Glossar Positioniersysteme

Teil II - Mechanik 

Aluminium 

Aluminium besitzt eine geringe Dichte, ist widerstandsfähig gegen Kaltfluss, hat ein günstiges Verhältnis zwischen Steifheit und Gewicht und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Deshalb eignet sich Aluminium besonders für Anwendungen mit thermischen Gradienten oder Anwendungen, bei denen eine schnelle Anpassung an die Temperatur erforderlich ist. Aluminium lässt sich gut bearbeiten und das Rohmaterial ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Deshalb wird Aluminium häufig für Bauteile von Messtischen eingesetzt. Selbst bei unbehandelter Oberfläche gibt es in normaler Umgebung keine störende Korrosion. Eloxiertes Aluminium besitzt eine besonders widerstandsfähige Oberfläche.Eloxierte Oberflächen sind porös und daher für Vakuumanwendungen nicht geeignet.

Oberflächencharakteristik Aluminium 

Eloxiertes Aluminium besitzt eine korrosionsbeständige und widerstandsfähige Oberfläche. Meist wird die Farbe schwarz verwendet um bei optischen Geräten die Blendwirkung zu verringern. Eloxieren härtet die Oberfläche und erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Kratzen und Abnutzung.

Aktuatoren 

Bei den hier beschriebenen Aktuatoren wird ein Schlitten durch Ein- und Ausfahren einer Welle mittels einer elektromagnetischen Einheit bewegt. Zur Minimierung von Umkehrspiel und Hysterese wird der Schlitten häufig mit einer Feder gegen die Antriebswelle vorgespannt.

Rotierende Spindel 

Bei vielen Aktuatoren wird das Drehmoment des Motors zum Drehen und Ausfahren einer Spindel genutzt. Bei dieser Methode dreht sich die Aktuatorspitze auf der Oberfläche des Schlittens. Dadurch treten an der Spitze Probleme wie Exzentrizität und Unebenheit auf, die durch Abrunden der Aktuatorspitze, d.h. eine Verringerung der Kontaktfläche, minimiert werden können. Ein Vorteil der rotierenden Spindelantriebe ist ihre kompakte Größe. Bei allen Tischen der Feinmess Dresden GmbH wird dies standardmäßig durch eine spezielle Kupplung, welche zwischen Tischplatte und Spindel entkoppelt, erreicht.

Nicht-rotierende Spindel 

Besser sind hingegen Aktuatoren wie Piezoaktuatoren und elektrostiktive Aktuatoren oder aber Aktuatoren mit spezieller Spindelkonstruktion.
Obwohl Piezoantriebe sich hervorragend für die Mikropositionierung eignen, ist ihre Wiederholgenauigkeit aufgrund der hohen Hysterese und Langzeitdrift nur ungenügend.
Deshalb wurden elektrostriktive Antriebe entwickelt, die eine ebenso feine Positionierung mit weitaus weniger Hysterese und Drift ermöglichen. Das kleinste realisierbare Bewegungsintervall beträgt bei diesen Antrieben 5nm.
Elektrostriktive und piezoelektrische Materialien arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Abhängig von der angelegten Spannung dehnen sie sich aus oder ziehen sich zusammen. Jedoch nutzt der elektrostriktive Antrieb einen Stapel aus PMN-Kristallen, während der piezoelektrische Antrieb einen Stapel von Blei-Zirkonat-Titanat-Kristallen (PZT) verwendet. Der PMN-Stapel besteht aus vielen einzelnen Schichten mit ca. 120 µm bis ca. 250 µm Dicke, die mittels "diffusion bonding" miteinander verbunden sind. Die Gesamt-Verschiebung ergibt sich aus der Verformung der einzelnen Lagen.
Bei PMN-Materialien ist diese Längenänderung proportional zum Quadrat der angelegten Spannung und etwa in der gleichen Größenordnung wie bei PZT. Im Gegensatz zu piezoelektrischen Materialien sind PMN-Keramiken nicht gepolt. Positive oder negative Spannungsänderungen bewirken eine Ausdehnung in Richtung des elektrischen Feldes - unabhängig von der Polarität. Da PMN nicht gepolt ist, verhält sich das Material beträchtlich stabiler und weist auch keine Langzeitdrift auf.

Antriebe, manuell 

Manuelle Antriebe bestehen meist aus einer Feinverstellschraube mit gerändeltem Drehknopf. Die Einstellempfindlichkeit hängt von der Spindelsteigung ab. Bei allen von Feinmess Dresden gelieferten manuellen Antrieben wird eine Einstellempfindlichkeit von 1 µm angegeben. Dabei hat der Drehknopf meist einen Durchmesser von 30 mm und die Gewindesteigung beträgt 1 mm. Mit Untersetzungsgetrieben lässt sich eine Einstellempfindlichkeit von bis zu 0,1 µm erreichen.

Antriebssysteme 

Im Allgemeinen werden bei Linear- und Rotations-Präzisionspositionierern folgende Antriebe verwendet: Gewindespindel, Kugelumlaufspindel und Schneckenantrieb. Zwischen Antrieb und Motor befinden sich Kupplungen und Getriebe, d. h. Komponenten, die die Dynamik des Systems (z.B. Drehzahl, Belastbarkeit, Umkehrspiel, Steifheit des Antriebs) beeinflussen. Das Getriebe ist häufig im Motor integriert. Anders der Piezokeramikmotor, hier ist lediglich eine Keramikleiste vorhanden.

Ausdehnung, thermisch 

Temperaturschwankungen verursachen Größen- und Formänderungen von Komponenten. Die Änderung hängt von der Größe des Bauteils, des Aufbaus des Produktes (Bimetalleffekt) der Temperaturänderung und von dem verwendeten Material ab.

Absolute Encoder 

Absolute Encoder besitzen mehrere Detektoren und mehrere Spuren mit Schwarz-Weiß-Mustern. Jeder Encoderposition ist ein spezifisches binäres Ausgangssignal zugeordnet, d. h. die Achsenposition wird absolut bestimmt. Absolute Encoder liefern den absoluten Positionswert direkt nach dem Einschalten oder nach einer Störung.

Inkrementale Encoder 

Bei besonders auflösenden Anwendungen oder wenn nur relative Informationen gebraucht werden, sind inkrementale Encoder vorzuziehen. Hierbei werden die elektronischen Ausgangssignale durch die Bewegung eines Lineals oder einer Scheibe mit Strichmuster erzeugt.
Viele inkrementale Encoder besitzen einen sogenannten Indeximpuls. Der Indeximpuls wird bei Rotationsencodern einmal pro Umdrehung abgegeben. Er kennzeichnet eine absolute mechanische Referenzposition der 360° Kreisteilung und ist genau einem Messschritt zugeordnet. Der Indeximpuls stellt die Verbindung von relativen Gerätekoordinaten zu absoluten Systemkoordinaten dar.

Linearencoder 

Linearencoder kommen zum Einsatz, wenn eine Direktkontrolle von Positioniergenauigkeit, Auflösung und Wiederholgenauigkeit gewünscht wird. So können Ungenauigkeiten in mechanischen Messtischen, die durch Umkehrspiel, Hysterese und Spindelfehler verursacht werden, ausgeglichen werden. (siehe auch Längenmeßsystem)

Optische Encoder 

Optische Encoder werden in der Regel als Rotations- oder Linearencoder zur Bewegungs- und Positionserfassung verwendet.
Eine Scheibe bzw. Lineal mit durchsichtigen und undurchsichtigen Feldern wird zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor bewegt, wobei der Lichtstrahl unterbrochen wird. Aus der Lichtstärke werden dann Rückschlüsse auf die jeweilige Position gezogen. Die dadurch erzeugten elektrischen Signale werden an den Controller gesendet, der dann die Position und Geschwindigkeit aufgrund der empfangenen Signale berechnet. Bei optischen Encodern wird zwischen absoluten und inkrementalen Encodern unterschieden.

Quadratur-Encoder 

Quadratur-Encoder sind ein spezieller Typ von inkrementalen Encodern mit mindestens zwei Ausgangssignalen, die häufig mit Kanal A und Kanal B bezeichnet werden. Durch den zweiten Kanal wird die Bewegungsrichtung angegeben. Die Fähigkeit, ist dann wichtig, wenn die Encoderrotation an der Flanke eines Impulses stoppt. Ohne die Richtungsangabe könnte der Zähler jeweils die ansteigende Signalflanke zählen und die Position verlieren.
Ein weiterer Vorteil des Quadratur-Signale: Die Anzahl der Impulse pro Umdrehung kann elektronisch erhöht werden. Im 1-Takt-Modus werden die Impulse durch die ansteigenden Flanken auf Kanal A erzeugt. Im 2-Takt-Modus werden die ansteigenden und absteigenden Flanken auf Kanal A benutzt. Und im 4-Takt-Modus werden die ansteigenden und absteigenden Flanken auf Kanal A und Kanal B benutzt. Dadurch lässt sich die Auflösung vervierfachen. Bei Encodern mit sinusförmigen Ausgangssignalen kann durch Interpolation der Signale eine sehr hohe Auflösung erzielt werden.

Führungen 

Führungen ermöglichen grundsätzlich leichtgängige Rotations- oder Linearbewegungen mit geringer Reibung zwischen zwei Körpern. Führungen beinhalten entweder eine Gleitbewegung oder eine Rollbewegung.
Die Belastbarkeit und die Führungsgenauigkeit eines Rotations- bzw. eines Linearmesstisches werden in erster Linie von der Art der Führung beeinflusst.

Kreuzrollenführungen 

Kreuzrollenführungen bieten alle genannten Vorteile von Kugelführungen bei erhöhter Belastbarkeit und Steifheit. Dies rührt aus den Punktkontakten der Kugelführung die durch die Linienkontakte der zylindrischen Rollen ersetzt werden.
Kreuzrollenführungen sind in der Herstellung etwas aufwendiger. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen höchste Stabilität, Steifheit und Widerstandsfähigkeit gefordert wird.

Kugelführungen 

Bei Kugelführung wird die Gleitbewegung durch Rollbewegung ersetzt, was die Reibung vermindert. Die Kugeln werden zwischen gehärtetem Stahl in V-Nut-Führungen zusammengehalten. Zur Beseitigung von Spiel werden die Führungen von außen an die Kugeln gepresst. Selbst unter dieser Vorspannung bleibt die Reibung so gering, dass sich eine leichtgängige, ruckfreie Positionierung durchführen lässt. Kugelführungen sind relativ unempfindlich gegen Verunreinigungen, da sich Kugel und Führung in einem einzigen Punkt berühren; Schmutz wird hierdurch zur Seite geschoben.
Kugelführungen mit V-Nut-Führungen besitzen eine geringere Belastbarkeit als Kreuzrollenführungen, da der Kontaktbereich zur Lastübertragung kleiner ist. Bei gleicher Belastung müssten die Kugeln daher größer oder zahlreicher sein.
Bei Führungen mit einem gotischen Profil, ist die Form den Radien der Kugeln besser angepasst; dadurch können bei solchen Systemen kleinere Kugeln verwendet werden als bei ebenen Führungen. Die Bogenform kommt einer V-Nut-Führung sehr nahe, die vertikale Belastung teilt sich in zwei Belastungen mit einen 45° -Winkel auf.

Getriebe 

Getriebe dienen der Übertragung von Drehbewegungen und -momenten. Häufig werden Getriebe zur Untersetzung eingesetzt, um eine höhere Auflösung zu erreichen, die von Standard-Motoren nur schwer oder gar nicht erzeugt werden kann. Bei einem Untersetzungsgetriebe mit einem Verhältnis 10:1 erzeugen 10 Umdrehungen der treibenden Welle eine Umdrehung der getriebenen Welle. Ein 200-Schrittmotor könnte in Kombination mit diesem Getriebe eine effektive Auflösung von 2000 Impulsen pro Umdrehung erreichen.
Getriebe mit Über- oder Untersetzung verändern genauso wie die Spindelsteigung auch das Abtriebsmoment und die Abtriebsdrehzahl. In obrigem Beispiel wird das Drehmoment erhöht und die Geschwindigkeit verringert.

Gewindespindeln 

Zur Bewegung von Lasten wird die axiale Linearbewegung einer Mutter, die auf einer rotierenden Schraube sitzt benutzt. Gewindespindeln zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zur Selbsthemmung, geringe Anschaffungskosten, einfache Herstellung und eine große Auswahl an Materialien aus. (siehe auch Kugelgewindetrieb)

Gleichstrom- und Schrittmotoren (Funktionsprinzip) 

Der grundlegende Unterschied zwischen Gleichstrom- und Schrittmotoren liegt in ihrem Funktionsprinzip. Beim Gleichstrommotor wird beim Anlegen einer Spannung ein Drehmoment und eine Rotationsbewegung erzeugt. Beim Schrittmotor wird nur ein Drehmoment erzeugt. Um die Rotationsbewegung des Motors zu erzeugen, muss der Strom kommutiert werden.
Kommutierung ist die Umkehrung der Richtung eines Stromflusses der elektromagnetischen Spule während einer Motordrehung. Ein Gleichstrommotor mit Bürsten ist selbstkommutierend, während der Schrittmotor nicht eigenständig kommutieren kann.
Es gibt drei Arten von Schrittmotoren: Motoren mit Permanentmagnet, Motoren mit variabler Reluktanz und Hybridmotoren.

Gleichstrommotoren mit Bürsten 

Ein Gleichstrommotor mit Bürsten besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Rotor senkrecht zur Zylinderachse orientierten Spulen. Die durch Anlegen einer Spannung auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Spulen und dem Magnetfeld des Stators versetzen den Rotor in Bewegung. Um eine leichtgängige, kontinuierliche Bewegung mit konstantem Drehmoment zu erzeugen, müssen die Stärke und Ausrichtung der Rotor- und Statorfelder konstant gehalten werden. Deshalb werden auf dem Rotor mehrere Spulen angeordnet, deren elektrische Kommutierung über zwei Bürsten erfolgt.
Das Hauptmerkmal von Gleichstrommotoren ist ihre Laufruhe bei hohen Drehzahlen. Ein Gleichstrommotor dreht sich, solange Strom durch seine Spulen fließt. Für eine genaue und zuverlässige Positionierung ist Positionsrückmeldung per Encoder erforderlich.

Granit 

Aufgrund der einzigartigen physikalischen Eigenschaften und den Fortschritten in der Bearbeitungstechnik sind Granitstrukturen für Grundkonstruktionen besonders gut geeignet. Die Ebenheit der Oberfläche hat häufig einen erheblichen Einfluss auf die Führungsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit des gesamten Systems.
Die polierten Granitoberflächen dieser Strukturen zählen mit typischerweise +/- 15 µm pro m2 zu den ebensten Oberflächen, die auf dem Markt erhältlich sind. Durch Handläppen der Oberflächen erhält man geometrisch perfekte Oberflächen, die wesentlich ebener sind als das, was man mit Maschinen erreichen kann.
Eine wichtige Eigenschaft von Granit ist die extreme Härte, wodurch er sich sehr maßhaltig läppen lässt. Untersuchungen haben bestätigt, dass Granit eine bessere Abrieb- und Stoßfestigkeit besitzt als Stahl. Durch seine besondere Festigkeit ist Granit für große Systeme mit hohen statischen Belastungen gut geeignet. Außerdem ist Granit nicht magnetisch und deshalb gut für Elektronenstrahl-Anwendungen geeignet. Granit reagiert nur mit wenigen Chemikalien.
Wegen der außergewöhnlichen Formstabilität wird Granit für Präzisionsstrukturen verwendet. Da er keine inneren Spannungen aufweist, ist sein Verhalten bei Temperaturveränderungen gleichmäßig und berechenbar. Aufgrund der hohen Masse besitzt Granit eine hohe thermische Trägheit, wodurch Experimente und andere Prozesse kaum von kurzfristigen Temperaturänderungen beeinflusst werden.
Für Anwendungen, bei denen keine extreme Ebenheit erforderlich ist, bieten Stahlwerkskonstruktionen ein besseres Verhältnis von Masse zur Steifheit und können mit Dämpfern für bestimmte Frequenzen optimiert werden.

Hybridschrittmotoren 

Hybridschrittmotoren vereinen die Vorteile von Motoren mit variabler Reluktanz mit denen der Motoren mit Permanentmagneten. Sie besitzen vielzahnige Statorpole und einen vielzahnigen Rotor. Sie weisen ein großes Haltemoment und ein hervorragendes dynamisches und statisches Drehmoment auf und können hohe Schrittgeschwindigkeiten erreichen.
Bei Hybridschrittmotoren sitzen normalerweise zwei Spulen auf einem Statorpol, so dass der Pol je nach Stromrichtung als magnetischer Nord- oder Südpol fungieren kann. Hybridmotoren stehen für einen weiten Drehmomentbereich zur Verfügung.

Instabilität des Materials 

Die Instabilität beschreibt die Änderung der physikalischen Abmessungen über die Zeit und wird auch als Kaltschluss oder Kriechen bezeichnet. Aluminium, Messing oder Edelstahl sind sehr unempfindlich gegen derartige Veränderung.

Kugelgewindetriebe 

Kugelumlaufspindeln sind im Wesentlichen Gewindespindeln mit einer Reihe von Kugellagern mit Kugelrückführung zwischen Spindel und Mutter. Das Profil der Spindel ist zur besseren Anpassung an die rücklaufenden Kugeln abgerundet. Der Hauptvorteil von Kugelumlaufspindeln ist ihr höherer Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von nutzbarer Energie zu aufgewandter Energie. Weitere Vorteile von Kugelumlaufspindeln sind hohe Lebensdauer und geringer Verschleiß. Da Kugelumlaufspindeln aber nicht selbsthemmend sind, erfordern sie gegebenenfalls zur Vermeidung von Rücklauf eine zusätzliche Bremse.
In praktisch jedem Anwendungsfall trägt der Kugelgewindetrieb maßgeblich zum gesamten Leistungsbild bei und bestimmt auch zu einem hohen Prozentsatz die Kosten des Endprodukts, da er in der Regel auch zu den teuersten Zukaufteilen gehört. Steinmeyer hat sich auf diesem Gebiet einen hervorragenden Ruf erworben. Hochentwickelte Fertigungstechnik in Verbindung mit jahrzehntelanger Erfahrung auf diesem Gebiet gibt Steinmeyer die Möglichkeit, technisch und wirtschaftlich immer "am Ball" zu bleiben. Steinmeyer Flexibiltät und die Breite des Fertigungsprogrammes ist einmalig am Markt. Das Produktionsprogramm beinhaltet ein Standardprogramm von Miniatur-Kugelgewindetrieben der Nenndurchmesser 3 bis 16 mm sowie verschiedene standardisierte Mutternausführungen der Nenndurchmesser 16 bis 100 mm. Durch die einmalige innovative Mutterntechnologie wie interne Kugelrückführung und das patentierte Verspannungssystem UNILOCK, ist es Steinmeyer in Sonderfällen möglich, Muttern mit kleinstem Außendurchmesser zu fertigen. Dies ist Anwendern bei konstruktiv bereits dimensionierten Antrieben oft sehr hilfreich. Steinmeyer bietet seinen Kunden individuelle Beratung und optimale Lösungen für Antriebsprobleme aller Art an.

Vorspannung von Kugelgewindetrieben 

Steinmeyer fertigt Kugelgewindetriebe mit vier verschiedenen Vorspannungsarten und deckt somit alle Einsatzbereiche ab. Grundsätzlich dient die Vorspannung zur Herstellung spielfreier Kugelgewindetriebe sowie zur Steifigkeitserhöhung. Da die Vorspannung das Drehmoment und die jeweilige Lebensdauer sehr stark beeinflusst, sollten diese Werte sehr sorgfältig ausgewählt werden.

Doppelmutter 

Besonders für Kleinkugelgewindetriebe hat Steinmeyer die federverspannte Doppelmutter entwickelt. Mit dieser Vorspannart können geringste Reibmomente bei gleichzeitig praktisch völlig konstanter Vorspannung erreicht werden. Technische Details der Doppelmuttern-Baureihe 1510/1530 finden Sie im Steinmeyer-Katalog "Miniatur-Kugelgewindetriebe".
Die Steinmeyer Doppelmutter mit UNILOCK-Vorspannsystem stellt eine patentierte Entwicklung im Bereich der Doppelmuttern dar. Hierbei handelt es sich um zwei Muttern, welche durch einen eingeschlossenen Epoxidharzring formschlüssig gegeneinander verspannt werden und somit die stufenlose Einstellung der Vorspannung ohne Zwischenringe ermöglichen.
UNILOCK - ermöglicht es, kompakte Doppelmuttern mit erhöhten Steifigkeitswerten und verbesserter Präzision herzustellen. Die Vorspannung ist unkompliziert, genau und dauerhaft einstellbar. Das Steinmeyer -UNILOCK- Vorspannsystem hat sich im Einsatz tausendfach bewährt.

Einzelmutter 

Einzelmuttern sind mit Axialspiel oder mit Vorspannung durch Kugelübermaß (ohne Axialspiel) lieferbar. Die spielfreie Ausführung mit Einzelmutter ist oftmals dann die optimale Lösung, wenn bei großer Steigung nicht genügend Einbauraum für eine Doppelmutter zur Verfügung steht. Auch bei besonderen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit bei Ultrapräzisions-Anwendungen hat die Einzelmutter mit 4-Punkt-Kontakt oft Vorteile zu bieten.
Steinmeyer hat die Technik der vorgespannten Einzelmutter perfektioniert. Es können Laufeigenschaften erzielt werden, die mit denen einer Doppelmutter vergleichbar sind.
Für gesteigerten Wirkungsgrad und Steifigkeit zeigt die Zweipunktanlage optimale Lösungen. Die Zweipunktanlage wird bei der "Pitch-Shift-Mutter" durch axialen Steigungsversatz (kurzzeitige Vergrößerung der Steigung beim Innengewindeschleifen) erzeugt. Diese Ausführung wird dann eingesetzt, wenn der zur Verfügung stehende Bauraum nicht für eine Doppelmutter ausreicht. Die technischen Daten entsprechend denen der Doppelmutter.

Kupplungen, flexible 

Kupplungen dienen der Übertragung von Kraft und Bewegung zwischen zwei versetzten Wellen. Flexible Kupplungen erlauben im Allgemeinen geringen Parallelversatz und Winkelfehler. Je nach Konstruktion eignen sie sich für mehr oder weniger starke Fehlausrichtungen, höhere Anforderungen an Steifheit und Belastbarkeit oder für höhere Drehzahlen.

Leitfähigkeit, thermisch 

Sind die Temperaturänderungen über das Bauteil ungleichmäßig, sollten spezielle Werkstoffe wie Aluminium gewählt werden. Kann die Wärme nicht schnell genug über den Werkstoff abgeführt werden, können aufgrund des Temperaturgradienten merkliche Verformungen auftreten. Die durch ungleichförmige Temperaturänderungen verursachte Verformung ist proportional zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten geteilt durch die thermische Leitfähigkeit.

Messing 

Messing ist eine Kupferlegierung mit einer höheren Dichte als Stahl. Es lässt sich leicht bearbeiten und ist sehr abriebfest. Es wird oft als Trennmaterial eingesetzt, um das Kaltschweißen zwischen Schrauben und Wellen aus Stahl oder Edelstahl zu verhindern. Messing wird in einigen hochpräzisen Anwendungen eingesetzt, die eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Kaltfluss erfordern. Aus Messing lassen sich besonders glatte Oberflächen fertigen.

Spezifikation 

Im Vergleich zu Aluminium und Stahl besitzt Messing ein schlechteres Verhältnis von Steifheit zur Dichte. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ähnlich wie bei Aluminium, die Wärmeleitfähigkeit ist hingegen nur halb so groß.

Oberflächencharakteristik 

Zum Einsatz im Optiklabor wird Messing häufig schwarz gebeizt. Um die Dauerhaftigkeit zu erhöhen kann es mit Chrom oder Nickel beschichtet werden.

Spezifikation 

Im Vergleich zu Aluminium und Stahl besitzt Messing ein schlechteres Verhältnis von Steifheit zur Dichte. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ähnlich wie bei Aluminium, die Wärmeleitfähigkeit ist hingegen nur halb so groß.

Oberflächencharakteristik 

Zum Einsatz im Optiklabor wird Messing häufig schwarz gebeizt. Um die Dauerhaftigkeit zu erhöhen kann es mit Chrom oder Nickel beschichtet werden.

Motoreigenschaften 

Motoren mit Permanentmagnet 

Motoren mit Permanentmagnet besitzen einen permanentmagnetischen Rotor, dessen Feld orthogonal zur Drehachse ausgerichtet ist. Bei der Erregung vier aufeinanderfolgender Felder wird der Rotor durch das wechselnde Magnetfeld in eine Drehbewegung versetzt. Typischerweise haben Motoren mit Permanentmagnet Schrittwinkel von 45° und 90°. Ihre Schrittgeschwindigkeit ist relativ gering, aber sie besitzen ein hohes Drehmoment und gute Dämpfungseigenschaften.

Motoren mit variablen Magnetwiderstand (VR-Motoren) 

Im Unterschied zu Motoren mit Permanentmagnet besitzen Motoren mit variabler Reluktanz einen Rotor mit mehreren Zähnen, wobei jeder Zahn ein eigenständiger Magnet ist. In Ruhestellung nehmen die Magneten eine natürliche Halteposition ein, wodurch ein größeres Haltemoment erzeugt wird.

Piezokeramikmotor 

Diese Antriebe verbinden die hervorragende Ortsauflösung konventioneller Piezoantriebe mit großen Stellbereichen bei hoher Verfahrgeschwindigkeit. Die Antriebe sind äußerst kompakt und ermöglichen einen raumsparenden Einbau. Sie wirken direkt ohne mechanische Zwischenelemente wie Getriebe und Spindeln und weisen daher keine Umkehrspanne auf.
 
Der Antrieb besteht aus dem Statorteil (meistens ortsfest), der piezokeramische Schwingstäbe enthält. Diese Schwinger wirken über Kontaktstifte federnd auf eine Läuferleiste, die am bewegten Teil eines Schlittens befestigt ist. Die stabförmigen Piezoelemente schwingen elektrisch angeregt in zwei überlagerten Schwingungsformen, einer Längs- und einer Biegeschwingung. Die Anregung erfolgt in einer bimodalen Resonanzfrequenz von 40 kHz. Dabei bildet sich in den Stäben eine stehende Wellenform aus. Die Überlagerung der Schwingungsformen führt zur Ausbildung von mikroelliptischen Bewegungen an den Stabenden. Da die Stäbe mit einer mechanischen Vorspannung auf der Läuferleiste aufliegen, übertragen sie mittels Reibung einen Antriebsimpuls auf den Läufer, dies erfolgt in der halben Zykluszeit (Zykluszeit T=25µs). In der weiteren Bewegungsphase kehren die Kontaktstäbe kraftfrei in die Ausgangslage zurück. Auf Grund der hohen Frequenz wirkt auf den Läufer quasi eine konstante Vorschubkraft, die von der Steuerspannung abhängt.
 
Die Steuerspannung am Motortreiber bestimmt die Größe der Schwingamplitude und damit die Kraft bzw. die Geschwindigkeit, während die Frequenz als Systemgröße gleich bleibt. Die Geschwindigkeit ist lastabhängig; sie fällt mit der Kraft nahezu linear ab.
 
Die Motoren erreichen maximale Geschwindigkeiten von über 350 mm/s. Im spannungslosen Zustand wirkt der Antrieb als Bremse. Dabei kann er eine bestimmte maximale Haltekraft aufbringen. Der Kraftbereich ist von der Anzahl der Piezoschwinger abhängig.
 
Zur Kraftsteigerung können auch mehrere Motoren auf einer Achse angeordnet werden. Sie werden dabei synchron von einer Treiberkarte angesteuert. Die Piezoschwinger tragen Gleitschuhe aus Hartkeramik. Als Laufbahn dienen geläppte Keramikleisten. Diese tribologische Paarung ermöglicht einen langen Betrieb von 20.000 Stunden bei einem Lastwechselzyklus von 50 % ED wird angegeben.
 
Rotatorische Antriebe lassen sich entweder durch radiale Anordnungen der Motoren auf dem Umfang eines Zylinders (Laufbahn als Keramikring) oder durch axiale Anordnung an einer Keramikscheibe angreifend, realisieren.
 
Die Motoren zeichnen sich durch das gänzliche Fehlen störender Magnetfelder aus und sind ihrerseits unempfindlich gegenüber externen magnetischen Feldern.
 
Die Motoren der Baureihe HR-1/8 sind Nachfolger der Baureihe SP-1/8. Im Wesentlichen wurde der Mechanismus zur Einstellung der mechanischen Vorspannung geändert. Dadurch wurde die Montage /Justage der Motoren erheblich vereinfacht.

Positionsmessung, indirekt und direkt 

Der Ort, an dem die Rückmeldeeinheit die Messungen vornimmt, ist von großer Bedeutung. Er hat einen direkten Einfluss auf die Güte der an die Steuerelektronik gemeldeten Daten, Je näher die Rückmeldeeinheit an dem zu kontrollierenden Parameter sitzt, desto genauer sind die Daten und desto exakter kann die gewünschte Position angefahren werden. Wird beispielsweise die lineare Position des Messschlittens direkt gemessen, sind die Daten der Rückmeldung präziser als wenn die Winkelposition der Antriebsspindel gemessen würde und die Position des Messschlittens berechnet würde. Die erste Methode wird als Direktmessung bezeichnet und vermeidet im Antriebsstrang auftretende Ungenauigkeiten wie Umkehrspiel, Hysterese und Verwindung, die bei der indirekten Messmethode auftreten können. Positioniersysteme der Feinmess Dresden GmbH zeichnen sich durch sehr exakte Antriebsstränge aus.

Referenzschalter und Endschalter 

Der Referenzschalter definiert einen wiederholbaren Referenzpunkt. Referenzschalter gibt es in mechanischer Ausführung (Ein/Aus-Schalter) oder als optisches Element. Auf Wunsch kann auch Präzisionsendschalter zur Referenzwertbestimmung eingesetzt werden.
 
Endschalter dienen zur Begrenzung des Verfahrbereiches. Sie sind häufig am Ende des Verstellweges, unmittelbar vor dem mechanischen Endanschlag angebracht. Es gibt sie in mechanischer und optischer Ausführung, sie schalten die Stromzufuhr des Antriebes ab, sobald das Ende erreicht wird. In der Regel werden Endschalter bei Linearmesstischen eingesetzt, sie können aber auch bei Rotationsmesstischen zur Vermeidung von Kabelverdrehung verwendet werden.
 
Zur Abschaltung der Stromzufuhr und zur Vermeidung von Überfahren der Position werden häufig mechanische Minischalter eingesetzt. Die Wiederholgenauigkeit von mechanischen Schaltern wird durch ihre Hysterese und Empfindlichkeit gegenüber Abnutzung eingeschränkt.
 
Positioniersysteme der Feinmess Dresden GmbH werden standardmäßig mit berührungslosen elektronischen Schaltern ausgerüstet, die diese Nachteile nicht aufweisen.

Reinraumtauglichkeit 

Bei FMD sind die notwendigen Einrichtungen vorhanden, um die Produkte für Reinraumanwendungen vorzubereiten. Viele Methoden, Regeln, Verfahren und Materialanforderungen für Reinraumanwendungen sind denen der Vakuumpräparation ähnlich, und doch sind die Anforderungen für jede Anwendung verschieden. Wenden Sie sich bitte an unsere Produktmanager, um über die speziellen Anforderungen Ihrer Anwendung zu sprechen.

Rückkopplungssysteme 

Die Hauptaufgabe eines Rückkopplungssystems besteht darin, einen physikalischen Parameter in ein elektrisches Signal für die Regelelektronik umzuwandeln. Für die Positionsrückmeldung werden häufig Encoder, für Geschwindigkeitsrückmeldung Tachometer und für Beschleunigungsrückmeldung Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt.

Schneckenantrieb 

Beim Schneckengetriebe wird durch die Verzahnung von einer Schraube (Schnecke) mit dem Schneckenrad eine Drehbewegung in eine weitere Drehbewegung in anderer Richtung übersetzt. Die Drehbewegung der Schnecke bewirkt durch das Ineinandergreifen der Zähne eine Drehbewegung des Schneckenrades. Vorteile des Schneckenantriebes gegenüber Direktantrieben sind höhere Geschwindigkeiten und eine höher Belastbarkeit.

Schrittmotoren 

Schrittmotoren funktionieren nach dem Prinzip von magnetischer Anziehung und Abstoßung. Sie wandeln elektrische Impulse in mechanische Achsrotation um. Der Drehwinkel ist proportional zur Anzahl der Eingangsimpulse und die Drehzahl ist abhängig von der Impulsfrequenz. Typischerweise besitzen Schrittmotoren einen Permanentmagneten und/oder einen eisernen Rotor sowie einen Stator. Das zur Drehung des Schrittmotors erforderliche Drehmoment wird über eine Kommutierung erzeugt.

Stahl 

Stahl besitzt eine hohen Elastizitätsmodul und zeichnet sich durch eine hohe Steifheit (etwa dreimal so hoch wie Aluminium) und Stabilität aus. Die thermische Ausdehnung ist nur halb so groß wie bei Aluminium. Daher eignet sich Stahl gut für Betriebsumgebungen mit gleichförmigen Temperaturänderungen. Edelstahl kann problemlos im Vakuum eingesetzt werden.

Spezifikation Stahl 

Die Bearbeitung von Stahl ist wesentlich aufwendiger als bei Aluminium, weshalb Komponenten aus Stahl teurer sind als Aluminiumbauteile. Durch Legierungen werden Stähle korrosionsunempfindlich.

Oberflächencharakteristik Stahl 

Stahlbauteile sind meist beschichtet oder lackiert. Die Beschichtungen bestehen meist aus Chrom, Nickel, Farbe oder Pulverbeschichtung. Für Schrauben und Montageteile wird häufig einen schwarzes Oxidfinish verwendet um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Edelstahllegierungen benötigen meist keine zusätzliche Schutzschicht.

Steifheit 

ist die für eine bestimmte Verformung aufzubringende Kraft. Das Verhältnis von Kraft und Verformung ist über einen großen Bereich konstant und lässt sich mit folgender Gleichung beschreiben:

F = kx

F ist die Kraft, x die Verformung und k eine materialabhängige Konstante. Das Material ist umso steifer, je höher der Wert für k ist.

Tachometer 

Bei Anwendungen, die eine Geschwindigkeitsregelung erfordern, kann die Geschwindigkeit entweder direkt gemessen oder über die vom Encoder gelieferten Positionsangaben ermittelt werden. Mit einem Tachometer wird eine präzisere Geschwindigkeitskontrolle erzielt. Das Tachometer erzeugt eine Spannung oder einen Strom, die sich proportional zur Motordrehzahl verhalten. Die Rückmeldung über Tachometer gibt eine Geschwindigkeitsänderung sofort an, was eine schnelle Korrektur und eine genaue Regelung durch die Regelungselektronik ermöglicht.

Vakuumpräparation 

Alle Messtische der Feinmess Dresden GmbH sind im Vakuum bis zu 10-2 Torr ohne besondere Präparation einsetzbar.
Auf Anfrage können wir alle Messtische mit Schrittmotor mit Vollschrittbetrieb oder Piezokeramikmotor für ein Vakuum von bis 10-6 Torr präparieren. Zum Antrieb dieser Messtische sind spezielle Treibermodule verfügbar, die mit unserem Controller kompatibel sind.

Vakuumtauglichkeit 

Messtische, die ab 10-6 Torr eingesetzt werden, erfordern eine spezielle Vorbereitung. Viele Materialien, die in Standardanwendungen verwendet werden, gasen im Hochvakuum aus. Durch dieses "virtuelle Leck" wird die Erhaltung und Erreichbarkeit des Vakuums eingeschränkt.
 
Die von OFD verwendeten Verfahren zur Präparation für eine Vakuumumgebung garantieren, dass unsere Produkte bei bis zu 10-6 Torr problemlos funktionieren und dabei die Vakuumumgebung nur geringfügig kontaminieren.
 
Für eine richtige Präparation muss die Betriebsumgebung bekannt sein. Nicht nur Betriebsdruck, auch zulässige Niveaus von Ausgasen, Massenverlust und Kondensation können je nach Anwendung, Pumpkapazität, Temperatur usw. varieren.
 
Die Materialien müssen für eine Vakuumanwendung speziell ausgewählt werden, d. h. geeignete Metalle, Keramiken, Beschichtungen, Schmierstoffe, Kleber, Gummis, Kunststoffe, elektrische Bauteile usw. Poröse, eloxierte Aluminiumoberflächen beispielsweise enthalten zahlreiche Luftmoleküle, was zu einer beträchtlichen Ausgasrate führt. Deshalb wird bei Hochvakuum-Anwendungen nur uneloxiertes Aluminium verwendet. Auch Motoren müssen für Vakuum-Betrieb speziell präpariert werden. Bei der Fertigung muss darauf geachtet werden, dass keine Oberflächen geschaffen werden, die Gase und anderes Fremdmaterial leicht einschließen und dann in der Vakuumumgebung wieder abgeben können. Weiterhin ist zu gewährleisten, dass in Montagehohlräumen kein Gas eingeschlossen ist.
 
Über die Materialauswahl und die Fertigung hinaus müssen auch bei der Reinigung, Handhabung, Montage und Verpackung spezielle Regeln befolgt werden. Um die Möglichkeit einer Verunreinigung aus der Luft zu minimieren, werden diese Arbeiten in einer reinen Umgebung ausgeführt.
 
Wärme wird beispielsweise nur schlecht abgeführt, deshalb muss die Einschaltdauer des Motors verkürzt werden, was wiederum die Höchstdrehzahl beschränken kann. Wenn für Ihre Anwendung eine Vakuumpräparation erforderlich ist, wenden Sie sich an unsere Produktmanager, um über die speziellen Anforderungen Ihrer Anwendung zu sprechen.