Antrieb für Minifabrik

Kleinantriebe - Produkte werden kleiner, komplexer und sollen in variantenreichen Kleinserien gefertigt werden. Die Antriebstechnik muß sich danach richten. Mit der Minifabrik legen das Fraunhofer IPA und Faulhaber ein Konzept vor, das nicht nur die richtigen Verhältnisse zwischen Produkt und Produktionsumgebung herstellt.

30. März 2005

Inzwischen ist auch in miniaturisierte Antriebstechnik Bewegung gekommen: Durchdachte Antriebsbaukästen für Kleinantriebe bieten Anwendern heute die gleichen Möglichkeiten, die man von der ›großen‹ Antriebstechnik her kennt. Motoren, Getriebe, Positionsgeber, Regelektronik und Softwareprogramme, die sich perfekt auf die jeweiligen Applikationen abstimmen lassen, sind jetzt auch bei Kleinantrieben für die Mikroproduktion verfügbar. Was sich mit solchen Lösungen aus dem Baukasten realisieren läßt, zeigt ein Anwendungsbeispiel.

Flexible Produktionstechnik im Kleinformat

Mit der ›Mini-Fabrik‹ wurde ein neues Produktionskonzept entwickelt, das nicht nur die passenden Größenverhältnisse zwischen Produkt und Produktionsumgebung herstellt, sondern auch durch das modulare Konzept mit unterschiedlichen Pick-and-Place-Modulen eine Ab­stimmung auf die jeweilige Applikation ermöglicht. Als treibende Kraft für diese vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelte Lösung suchte man einen kompakten Antrieb, der gleichzeitig hohe Leistungsdichte, große Dynamik und gute Regeleigenschaften bieten sollte, um auch bei schnellen Zyklen präzise Positionierungen zu ermöglichen. Ein klassischer Glockenankermotor mit eisenloser Rotorspule erwies sich dafür als besonders gut geeignete Antriebslösung. Der für die x- und z- Achse eingesetzte Motor aus dem Programm des Antriebsspezialisten Faulhaber arbeitet mit einer Leistung von 1,12 Watt und ist bei 19 mm Länge und einem Durchmesser von 13 mm nur 11 g schwer. Er eignet sich für Drehzahlen bis zu 12.000 U/min und liefert über ein angebautes Planetengetriebe (Untersetzung 66:1), ein Drehmoment von ca. 60 mNm. Die Ist-Position des Motors erfaßt ein magnetischer Encoder, der pro Umdrehung 16 Impulse abgibt. Ein Motion-Controller, der ebenfalls aus dem Faulhaber-Programm stammt, übernimmt die Ansteuerung des Antriebs.

Neue Möglichkeiten für miniaturisierte Antriebe

Aber auch für andere Aufgabenstellungen bietet die miniaturisierte Antriebstechnik interessante Möglichkeiten. Zu den Highlights gehört zum Beispiel ein Impulsgeber, der bis zu 512 Impulse pro Umdrehung liefert und - eingebaut im Motordeckel - den beschriebenen Antrieb lediglich um 1,4 mm verlängert, sowie ein bürstenloser DC-Motor, bei dem die Ansteuerelektronik aus der Motion-Controller-Familie bereits integriert ist. Diese Antriebe mit integrierter, programmierbarer Regelelektronik bieten hohe Funktionalität, Leistung und Dynamik bei minimalem Bauvolumen und lassen sich einfach in die unterschiedlichsten Applikationen integrieren, zum Beispiel über RS232- oder CANopen-Schnittstelle.

Genaues Positionieren

Die Einsatzbereiche der intelligenten Kompaktantriebe, die bei Drehzahlen bis 11.000 U/min Leistungen von 70 W abgeben, reichen quer durch alle Branchen. Typische Beispiele liefern Pick-and-Place- oder Handlingsysteme, bei denen es auf große Positioniergenauigkeit ankommt, zum Beispiel in der Elektronikfertigung. Die Anforderungen an die hier einge­setzten Handlingsysteme sind enorm: neben Dauerbelastungen im Dreischichtbetrieb muß oft auch noch hohe Sicherheit und exakte Positionierung auf möglichst lange Zeit gewähleistet sein, zum Beispiel beim Handling teurer Waferscheiben.

Miniaturformate für viele Antriebstypen

Wer noch kleinere Kraftquellen benötigt, kann ebenfalls auf zahlreiche Antriebskonzepte un­terschiedlicher Funktionsprinzipien zugreifen. Langlebige elektronisch kommutierte DC-Motoren beispielsweise geben bei lediglich 6 mm Durchmesser und 20 mm Länge Leistungen von 1,4 W ab. Kombiniert mit einem passenden Getriebe sind Dauerdrehmomente bis 35 mN realisierbar. Auch hier gibt es Ausführungen mit integriertem Positionsgeber. Es geht sogar noch kleiner, wie ein ebenfalls elektronisch kommutierter DC-Motor der Serie 0206..B beweist: Bei nur 1,9 mm Durchmesser und 22 mm Länge erreicht der Zwerg eine Abgabeleistung von immerhin 1,89 W. In der Kom­bination mit einem Mikropla­netengetriebe werden Drehmomente deutlich über den eigenen Reibungsmomenten erzielt. Ei­ne angepaßte Elektronik steuert den Mikroantrieb. Ein Dreh­zahlbereich von 20 U/min bis 120.000 U/min bei sehr feiner Auflösung ist so möglich. Die Antriebsregelung übernimmt ein 24-MHz-Mikrokontroller. Da­mit ist das kleinste Antriebssystem genauso flexibel wie ein großes System.

Schrittmotortechnik

Miniaturisierte Produktionsabläufe verlangen häufig auch nach Schrittmotortechnik, zum Beispiel bei Stellbewegungen. Die elektronisch kommutierten Schrittmotoren mit Durchmessern von 6 bzw. 8 mm und Baulängen von 9,3 und 13,8 mm erschließen hier interessante Möglichkeiten. Durch den direkten Zugriff der Software auf die Rotorposition (1 Bit = 1 Schritt) wird kein Positionsgeber und keine komplexe Steuerung benötigt. Trotzdem ist ein feinfühliger Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb möglich. Daß Elektromotoren nicht unbedingt länglich und zylinderförmig sein müssen, ist inzwischen allgemein bekannt. Kleine Scheibenläufermotoren, wegen ihrer Form und Größe auch als Pennymotoren bezeichnet, setzen hier Maßstäbe. Ihre Höhe beträgt nur 2 bis 4,15 mm bei einem Motordurchmesser von 12 beziehungsweise 12,5 mm. Bei Drehzahlen bis zu 60.000 U/min erzielen die Flachmänner trotzdem Drehmomente bis zu 0,22 mN (Dauerdrehmoment bis zu 0,07 mN). Dabei ist der Abfall der Drehmoment-/Drehzahlkurve sehr flach, was die Anpassung an die übrige Mechanik erheblich erleichtert.

Andreas Seegen, Faulhaber

Erschienen in Ausgabe: 02/2005