Zwei Antriebe für eine Aufgabe

Titelstory

Linearstelltische – Eine Symbiose aus schnellem DC-Antrieb und Nanometer-präzisem Piezomotor ermöglicht größere Hubweiten, höhere Präzision und kürzere Zustellzeiten als bisher bei Linearstelltischen. Der Anwender spart dadurch kostbare Produktionszeit.

24. Februar 2009

In der Welt der Nanometer ist vieles anders: Ob Elektronik, Mechanik oder Biologie – alle Bereiche stellen bei kleins- ten Strukturen hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit. Um Strukturen im Submikrometerbereich zuverlässig messen zu können, ist Spezialwissen gefragt. Denn eine Standardlösung aus der Welt der Großen einfach reduzieren, dies funktioniert nicht.

Schließlich erfordern Feinstbewegungen bei der Herstellung hochreiner Kristalle, Fokussier- und Scanaufgaben, Justage, Inspektion und Messaufgaben im Submikrometerbereich eine hochgenaue und reproduzierbare Bewegung. Bewährt haben sich für das Arbeiten im Nanometerbereich Linearstelltische. Diese ermöglichen mit Hilfe von Piezoaktoren, die feinste Schrittweiten erlauben, unter einer Messsonde minimalste Schritte im Nanometerbereich. Klassischerweise wird dabei meist das Messobjekt auf einem Linearstelltisch an Messkopf oder Aktor vorbeigeführt.

Nachteilige alte Technik

Diese Technik hatte bisher aber auch einen entscheidenden Nachteil: die geringe Dynamik der Antriebe sowie die beschränkte Vorschublänge. Die Dynamik ist für den Transport der Nutzlast in den Arbeitsbereich unzureichend. Auch die traditionelle Lösung mit mehrstufigen, hoch untersetzten spielfreien Getrieben hilft nicht weiter: Zwar lassen sich dadurch sehr niedrige Geschwindigkeiten mit sehr geringen Auflösungen erreichen, jedoch bedeutet dies eine minutenlange Anfahrt bis zur Messposition. Lange Rüstzeiten aber kosten Geld.

Um dieses Problem zu lösen hat die Feinmess Dresden GmbH mit Unterstützung durch den Antriebsspezialisten Faulhaber aus Schönaich bei Stuttgart getüftelt. Mit Erfolg: Das stolze Ergebnis ist eine Kombination aus schnellem DC-Antrieb in Kombination mit hochpräzisem Piezo-Rotationsantrieb auf einer gemeinsamen Spindel. Der DC-Antrieb mit Getriebe übernimmt den schnellen, aber nicht präzisionsgebundenen Transport, ein hochgenauer Piezomotor dann die Feineinstellung. Damit die Aufgabenteilung optimal klappt, stimmten die Dresdner Feinmessspezialisten und die Schönaicher Antriebsspezialisten beide Antriebe aufeinander ab.

Schnelle Zustellung bis zum Messpunkt, danach minimalster Vorschub für höchste Auflösung bei langen Zustellweiten – dies ist nun kein Problem mehr. Und weil die Lösung einmalig ist, haben die Dresdner die neue Methode mit dem Namen Dual Speed Mode zum Patent angemeldet. Dabei war die Entwicklung schon eine gewisse Herausforderung. Denn bei Bewegungen im kleinsten Maßstab gelten prinzipiell andere Regeln als bei normalen Stelltischen: Wegen der geringen Wegstrecken ist nicht die maximale Geschwindigkeit des Antriebes ausschlaggebend für die Positionierzeit, sondern die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit sowie die Spanne zum mechanischen Ausschwingen des Gesamtaufbaus.

Maßgeschneiderter Antrieb

An diesen drei Punkten setzten die Dresdner an, um die Dynamik des Positioniervorganges zu verbessern. Dabei lösten die Feinmessspezialisten die Aufgabe durch eine Art Gewaltenteilung: jede Bewegungsart bekam ihre maßgeschneiderte Antriebslösung. Um zwei Antriebe am Linearstelltisch unterzubringen, bot sich der Kugelgewindeantrieb an. An seinen beiden Enden kann jeweils ein Antrieb platziert werden. Das so gefertigte Positioniersystem lässt sich in vielen Bereichen auch nachrüsten, um die Effizienz zu verbessern. Ein weiterer Vorteil: Es gibt theoretisch keine Längenbegrenzung für den Vorschub, die Spindel kann beliebig lang ausgeführt werden. So sind auch größere Messobjekte mit mehreren Messpunkten in einer Aufspannung schnell bearbeitet. Herkömmliche (Stapel-)Piezoantriebe sind dagegen auf nur wenige Millimeter Stellweite beschränkt.

Konventioneller Bürstenmotor

Hightech und Präzision müssen weder kompliziert noch teuer sein. So reicht beispielsweise für die schnelle Zustellung im Hochgeschwindigkeitsmodus als Antriebselement ein über eine Balgkupplung mit der Welle verbundener konventioneller Bürstenmotor mit Rotationsencoder aus. Da der Motor nur relativ kurz betrieben wird, ist auch der Wärmeeintrag minimal und damit vernachlässigbar. Je nach verwendeter Spindelsteigung können Anwender in der Praxis Geschwindigkeiten von 50 Nanometer bis 100 Millimeter pro Sekunde nutzen. Dies entspricht dem Wert für die Grobpositionierung vieler Standardlösungen.

Die Besonderheit der neuen Lösung zeigt sich nach dem Umschalten auf den Hochpräzisionsmodus: Im Positionierbetrieb schaltet das System bei einer Geschwindigkeit von 0,5 Millimeter pro Sekunde energielos – also ohne Wärmeeintrag – über eine permanentmagnetische Kupplung auf den Antrieb mit einem rotorischen Piezomotor um. In der Ruhelage arbeitet der Antrieb nun als passive Spindelbremse, dämpft Schwingungen und verhindert ungewollte Bewegungen des Tischsystems. Ein hochauflösendes Linearmesssystem erfasst permanent die Bewegungen und gibt diese Information an die Motorsteuerung weiter.

Auf diese Weise bewegt der Antrieb den Lineartisch im Hochpräzisionsmodus mit 0,00002 bis 0,15 Millimeter pro Sekunde, das sind minimal 20 Nanometer pro Sekunde. Die Geschwindigkeitskonstanz am unteren Bereichsende ist nur abhängig von der Auflösung des eingesetzten Linearmaßstabes. Die Wiederholgenauigkeit ist kleiner als 100 Nanometer. Die Geschwindigkeitsspreizung des Positioniersystems kann durch den Kunstgriff der Arbeitsteilung ein Verhältnis von mehr als 1 Million zu 1 zwischen maximaler und minimaler Geschwindigkeit erreichen.

Angepasste Standard-Motoren

Damit der Anwender Entwicklungszeit und Kosten spart, passt Faulhaber die herkömmlichen Präzisionsmotoren mit Edelmetall- Kommutierung für den Einsatz im Dual-Speed-Linearstelltisch an. Je nach benötigtem Drehmoment kommen unterschiedliche Motoren in Frage: Die 22 Millimeter durchmessenden Motoren erreichen beispielsweise rund 8.000 Umdrehungen pro Minute und bis zu 21 Milli-Newtonmeter. Sie sind von Hause aus für den Einsatz mit magnetischen Encodern vorgesehen. Diese zweikanaligen Inkrimental-Encoder gibt es mit 64, 128, 256 oder 512 Impulsen pro Umdrehung. Dank der kompakten Maße wächst die Gesamtbaulänge des Motors dabei nur um rund 1,4 Millimeter.

Für die nötige Drehzahlreduzierung und Drehmomentanhebung stehen aufsteckbare Getriebe im 22 Millimeter Motordurchmesser bereit, die es in vielen abgestuften Untersetzungen gibt. Für den Hochpräzisionsantrieb liefert die Faulhaber- Tochter PiezoMotor mit Sitz im schwedischen Uppsala, den Piezo-Rotationsmotor. Diese Antriebe bauen mit 32 x 23 Millimeter und nur 70 Gramm Masse ebenfalls sehr kompakt. Sie arbeiten mit Steuerspannungen im Bereich von 0 bis 3.000 Hertz und erreichen 13,5 Umdrehungen pro Minute bei 2.100 Hertz. Das Drehmoment beträgt 80, das Haltemoment 90 Millinewtonmeter. Die maximale inkrementale Schrittweite liegt bei 0,35 Millirad. Für die mechanische Anbindung an die Permanentmagnetkupplung oder andere Applikationen ist eine drei Millimeter starke und 6,5 Millimeter lange Welle vorgesehen.

Bewährte Produkte

Eines zeigt die Dual-Speed-Mode deutlich: Mit der richtigen Idee lässt sich die Effizienz von Anlagen mit Feinst-Positionierung im Nanometerbereich drastisch steigern. Und vor allem: Der Anwender spart mit längeren Hubweiten, höherer Präzision und schnelleren Zustellzeiten gegenüber herkömmlichen Modellen kostbare Produktionszeit. Trotz dieser Vorteile kommt die neue Lösung mit relativ einfachen Antriebskomponenten aus. Bewährte Kleinantriebs-Produkte, auf den Anwendungsfall hin optimiert, können meist problemlos selbst anspruchvollste Aufgaben zuverlässig erfüllen.

Dr. Andreas Seegen, Faulhaber

FAKTEN

- Die Faulhaber-Gruppe mit Stammsitz in Schönaich bei Böblingen ist Spezialist für elektrische Miniatur- und Mikroantriebssysteme.

- Zum Einsatz kommen die Motoren vor allem in komplexen Einsatzbereichen, etwa in medizinischen Geräten, Handhabungsautomaten, in der Telekommunikation, bei Präzisionsoptiken und im Modellbau.

- Die Produktpalette umfasst neben Gleichstrommotoren mit eisenloser freitragender Wicklung unter anderem auch bürstenlose Linear-Servomotoren, Schrittmotoren, Flachmotoren, Piezoaktoren, Getriebe, Drehgeber, Bewegungsregler und Steuerungen.

- Zur Faulhaber-Gruppe gehören unter anderem die Unternehmen: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co KG, Minimotor SA, MicroMo Electronics, Inc. und MPS Micro Precision Systems

Erschienen in Ausgabe: 01/2009