Wie neue Linearmotordesigns Geschwindigkeit und Positionierung verbessern

26. Juli 2022

09:28

Linearmotoren ermöglichen höchste Präzision und Dynamik bei verschiedenen Bewegungssteuerungsaufgaben. Dazu gehören nicht nur Eilgänge, sondern auch langsame Verfahren mit konstanter Geschwindigkeit von Maschinenköpfen, Spindelschlitten, Werkzeugverwaltungssystemen, Teilenhandhabungsgeräten und mehr.

Durch den Ersatz verschiedener mechanischer Komponenten durch einfache und effiziente Linearmotoren können Kosteneinsparungen erzielt werden. Diese Motoren bilden ein Gesamtantriebssystem, das Zuverlässigkeit, Präzision, hohe dynamische Stabilität, geringen Wartungsaufwand und eine verbesserte Produktionszeit bietet.

Die bekannten Rotationselektromotoren enthalten einen kreisförmigen Elektromagneten, den sogenannten Stator. Bei einem Linearmotor ist der Elektromagnet gleich aufgebaut, nur flach, als wäre er ausgerollt. Auch der Rotor ist gleich aufgebaut, abgerollt oder flach. Wenn die Elektromagnete des Primärteils erregt werden, ziehen sie die Sekundärteile an und treiben den Motor voran. Je mehr Strom angelegt wird, desto stärker ist das Magnetfeld und desto mehr Kraft erzeugt der Motor.

Stellen Sie sich eine Holzachterbahn in Ihrem Lieblingsvergnügungspark vor. Um den Zug für den „großen Abstieg“ den ersten Hügel hinaufzubewegen, rollen wir zum Fuß des Hügels, wo ein Kettenantrieb, der von einem Elektromotor, einem Getriebe und einem Kettenrad angetrieben wird, den Zug scheppernd und ruckartig auf die Spitze des Hügels treibt. Stellen Sie sich nun eine Fahrt mit einer modernen Achterbahn mit Linearmotoren vor. Spüren Sie den plötzlichen Beschleunigungsschub, wenn Sie den Bahnhof verlassen? Es kann genügend Kraft erzeugt werden, um den Zug über den ersten Hügel und durch die erste gruselige Schleife zu treiben. An verschiedenen Stellen können zusätzliche Kraftstöße eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit des Zuges aufrechtzuerhalten, da er durch Schleifen und Wendungen rollt, was mit älteren Konstruktionen nie zuvor möglich war. Schließlich spüren Sie die Bremswirkung an der Station durch … Sie haben es erraten: einen Linearmotor. Was hat die Holzachterbahn gestoppt? Erinnern Sie sich an den Mann am Bahnhof, der einen großen Hebel betätigt hat?

Linearmotoren sind einfach. Zwei Hauptkomponenten, die Primärkomponente enthält Elektromagnete und die Sekundärkomponente entweder mit Permanentmagneten oder ohne Magnete, treiben das bewegliche Element an. Vorbei sind Servomotoren, Resolver, Drehzahlmesser, Kupplungen, Riemenscheiben, Zahnriemen, Kugelumlaufspindeln und Muttern, Stützlager, Schmiersysteme und Kühlsysteme. Auch Systeme, die hohle Kugelumlaufspindeln mit Kühlmittelsystemen zur thermischen Stabilisierung verwendeten, sind verschwunden. Vorbei sind Zahnstangen- und Ritzelsysteme, die teure Torquemotoren und/oder Getriebe verwenden. Auch Kettenantriebssysteme, die Hydraulikmotoren mit hohem Drehmoment und zugehörigen Antriebseinheiten erfordern, sind verschwunden. Was haben wir also außer dem Verzicht auf teure Komponenten gewonnen?

Zu den Hauptvorteilen von Linearmotoren in Maschinenanwendungen gehören:

Mit der kürzlichen Einführung seiner 1FN6-Linearmotoren bietet Siemens nun drei Modelle von Linearmotoren für die nahtlose Integration mit allen Sinumerik- oder Simotion-Steuerungssystemen mit Sinamics-Antrieben an. Linearmaßstäbe für die Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung sind je nach Anwendung von verschiedenen Drittanbietern erhältlich. Diese neuen Linearmotormodelle von Siemens sind:

1FN3-Spitzenlastmotoren: Kurze Zeit, hohe Beschleunigung/Verzögerung und Geschwindigkeitsraten vergleichbar mit dem S3-Betrieb. Kann für horizontale oder kompensierte vertikale Achsen verwendet werden. Nennkraft (Fn) 8.100 N. Maximalkraft (Fmax) 20.700 N. Maximale Geschwindigkeit 253 m/min mit Flüssigkeitskühlung.

1FN3 Dauerlastmotoren: Lange Einschaltdauer für horizontale, geneigte oder kompensierte Vertikalachsen. Vergleichbar mit S1-Dienst. Nennkraft (Fn) 10.375 N. Maximalkraft (Fmax) 17.610 N. Maximalgeschwindigkeit; 129 m/min. Mit Flüssigkeitskühlung.

1FN6 magnetfreier Sekundärteil: Ideal für große Verfahrwege bei hohen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsraten. Magnetfreie Sekundär- und Luftkonvektionskühlung. Einsetzbar für horizontale, geneigte oder kompensierte Vertikalachsen. Nennkraft (Fn) 2.110 N. Maximalkraft (Fmax) 8.080 N. Maximalgeschwindigkeit 532 m/min. Mit Luftkonvektionskühlung.

Notiz:1FN3-Motoren für Spitzen- und Dauerlast können mit Luftkonvektionskühlung betrieben werden, die Nennleistung muss jedoch um 50 % reduziert werden.

Eine stationäre Linearmotorschiene (entweder mit Magneten oder magnetfrei) kann mehrere Primärteile unterstützen, die entweder denselben Schlitten in einer Master-Slave-Konfiguration oder separate Schlitten unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in verschiedene Richtungen bewegen. Dies ermöglicht es dem Konstrukteur, Antriebssysteme auf mehreren Schlittenmaschinen zu konsolidieren, um Kosteneffizienz und eine bessere Produktivität zu erzielen. Beispielsweise kann eine Laser-, Wasserstrahl- oder Fräsmaschine mit zwei Köpfen auf dem Portal, die von Linearmotoren angetrieben werden, gleichzeitig zwei Teile symmetrisch oder spiegelbildlich schneiden und so erheblich Rohmaterial einsparen.

Beim Bewegen großer, schwerer Portalschlitten können auf beiden Seiten des beweglichen Portals mehrere Primärabschnitte verwendet werden, um die erforderliche Kraft zum Beschleunigen und Abbremsen des Schlittens auf optimale Produktivitätsgeschwindigkeiten bereitzustellen. Wenn zusätzliche Kraft erforderlich ist, können mehrere Sekundärschienen nebeneinander installiert werden.

Bei beweglichen Schlitten, bei denen die Kabellänge oder -bewegung ein Problem darstellt, können ein oder mehrere Primärabschnitte an einer stationären Basis befestigt und die Sekundärabschnitte am beweglichen Element befestigt werden. Dies entlastet den beweglichen Schlitten und ermöglicht Zyklen mit hohen Schwingungsraten, die mit herkömmlichen mechanischen Antriebssystemen sonst nicht möglich wären. Es ermöglicht auch kürzere Kabellängen bei geringerer Biegung.

Linearmotoren waren kein Teil der Weiterentwicklung des modernen Maschinendesigns, das Quantensprünge in der Steuerungstechnik mit sich brachte. Vielmehr nutzen moderne Maschinen größtenteils noch immer den Schlittenantrieb, der zu Zeiten Ihres Großvaters entwickelt wurde. Wir sind von bandgetriebenen NC-Maschinen, die von Gleichstrom-Servomotoren und Kugelumlaufspindeln angetrieben werden, zu hochentwickelten CNC-Steuerungen übergegangen, die eine CAD-Datei aufnehmen und auf Knopfdruck direkt an der Maschine ein Maschinenprogramm erstellen können. Um die Schlitten dieser modernen Maschine anzutreiben, sind wir auf AC-Servomotoren umgestiegen, die Kugelumlaufspindeln antreiben. Und vielleicht haben wir auch die Rutschen vom Kastenweg auf LKW und Schiene umgestellt, aber wie fahren wir diese Rutschen? Servomotoren und Kugelumlaufspindeln. Linearmotoren sind bewährt, verfügbar und wirtschaftlich. Je mehr Linearmotoren produziert werden, desto wirtschaftlicher werden sie. Kurzum: Es ist an der Zeit, dass die Mechanik dieser Maschinen mit der Steuerungstechnik Schritt hält. Linearmotoren sollten ein Teil dieses Prozesses sein.

26. Juli 2022

09:28