Hochdynamische Kurzhubantriebe
Kurzhubantriebe, die mit hoher Dynamik bewegt werden können, finden ihren Einsatz in vielfältigen Anwendungen der Industrie und der Forschung. Sie werden beispielsweise bei der Präzisions-Drehbearbeitung von asphärischen Brillengläsern, beim Unrunddrehen oder beim drallfreien Drehen für die hochdynamische Zustellung des Werkzeugs verwendet. In Stanz- oder Tiefziehmaschinen dienen sie zur schnellen Bewegung des Werkstücks und/oder des Bearbeitungswerkzeugs. Und in der Halbleiter- oder Verpackungstechnik werden sie ganz allgemein für das Schmiermittel-freie Handling eingesetzt - meist zur Realisierung der Führung in Verbindung mit einer Funktionalität, wie z.B. der Aufsetzkraftbegrenzung oder einem Wägeprozess.
Hochdynamischer Tauchspulenantrieb mit Wägetechnik für das Verpacken von Inhalationspulver in der Pharmazeutischen Industrie. Die maximale Beschleunigung beträgt 250g (2.500m/s²).
Luftgelagerte Antriebe sind für derartige Anwendungen geradezu prädestiniert, denn bei ihnen wird die Beschleunigung und der Ruck (zeitliche Änderung der Beschleunigung) allein durch die bewegte Masse begrenzt. Höchste Genauigkeiten der Bewegungen können in Kombination mit der hohen Dynamik bis weit über 40g (400 m/s²) realisiert werden. Die Antriebe sind darüber hinaus verschleißfrei und frei von kontaminierenden Schmiermitteln.
Bei Kurzhubantrieben bewegt sich der luftgelagerte Schlitten meist mit Amplituden von nur einigen Millimetern bei Frequenzen von einigen zehn bis mehreren hundert Hz. Die Luftlagerung des Schlittens bietet bei diesen Bewegungsprofilen einen großen Vorteil. Während bei Wälzlagern die kleinen Bewegungsamplituden zu einer ungleichmäßigen Belastung der Lagerkörper führen und dies zusammen mit den hohen Zykluszahlen zu einer stark begrenzten Lebensdauer führt, ist die Lebensdauer einer berührungslosen Lagerung, wie sie die Luftlagerung darstellt, quasi unbegrenzt.
Patentiertes Lagerungs-/Antriebskonzept
Zum Erreichen der hohen Dynamik wird die Motorkraft optimal genutzt, d.h. die bewegte Masse des Schlittens wird so gering wie möglich ausgeführt. Entsprechend einem patentierten Prinzip von AeroLas werden zur Reduktion des Schlittengewichts die Magnete nicht, wie normalerweise üblich, zusammen mit dem Eisenrückschluss bewegt. Die Magnete werden vielmehr in einen gewichtsoptimierten Träger integriert, der sich luftgelagert relativ zum Eisenrückschluss bewegt (Abbildung 1). Durch den geringen Luftspalt wird der magnetische Fluss praktisch nicht beeinträchtigt, und die spezifizierte Dauerkraft des Motors wird problemlos erreicht. Die Gewichtsersparnis im Vergleich zu einer konventionellen Magnetbahn entspricht mehr als 40%. Vorteil ist zudem, dass der Magnetträger keine Verformung durch die Magnetkraft erfährt, wie es bei einer konventionellen Lagerung außerhalb der Magnetfläche der Fall ist. Das Luftlager kompensiert die Magnetkräfte hinsichtlich ihrer Wirkung, die zu einer Verformung des Trägers führt, unmittelbar da, wo sie entsteht. Daher kann der Träger auch ein sehr geringes Gewicht aufweisen.
Schema der Lagerung des Läufers (rot). Er besteht aus einer Trägerplatte für die Magnete des Linearmotors, die mit Seitenleisten für die Führung verbunden ist. Die Magnetplatte bewegt sich luftgelagert auf dem Eisenrückschluss und wird direkt über das Spulenteil berührungsfrei angetrieben.
Luftgelagerte Magnetplatte (Demonstrationsobjekt).
Kurzhubantriebe mit integriertem Motor
In den Kurzhubantrieben von AeroLas sorgen meist wassergekühlte, eisenbehaftete Linearmotoren für eine hohe Dauerkraft. Die seitliche Führung des Schlittens erfolgt über zwei Luftlagerelemente mit Gelenk, welche mittels zweier Kolbenluftlager auf der gegenüberliegenden Seite vorgespannt werden. Für die optimale Wärmeabfuhr wird neben dem Spulenteil auch der Eisenrückschluss gekühlt. Beide sind gestellfest, so dass keine Wasserschläuche mitbewegt werden müssen. Abbildung 2 zeigt die Ausführung eines Kurzhubantriebs für Hübe von ca. 40 mm. Der Schlitten hat eine bewegte Masse von weniger als 1,5 kg und kann daher mit einer Beschleunigung von mehr als 280 m/s² (Dauer) bzw. 610 m/s² (Spitze) betrieben werden. Im Vergleich dazu wäre mit einer konventionellen Magnetplatte nur eine Dauerbeschleunigung von maximal 200 m/s² möglich.
Beispiel eines Kurzhubantriebs, der nach dem Prinzip in Abbildung 1 aufgebaut ist und in Serie produziert wird. Sowohl Spulenteil als auch Eisenrückschluss sind wassergekühlt. Außenmaße: 285 x 190 x 125 mm^3, max. Hub: ± 20 mm, max. Dauerbeschleunigung > 280m/s².