Luft macht keine Reibung

Lineartechnik - Bei der Herstellung und Bearbeitung von Objekten setzen die meisten Unternehmen bei der Lineartechnik auf mechanische Lösungen. Warum nicht mal luftgelagert?

25. Juli 2006

Luftgelagerte Tische mit Direktantrieb arbeiten in den drei kritischen Bereichen Führungsschienen, Motor und Aktuator vollständig berührungslos und damit reibungsfrei. Gegenüber mechanischen Lösungen ist dies der zentrale Vorteil, aus dem sich viele weitere Vorzüge ableiten lassen.

Leitspindelmuttern haben bei Auflösungen von 100 Nanometern und weniger erhebliche Probleme. Zwar lassen sie sich mit bestimmten technischen Kniffen entsprechend anpassen, doch erfordert dies komplizierte und trickreiche Einstellungen und beeinträchtigt zudem die dynamische Leistung. Ähnlich kann zwar bei einigen mechanischen Lagersystemen die Auflösung auf unter 100 Nanometer gesenkt werden, doch machen Faktoren wie Lagerreibung, Schwankungen der Vorspannung, durch Umlauf verursachtes Cogging oder Schmiermittel dies zu einer Sisyphusarbeit, da auch der Integrator des Servoregelkreises mit involviert ist. Bei luftgelagerten Tischen mit Direktantrieb existiert keine inhärente Auflösungsgrenze, was die routinemäßige Fertigung luftgelagerter Positionierungssysteme mit einer Auflösung von 31 Pikometern möglich macht.

Durchsatz und Lebensdauer

In puncto Durchsatz erzielen luftgelagerte Tische mit Direktantrieb wesentlich höhere Leistungen als ihre herkömmlichen, mechanisch gelagerten Gegenstücke. Das liegt daran, dass der Integrator des Servoregelkreises keine Reibung überwinden muss. Damit entfällt die damit verbundene Wartezeit und die Einstellzeit verkürzt sich erheblich. Außerdem lassen sich - wiederum dank der nicht vorhandenen Reibung - die Einstellungen der Vorsteuerung im Servofilter wesentlich genauer anwenden.

Durch das vollständig berührungslose Funktionsprinzip von Führungsschienen, Motor und Encoder gibt es keinen Verschleiß an den Luftlagern, so dass die Lebensdauer luftgelagerter Tische mit Direktantrieb praktisch unbegrenzt ist. Die Verkabelung ist der einzige Bereich des Tisches, in dem es zu Verschleiß kommen kann und der Wartung erfordert. Wohldurchdachte Verkabelungslösungen und gut platzierte Steckverbinder gewährleisten einen problemlosen Austausch - sollte dies erforderlich sein.

Die Aufgabe einer Führungsschiene besteht darin, fünf der sechs linearen und rotatorischen Freiheitsgrade eines Objekts so weit wie möglich zu eliminieren. Luftgelagerte Führungsschienen lösen diese Aufgabe. Kleine Fehler in der Lauffläche werden tendenziell integriert, und sollten sich doch einmal Abweichungen ergeben, sind diese geringfügig und langperiodisch. Es gibt beispielsweise Tische von Danaher Motion, die bei einem Verfahrweg von 100 mm Nick- und Gierwinkel von unter zwei Bogen-sekunden aufweisen.

Konstante Geschwindigkeit

Einige Anwendungen erfordern eine hochpräzise und konstante Bewegungsgeschwindigkeit. Aufgrund der inhärenten Reinheit können Tische mit luftgelagertem Direktantrieb dies bieten. Restfehler in Konstruktionen der oberen Leistungsklasse beruhen hauptsächlich auf Abbe-Fehlern, die sich aus extrem kleinen Winkelfehlern, thermischen Effekten und umgebungsbedingten Schwingungen ergeben. Bei Auswahl geeigneter Komponenten lassen sich Führungsfehler während der Bewegung auf Werte von bis plusminus 2 Nanometern bei niedrigen Drehzahlen senken.

Bei herkömmlichen, mit mechanischen Lagern, Leitspindelmuttern oder Muttern ausgestatteten Tischen muss der Anwender den Regelkreis sorgfältig einstellen, um optimale Leistungswerte zu erzielen. Da die Einstellung von physikalischen Parametern wie Anzugsmoment der Leitspindelmuttern, linearer Lagervorspannung und Eigenschaften der Schmiermittel abhängt und diese Parameter über den Verfahrweg der einzelnen Einheiten hinweg, zwischen den Einheiten sowie im Verlauf der Zeit variieren, kommt es zu Leistungsschwankungen. Wird die Auflösung geringer, verschärft sich das Problem. Diese Nichtlinearitäten spielen bei Luftlagerung keine Rolle. Die Werte für die Regelkreiseinstellung übernimmt das System direkt aus einer Kalkulationstabelle. Die einzigen freien Variablen für einen gegebenen Tisch sind die gewünschte Regelungsbandbreite, die Nutzlastmasse und mögliche Strukturresonanzen. Eine Feineinstellung der -einzelnen Tische zur Abstimmung auf Abweichungen der Einheiten untereinander ist ebenfalls nicht notwendig. Die resultierende Einstellung ist zeitlich unbegrenzt korrekt.

Vorschubsteuerung besser nutzen

Bei einfachen PID-Regelkreisen tritt eine erhebliche Nacheilung während der Beschleunigung beziehungsweise eine Voreilung während der Verlangsamung auf. Sobald der Bewegungsgenerator das Profil fertig gestellt hat, liegt die Nutzlast bereits hinter dem Haltepunkt. Der Servoregelkreis muss daraufhin die Richtung umkehren und den Gesamtfehler berichtigen oder - und das ist weitaus besser - den Fehler durch Verwendung einer Beschleunigungsvorsteuerung reduzieren. Bei Führungsschienen, die Reibungskräften unterworfen sind, sind die so erzielbaren Verbesserungen jedoch wegen des wechselnden Reibungsgrads eher gering.

Luftlagertische mit Direktantrieb profitieren wesentlich stärker von Einstellungen für die Vorschubsteuerung. Der Gesamtfehler kann hier auf wenige Prozent des Nennwertes verringert werden, wodurch sich eine direkte Verbesserung der Einstellzeit und damit des Durchsatzes ergibt.

Integrierte Kraftmessung

Die fehlende Reibung in Luftlagertischen bietet zusammen mit der sehr linearen Umwandlung von Strom in Kraft einen unerwarteten, aber nützlichen Nebeneffekt: Die Tische fungieren ohne zusätzliche Änderungen sowohl als präzise Krafterzeuger als auch als Kraftwandler selbst im Millinewton-Bereich. So lassen sich Kraftmessdosen zu Achsenbaugruppen hinzufügen. Außerdem können luftgelagerte Tische hoch-sensible Berührungspunkterkennungen in extrem niedrigen Kraftbereichen durchführen und Teilepositionen im Bereich von 100 Nanometern erfassen. Die Fähigkeit, Teilepositionen im Bereich von 100 Nanometern zu erfassen, bietet neue Variablen zur Prozesssteuerung.

Durch das vollständig berührungslose Funktionsprinzip von Führungsschienen, Motor und Encoder sind die Tische vor einer Verunreinigung durch Partikel geschützt. Solange die zur Druckbeaufschlagung des Lagers verwendete Luft staubfrei ist, stellt das Verkabelungssystem die einzig mögliche Partikelquelle dar.

Bei sorgfältiger Auswahl geeigneter Materialen für die beweglichen Kabel eignen sich die Tische daher für den Einsatz in hoch kritischen Anwendungen wie Wafersteppern. Wird reiner, trockener Stickstoff zum Betrieb der Luftlager verwendet, ist die anfallende Partikelmenge praktisch nicht messbar.

Mehr Infrastruktur notwendig

Verschiedene Faktoren veranlassen Unternehmen trotzdem, mechanische Systeme den berührungsfreien vorzuziehen: Die notwendige Versorgung mit reiner, trockener Luft führt dazu, dass die Systemkosten und die Komplexität bei Luftlagern leicht höher sind als bei herkömmlichen Tischen. In vielen Werken ist jedoch eine umfassende Druckluftversorgung vorhanden. Zusätzliche Kosten für Punktregelung und Filterung wären dann eigentlich zu vernachlässigen. Ist allerdings keine werkseitige Luftversorgung verfügbar, erhöht sich der Aufwand in Form einer zusätzlichen Druckluftstation. Befindet sich diese neben dem Tischsystem, verursacht dies Schwingungen und zusätzliche Geräuschentwicklung.

Geringere Steifigkeit

Luftgelagerte Führungsschienen weisen eine geringere Steifigkeit auf als Stahl-lagerschienen mit Rollelementen, die in herkömmlichen Tischen verwendet werden.

Dies könnte im Prinzip zu einer geringeren Erstresonanz und damit zu einer geringeren Regulierungsbandbreite führen. In der Regel wird diese aber auch durch mechanische Elemente eingeschränkt. Dadurch sind die erreichbaren Regulierungsbandbreiten herkömmlicher Tische erfahrungsgemäß mit denen luftgelagerter Tische ähnlicher Baugröße vergleichbar.

Bei luftgelagerten Schienen treten Drehmomente aufgrund von Wellenlasten auf. Zwar ist die Tragzahl für zentrierte Lasten bei luftgelagerten Tischen recht hoch, doch für die zulässigen Drehmomente infolge freitragender Lasten gelten strengere Grenzwerte. Wellenlasten sind generell nicht zu empfehlen. Sollten sie sich nicht vermeiden lassen, empfiehlt sich der Einsatz herkömmlicher Lager.

Schwingungsanfällig

Sind externe Stimuli vorhanden, sorgt Reibung für eine stabile Position, ohne dass der Servoregelkreis eingreifen muss. In einem reibungsfreien Tisch mit Direktantrieb ist daher ein Servoregelkreis für die Unterdrückung axialer Schwingungen zuständig. Diese können umgebungsbedingt sein oder durch den Servoverstärker ausgelöst werden. Um eine möglichst präzise Steuerung der Tischposition zu erzielen, eignen sich bestimmte lineare Verstärker. Zusammen mit speziellen Techniken zur Sinus-Encoder-Interpolation lassen sich die Schwingungen in den meisten Umgebungen auf einen Wert zwischen 1 und 10 Nanometer begrenzen.

Höhere Kosten

Luftgelagerte Tische gelten noch immer als sehr teuer. In den letzten Jahren sind die Preise jedoch selbst für Premiumlösungen erheblich gesunken. Sind die Leistungsanforderungen einer Anwendung also gering und die erwarteten Kosten niedrig, sollten es sich die Verantwortlichen daher sehr genau überlegen, ob es sich inzwischen nicht lohnt, von mechanischen Lagern auf Luftlager umzurüsten.

Kevin McCarthy, Danaher Motion

FAKTENVorteile luftgelagerter Tische mit Direktantrieb:

- Berührungsloser Betrieb von Lagerschienen, Motor und Encoder

- Erzielbarkeit sehr hoher Auflösungen

- Wesentlich höherer Durchsatz (Bewegungen pro Sekunde)

- Nahezu unbegrenzte, wartungsfreie Lebensdauer

- Extrem geradlinige Bewegung

- Außergewöhnlich konstante Geschwindigkeit

- Hochstabile Regelkreiseinstellung

- Bessere Nutzung von Einstellungen der Vorschubsteuerung

- Integrierte Kraftmessung und -erzeugung im Millinewton-Bereich

- Extrem geringe Verunreinigung

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006