Reaktionskraft-Kompensation

Beschleunigte Bewegungen von Linearantrieben regen das Gestell, auf dem die Antriebe befestigt sind, zu spürbaren Vibrationen an. Diese sind meist unerwünscht, weil sie zu Ungenauigkeiten in der Maschine oder sogar Beschädigungen führen. Die Vibrationen werden über das Gestell auch auf die Umgebung übertragen und stören somit weitere Maschinen. Insbesondere bei hochgenauen Fertigungsprozessen - ein typisches Einsatzgebiet von luftgelagerten Systemen - können diese Störungen nicht toleriert werden. Denn eine Folge sind lange Einschwingzeiten, die den Durchsatz z.B. bei Belichtungsprozessen deutlich verringern.


Um die Vibrationen zu verringern bzw. zu kompensieren, gibt es mehrere Möglichkeiten, welche passend zur Anwendung ausgewählt werden müssen. Am einfachsten lassen sich die Vibrationen durch eine große Masse des Gestells verringern. Die Massen gehen allerdings schnell in den Bereich von mehreren 1,000 kg, um die Vibrationen auf ein tolerierbares Maß reduzieren zu können. Einschränkungen im Bauraum oder im maximal zulässigen Gewicht der Maschine verhindern diesen Lösungsweg. Deshalb müssen alternative Maßnahmen ergriffen werden.

Abbildung 1: Illustration einer Reaktionskraftkompensation mit Hilfe eines zweiten Antriebs.

Abbildung 2: Vibration an der Granitbasis mit und ohne Reaktionskraft-Kompensation (RKK) an einem Beispielsystem. Details: Masse Basis: 200 kg, bewegte Nutzlast: 7 kg, Bewegung: Sinusschwingung mit A = 0,7mm und f = 50 Hz.

Eine Möglichkeit hierfür, die bei AeroLas bei einer linearen Kurzhubanwendung in der OLED-Display-Fertigung erfolgreich eingesetzt wird, ist die Verwendung eines zweiten Antriebs zur Kompensation der Störung durch die Nutzbewegung. Diese Art der Auslöschung störender Vibrationen wird auch Reaktionskraft-Kompensation (RKK) genannt. Beim Kompensationsantrieb wird eine Masse ähnlich der Nutzmasse mit identischem Beschleunigungsprofil, aber in entgegengesetzter Richtung bewegt (Abbildung 1). Die beiden Antriebe müssen in Bewegungsrichtung fluchtend zueinander ausgerichtet sein, und die Bewegung des Kompensationsantriebs muss mit der des Nutzantriebs synchronisiert werden. Abhängig vom Bewegungsprofil kann über die Anpassung der Wegamplitude der Kompensationsachse die Auslöschung der Vibration feinjustiert werden.


In Abbildung 2 ist die Wirkung der Reaktionskraft-Kompensation messtechnisch dargestellt. Auf einer Granitbasis mit einer Masse von ca. 200 kg wurde ein Nutzantrieb und ein Kompensationsantrieb aufgeschraubt, ähnlich wie in Abbildung 1 dargestellt. Die bewegte Nutzmasse beträgt 7 kg, und der luftgelagerte Schlitten oszilliert mit einer Frequenz von 50 Hz bei einer Amplitude von 0,7 mm. Die Vibrationen des Granits wurden mit Hilfe eines sensiblen Beschleunigungssensors, der in Bewegungsrichtung des Nutzantriebs an der Granitbasis befestigt war, gemessen. Der Kompensationsantrieb war nur bei der Kurve „mit RKK“ aktiv, und seine Amplitude wurde so angepasst, dass die Vibrationen am Granit minimal wurden. Ohne RKK sind die Vibrationen des Granits um Faktor 100 (logarithmische Skala!) größer als mit RKK und deutlich spürbar.