Kompakte Konstruktionbei höchster Positioniergenauigkeit

Die Aktuatoren der neuen DR-Serie von Oriental Motor sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich: Es gibt sie in der Standardversion und alternativ mit Lineartisch oder mit Seitenführung. Alle drei Varianten bieten Anwendern flexible Einsatzmöglichkeiten und erfordern weniger Raum beim Einbau. Dank ihrer zahlreichen Optimierungen sind die Linearaktuatoren der DR-Serie von Oriental Motor optimal für Anwendungen geeignet, bei denen es auf jeden Zentimeter Platzeinsparung ankommt und die gleichzeitig eine hohe Genauigkeit erfordern.

Besonders kompakte Konstruktion
Neu an der DR-Serie ist ihre optimierte, besonders kompakte Konstruktion: Die Aktuatoren zeichnen sich durch eine reduzierte Gesamtlänge sowie einen geringeren Montageaufwand aus. Denn bei den optimierten Linearaktuatoren von Oriental Motor sind Rotor, Kugelumlaufspindel und -mutter ohne Kupplung direkt integriert. Die Kugellager liegen an der Aussenseite der Kugelumlaufmutter an. Ihr grosser Durchmesser sorgt dafür, dass sich die Gesamtlänge der Aktuatoren deutlich reduziert. Die veränderte Konstruktion verschafft Anwendern einen weiteren Vorteil, denn dank der optimierten Bauweise ist der Bedarf an externen Bauteilen geringer.
Ein grosses Plus der Linearaktuatoren der neuen DR-Serie ist die hohe Flexibilität, welche sie ihren Anwendern in der Montage bietet. Dafür wurde im Vergleich zur Vorgängerserie die Gehäusekonstruktion optimiert, sodass nun eine grössere Gehäusefläche auf der Montageoberfläche aufliegt. Insbesondere bei der Version mit Lineartisch wird die Belastung auf diese Weise besser verteilt. Das schont die Kugellager und verlängert damit die Lebensdauer der Aktuatoren. Mithilfe von speziell konzipierten Montageplatten lassen sich ausserdem nahezu alle Montagerichtungen umsetzen. Gleichzeitig überzeugen die Linearaktuatoren durch eine höhere Geschwindigkeit – ein expliziter Kundenwunsch, der in die optimierte Konstruktion der DR-Serie mit einfloss. Die neue Serie lässt die Wahl zwischen zwei verschiedenen Spindelsteigungen: Mit der Steigung von 2,5 mm wird eine maximale Geschwindigkeit von 100 mm/s erreicht, mit der Steigung von 1 mm beträgt die maximale Transportlast 4 kg.

Weniger Temperaturschwankungen, genauere Stoppposition
Eine herausragende Eigenschaft der Linearaktuatoren der DR-Serie ist ihre besonders hohe Positioniergenauigkeit. Mittels Lasermessung lässt sich diese belegen: Demnach beträgt die Wiederholpositioniergenauigkeit [1] ±0,0011 mm, spezifiziert bei konstanter Temperatur und Last mit ±0,003 mm. Das bedeutet, die Aktuatoren erreichen eine Genauigkeit, die einem Zehntel eines feinen Haares entspricht. Die Vorschubschrittgenauigkeit [2] der Linearaktuatoren beträgt ±0,0004 mm. Damit eignen sie sich ideal für Anwendungen mit minimalem Vorschub, zum Beispiel für Mikroskoptische.
Ein Faktor, der bei Motoren und Aktuatoren Auswirkung auf die Positioniergenauigkeit hat, ist die Temperatur: Durch die Wärme des Motors steigt die Temperatur der mechanischen Komponenten an. Das kann zu Wärmeabweichungen von Schaltkreiselementen sowie einer Wärmeausdehnung mechanischer Komponenten führen.
Darunter kann die Funktionsgenauigkeit von Maschinen und Anlagen leiden. Aus diesem Grund werden beispielsweise bei Messgeräten und Werkzeugmaschinen häufig Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge durchgeführt. Im Falle von Motoren und Aktuatoren haben Temperaturschwankungen Auswirkungen auf die Positioniergenauigkeit: Die Temperatur der mechanischen Komponenten steigt durch die Wärme des Motors an und durch die Wärmeausdehnung verändert sich die Stoppposition.
Auch hier bieten die Linearaktuatoren der DR-Serien einen deutlichen Vorteil, denn Temperaturunterschiede wirken sich nur minimal aus: Bei einem Temperaturanstieg von etwas über 30° beträgt die Abweichung der Stoppposition weniger als 18 Mikrometer. Hier unterstützt der AZ-Motor der DR-Serie, der eine Überwachung des Lastfaktors ermöglicht. Unter dem Lastfaktor versteht man das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Lastmoment und dem spezifizierten Nennmoment (Schubkraft) während des Betriebs. Reduziert man den Betriebsstrom, lässt sich jedoch die Wärmeentwicklung begrenzen. Oriental Motor stellt hierfür die Parametriersoftware MEXE02 kostenlos zur Verfügung, die eine einfache Überwachung des Motorlastfaktors ermöglicht: Mithilfe des Lastfaktor-Monitorings wird der optimale Betriebsstrom ermittelt, um Betriebsstörungen durch Überlast zu vermeiden und das Potenzial der Linearaktuatoren optimal zu nutzen.
Das folgende Beispiel – Lastfaktor-Monitoring am Beispiel eines trapezförmigen Bewegungsprofils mit drei verschiedenen Betriebsströmen – veranschaulicht diesen Vorgang.
Die nebenstehende Grafik verdeutlicht, wie sich die Reduzierung des Betriebsstroms auf Motortemperatur und Wärmeentwicklung auswirkt und sich durch das Monitoring die Genauigkeit der Stoppposition verbessern lässt. Oder aber bei einem Betriebsstrom von 40 Prozent erreicht der Lastfaktor 100 Prozent und es kommt zu einer Abweichung von der eingestellten Geschwindigkeit. Daraus kann sich eine Betriebsstörung der Anlage ergeben. Wird der Betriebsstrom hingegen auf 60 Prozent eingestellt, verläuft der Betrieb störungsfrei. Im ersten Fall, bei einem Betriebsstrom von 100 Prozent, steigt die Temperatur der Motoroberfläche um 32 °C.
Die Stoppgenauigkeit beträgt hier 17,5 Mikrometer. Wird der Betriebsstrom hingegen auf 60 Prozent gesenkt, erhöht sich die Temperatur lediglich um 20 °C. Damit sinkt die Abweichung der Stoppposition auf nur 6 Mikrometer.

Seitenführung: Präzise Positionierung trotz Lastschwankung
Eine Variante der Aktuatoren der DR-Serie ist mit einer Seitenführung ausgestattet, die durch lange Führungsbuchsen mit hoher Steifigkeit gekennzeichnet ist. Diese Konstruktion sorgt für reduzierte Vibrationen der Spindel. Bei dieser Ausführung befinden sich die Buchsen nahe der Montageplatte, welche die Last aufnimmt.
Um zur optimalen Bauweise zu gelangen, testete Oriental Motor in der Konstruktionsphase Führungsbuchsen mit unterschiedlichen Längen. Dazu wurde ein Beschleunigungsaufnehmer am bewegten Teil des Systems angebracht und die Frequenzen mithilfe einer FFT-Analyse gemessen. Die Messung ergab, dass die Vibrationsspitzen zyklisch waren und durch die Spindel verursacht wurden. Die Messung erfolgte in vertikaler Bewegungsrichtung mit 100 mm/s, 30 mm Hub und 2 kg Last. Die verschiedenen Versuche ergaben, dass eine längere Buchse die Vibrationen reduziert. DR-Aktuatoren mit Seitenführung eignen sich damit ausgezeichnet für Anwendungen, die nach präziser Positionierung trotz Lastschwankungen verlangen. Messungen im Hinblick auf den Versatz der beweglichen Teile unter Last ergaben bei dieser Ausführung den geringsten Versatz und damit die besten Resultate, sodass die Aktuatoren bei dieser Anwendung deutliche Vorteile gegenüber der Version mit Lineartisch aufweisen.

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