Gestiegene Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindigkeit machen neue Antriebssysteme für Positioniertische erforderlichDie Anforderungen an angetriebene Tischsysteme steigen stetig. Wo man früher Führungsgenauigkeiten von 10 µm und Positioniergenauigkeiten von 50 µm akzeptierte, werden jetzt weit höhere Präzision und hohe Verfahrgeschwindigkeiten gefordert.
   

Viele Kunden geben daher die Eigenfertigung auf und suchen Systemanbieter, die ein komplettes Tischsystem nach ihren Anforderungen liefern.
Auswahl der Systeme

Hochgenaue Linearführungssysteme lassen sich mit modernen Methoden problemlos herstellen, wobei maximale Parallelitätsabweichungen im Bereich von 2 µm/m prozeßsicher gefertigt werden können. Schwierigkeiten treten erst bei der Endmontage des Systems auf. Mit Profilschienenführungen lassen sich auch bei sorgfältiger Montage keine Ablaufgenauigkeiten besser als 5 µm pro 500 mm Verfahrweg erreichen.
   

Präzisions-Schienenführungen haben sich mit Führungsgenauigkeiten von 1 µm oder besser als geeignet für hochgenaue Tischsysteme erwiesen.
   

Sie ermöglichen sehr genaue Ausrichtung und Nachläppen der Führungsbahnen, wenn dies zur Erhöhung der Führungsgenauigkeit erforderlich ist. Ihr Nachteil ist der begrenzte Verfahrweg. Durch den Einbau von Zwangsführungen wird das Wandern der Käfige unter ungünstigen Betriebsbedingungen verhindert.
   

Vergleichsmessungen an drei Kreuztischen – wälzgelagert, aerostatisch und hydrostatisch gelagert – zeigen, daß mit nadelgeführten Präzisions-Schienenführungen Führungsgenauigkeiten fast wie bei aerostatischen Führungen erreicht werden können.
Auswahl des Antriebssystems

On-line-Kompensation, die auf einem integrierten Laser-Geradheitsmeßsystem basiert, kann die Genauigkeit zusätzlich erhöhen. Dabei werden Abweichungen eines Arbeitspunkts von der Referenzgeraden infolge von Führungsbahnabweichungen, Bearbeitungskräften, Gewichtskräften usw. während der Bearbeitung erfaßt und über Korrekturgrößen an den Tischen ausgeglichen.
   

Vier Untersuchungsmethoden wurden entwickelt, um das dynamische Verhalten von Antriebssystemen zu bewerten.
   

Der Step-Response-Test bestimmt die Genauigkeit kleinster Verfahrschritte im Mikrometer- und Submikrometerbereich. Dabei wird der Schlitten vorwärts wie rückwärts um kleine Schritte verfahren. Aus den Ergebnissen läßt sich die kleinste Schrittweite ermitteln, bei der der verbliebene Positionsfehler gleich der Schrittweite selbst ist.
   

Der Positioniergenauigkeitstest nach VDI/DGQ 3441 ist ein Standard-Abnahmeverfahren für Werkzeugmaschinen zur statistisch abgesicherten Prüfung von Vorschubantrieben. Hierbei wird der Verlauf der Positionierfehler über den in Meßpunkten aufgeteilten Verfahrweg ermittelt und statistisch ausgewertet.
   

Der Gleichförmigkeitstest untersucht die Vorschubabweichungen bei konstanter Soll-Vorschubgeschwindigkeit. Während der Verfahrbewegung werden die Soll- und Ist-Positionswerte aufgezeichnet und die Vorschubabweichung in Form von Positions- und Geschwindigkeitsschwankungen in Prozent der Soll-Geschwindigkeit ermittelt.
   

Beim Reverse-Test werden die auftretenden Vorschubfehler für nur eine Achse ermittelt, wobei der Vorschubantrieb eine kosinusförmige Bahn durchläuft. Daraus können verschiedene Eigenschaften ersehen werden, beispielsweise das Loslaufverhalten, die Umkehrspanne, die Gleichförmigkeit bei verschiedenen Geschwindigkeiten oder die Linearität bei kleinen Signalen. Besonders interessant sind die Bereiche, wo die Geschwindigkeit das Vorzeichen wechselt.
   

Geschliffene Wälzgewindetriebe haben sich beim Einsatz im Präzisionsbereich bestens bewährt. Beim Step-Response-Test können Schrittweiten von 10 nm gefahren werden. Auch ist ein gutes Verhalten im Gleichförmigkeitstest mit Wegabweichungen im Bereich von 0,1 bis 0,2 µm zu erkennen. Eine Schwäche zeigt sich jedoch beim Reverse-Test; hier können beim Nulldurchgang des Geschwindigkeitswerts Wegabweichungen bis zu 3 µm auftreten. Wenn kein lineares Meßsystem verwendet wird, das parallel zur Verfahrachse angebracht ist, kann sich der Fehler abhängig von der Tischposition noch vergrößern.
   

Antriebssysteme, die eine hohe Verfahrgeschwindigkeit mit relativ hoher Positioniergenauigkeit verbinden, sind meist als vorgespannte Zahnriemenantriebe konzipiert. Anhand einer speziellen Regelungscharakteristik wird die Position ohne übermäßige Schwingungen im Antriebssystem angefahren. Dies bedeutet jedoch eine zusätzliche Erhöhung der Taktzeit, was etwa bei Leiterplatten-Bestückungsautomaten die Kapazität verringert.
   

Ein völlig neues Konzept ist der lineare Direktantrieb, der die Eigenschaften von hochgenauen und hochdynamischen Positioniersystemen in sich vereinigt.
   

Er wird üblicherweise zwischen den Führungssystemen eingebaut, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu erhalten. Ein lineares Meßsystem ist möglichst nah am Motor befestigt, um eine genaue Positionsmessung zu gewährleisten. Durch die direkte Umsetzung von elektrischer Energie in Vorschubkräfte fehlen hier jegliche mechanischen Übertragungsglieder, so daß ein steifer Regelkreis erreicht wird. Es ergibt sich somit eine sehr hohe Regeldynamik, verbunden mit guter Bahngenauigkeit und geringem Schleppfehler. Positionier- und Wiederholgenauigkeit sind dabei erheblich höher als bei herkömmlichen Wälzgewindetrieben.
   

Ein wesentlicher Vorteil ist hierbei der verschleißfreie Betrieb, unabhängig von Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung. Um eine wirtschaftliche Fertigung der Motorelemente zu ermöglichen, werden einige Grundtypen von dreiphasigen Synchronantrieben angeboten, die jeweils gleichen Querschnitt aufweisen und deren Vorschubkräfte durch die Länge bestimmt werden.
   

Vergleicht man die Positionierzeiten von hochgenauen Zahnriemenantrieben und Direktantrieben, so erkennt man, daß bei Hüben bis 50 mm die Zeit vom Start bis zum Einlaufen in die Position um 50 % reduziert werden kann. Hierbei wurden maximale Geschwindigkeiten von 3 m/s und Beschleunigungen über 30 m/s2 gemessen.
   

Diese Ergebnisse sind jedoch nur dann möglich, wenn das Gesamtsystem von einem Anbieter komplett konzipiert und gefertigt wird. Hierbei müssen die Führungssysteme auf die mechanischen Anforderungen des Tisch- und Motorsystems abgestimmt sein, und das verwendete Meßsystem muß die geforderten Positioniergenauigkeiten und -zeiten ohne ungünstige Betriebsbedingungen für den Motor ermöglichen. Die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems wird im wesentlichen durch die Eigenfrequenz der Mechanik bestimmt.
Anwendungsbeispiele
Die meisten Anwendungen von direktangetriebenen Tischsystemen finden sich heute im Bereich der Elektronikindustrie, etwa in Bestückungsautomaten für Leiterplatten, Bonding-Einrichtungen und Lötstellentestern. Ein weiterer Bereich sind Montageeinrichtungen für Mikro-Bauteile, wo hohe Positioniergenauigkeit und Geschwindigkeit als Vorteil gegenüber konventionellen Antriebssystemem gelten.
   

Bonding-Einrichtungen erfordern hohe Hubfrequenzen, minimale Zykluszeiten und hohe Meßauflösung. Folgende Werte wurden erreicht:

Belastung		50 – 100 N
Geschwindigkeit		0.1 – 0.5 m/s
Beschleunigung		5 – 20 m/s2
Positionstoleranz		+/- 1 µm
Meßtoleranz		0.1 µm
Hub		160 x 160 mm

In Führungseinheiten für Abrichter von Schleifmaschinen sind große Gleichförmigkeit bei sehr geringen Verfahrgeschwindigkeiten und große Führungsgenauigkeit gefordert. Typische technische Daten:

Belastung		1,000 N
Geschwindigkeit		1 – 10,000 µm/s
Beschleunigung		1 m/s2
Positionstoleranz		+/- 1 µm
Meßtoleranz		0.01 µm
Hub		50 mm

Geradheitsabweichungen:

Seite		0.4 µm
Höhe		0.7 µm
Umkehrspiel		0.04 µm

Zur Führung wurden Präzisions-Schienenführungen mit Nadelrollenkäfigen verwendet, die sich durch hohe Steifigkeit auszeichnen. Die Temperatur des Primärteils, das im stehenden Untertisch montiert ist, wird durch eine Kühleinrichtung geregelt. Der Tisch ist durch eine Dichtleiste am Umfang komplett abgedichtet.
   

Direktangetriebene Systeme finden immer häufiger Anwendung im industriellen Einsatz, wo konventionelle Antriebssysteme an ihre Grenzen stoßen.
Hermann Glöckner  

SKF Linearsysteme GmbH, Schweinfurt, Deutschland