Antriebstechnik Rollenführungen sind mitentscheidend für die Qualität von Linearmotoren

Mitentscheidenend für hohe Leistungsdaten und gute Qualität von Linearmotoren sind auch die eingesetzten Rollenführungen. Bei der Entwicklung eines Linearantriebs von Etel war eine Herausforderung, eine Führung zu bauen, bei der die Magnetbahn des Antriebs direkt in das Führungsprofil integriert ist. Der Linearantrieb wurde deshalb in Zusammenarbeit mit dem Führungsrollen-Spezialisten Franke entwickelt.

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Linearmotoren ersetzen in der Industrie zunehmend Antriebe mit verschleißanfälligen mechanischen Übertragungselementen. Dazu bieten sie hohe Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Regelungsgenauigkeit sowie eine exakte Positionierung. Der Vorteil von Linearmotoren liegt darin, dass die zugeführte elektrische Energie direkt in eine lineare Bewegung umgewandelt wird und keinerlei mechanische Zwischenglieder für die Drehmomentwandlung erforderlich sind.

Die Einsatzgebiete von Linearmotoren sind weit gefächert – Medizintechnik, Optik, Elektronik, Textilindustrie, Maschinenbau, Handling oder die Verpackungsindustrie zählen dazu. Greift man Prozesse rund um die Herstellung und die Verarbeitung von elektronischen Bauelementen heraus, zeigen sich hohe Anforderungen: Es werden Bauteile mit Abmessungen von 1 mm × 0,5 mm mit höchster Präzision und Bestücksicherheit positioniert. Bestückautomaten in der Elektronikindustrie weisen oftmals Zykluszeiten von weniger als einer halben Sekunde auf. Dort müssen die Antriebe eine Positioniergenauigkeit bis 5 µm und zugleich hohe Beschleunigungswerte erreichen.

Anforderungen an Mechanik sind besonders hoch

Diese mit den Linearmotoren erreichbaren Beschleunigungen stellen wiederum enorme Anforderungen an die mechanische Struktur der Linearführung (Bild 1). Im Betrieb des Linearmotors entstehen große permanente Axialkräfte. Es treten Kräfte von 3000 N auf, die von der Führung aufgenommen werden müssen. Die hochdynamischen Pick-and-place-Anwendungen verlangen deshalb leichte, hochsteife und robuste mechanische Führungen.

Die geforderte Lebensdauer eines Linearmotors ist zudem sehr lang. Die Forderung an die verwendetet Linearführung liegt bei mehr als 20 000 km. Kostspielige Serviceeinsätze für den Austausch von Komponenten oder Nachjustage und die damit verbundenen Stillstandszeiten dürfen nicht auftreten. Das Führungssystem muss wartungsarm oder -frei und sauber über die gesamte Lebensdauer laufen. Während des Betriebs darf es durch die Kombination aus hohen Temperaturen und Dynamik zu keinem Austritt von Schmiermitteln und Verunreinigung kommen. Eine optimale Abstimmung zwischen hoher Lebensdauer und langen Serviceintervallen muss gegeben sein.

Wirkungsgrad weit höher als bei rotarischen Systemen

Der mechanische Wirkungsgrad eines direkt angetriebenen Linearsystems ist bei weitem höher, als der eines rotatorisch betriebenen Systems. Die einzigen notwendigen mechanischen Komponenten im Linearmotorsystem sind die Linearführungen. Die zu bewegenden Massen der Führung müssen deshalb so klein wie möglich gehalten werden. Ein weiterer Punkt der nach einer geringen Masse der Linearführung verlangt, ist die direkte Wirkung der bewegten Massen auf die Regelung des Linearmotors.

Die Anforderungen an die Linearführung sind also: hohe Positioniergenauigkeit, Wartungsfreiheit und hohe Lebensdauer, geräuscharmer Ablauf, geringe Masse der Führung, hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeit. Zudem soll die Lösung wirtschaftlich sein. Für die Umsetzung eines Linearantriebs, der diese Bedingungen erfüllt, war Etel auf der Suche nach einer geeigneten Linearführung. Die Herausforderung bestand darin, die Magnetbahn des Antriebs direkt in das Führungsprofil zu integrieren.

Kundenspezifische Aluminium-Rollenführung

Bei Franke hat man als Ergebnis dieser Anforderungen eine kundenspezifische Aluminium-Rollenführung entwickelt. Die Aluminium-Rollenführungen sind in verschiedenen Versionen erhältlich. Für diesen Einsatz wurde eine Version der Serie FEH mit kundenspezifischem Aluminiumprofil gewählt. Es kommen Sonderprofile sowie Sonderrollenschuhe zum Einsatz, die ein auf die Anwendung abgestimmtes Führungsprofil besitzen. Die Magnetbahn und das Messsystem des Linearmotors sind in das Aluminiumprofil der Linearführung integriert.

Die für hohe Tragzahlen ausgelegten Laufrollen sind in den Rollenschuhen um 90° versetzt angeordnet und stützen sich in einer 4-Punkt-Geometrie ab. Dadurch können aus allen Richtungen gleich große Kräfte aufgenommen werden, also auch die hohen Axialkräfte des Linearmotors. Eine große Dimensionierung solle es den Laufrollen ermöglichen, schnell anzusprechen und sicher und gleichmäßig zu führen. Für Pick-and-place-Anwendungen soll die Sonderführung (Bild 2) durch ihren definierten präzisen Lauf die benötigte Wiederholgenauigkeit ermöglichen.

Die Bedingung der Wartungsfreiheit erfüllen die Aluminium-Rollenführungen mit einer Lebensdauerschmierung, die ein Nachschmieren überflüssig machen soll. Gekapselte Laufrollen sollen ein Verschmutzen durch die Schmierstoffe verhindern. Das Gesamtsystem ist laut Hersteller wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer. Die Linearführungen sollen unter Last Geschwindigkeiten von 10 m/s und Beschleunigungen von 40 m/s² erreichen. MM

Weitere Informationen: Franke GmbH, 73431 Aalen, Tel. (0 73 61) 92 00, Fax (0 73 61) 92 01 20, info@franke-gmbh.de

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