf 60 Prozent eingestellt, verläuft der Betrieb störungsfrei. Im ersten Fall, bei einem Betriebsstrom von 100 Prozent, steigt die Temperatur der Motoroberfläche um 32°C. Die Stoppgenauigkeit beträgt hier 17,5µm. Wird der Betriebsstrom hingegen auf 60 Prozent gesenkt, erhöht sich die Temperatur lediglich um 20°C. Damit sinkt die Abweichung der Stoppposition auf nur 6µm.

Präzise Positionierung trotz Lastschwankung

Eine Variante der DR-Aktuatoren ist mit einer Seitenführung ausgestattet, die durch lange Führungsbuchsen mit hoher Steifigkeit gekennzeichnet ist. Da sich die Buchsen nahe der Montageplatte befinden, die die Last aufnimmt, sorgt diese Konstruktion für reduzierte Vibrationen der Spindel. Um zur finalen Bauweise zu gelangen, testete der Hersteller in der Konstruktionsphase Führungsbuchsen mit unterschiedlichen Längen. Dazu wurde ein Beschleunigungsaufnehmer am bewegten Teil des Systems angebracht und die Frequenzen mithilfe einer FFT-Analyse gemessen. Die Messung ergab, dass die Vibrationsspitzen zyklisch waren und durch die Spindel verursacht wurden. Die Messung erfolgte in vertikaler Bewegungsrichtung mit 100mm/s, 30mm Hub und 2kg Last. Die verschiedenen Versuche ergaben, dass eine längere Buchse die Vibrationen reduziert. DR-Aktuatoren mit Seitenführung eignen sich damit ausgezeichnet für Anwendungen, die nach präziser Positionierung trotz Lastschwankungen verlangen. Messungen im Hinblick auf den Versatz der beweglichen Teile unter Last ergaben bei dieser Ausführung den geringsten Versatz und damit die besten Resultate, sodass die Aktuatoren bei dieser Anwendung deutliche Vorteile gegenüber der Version mit Lineartisch aufweisen.

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Oriental Motor GmbH

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