Wenn hohe Laufruhe gefragt ist

Kleinantriebe erlauben sanfte Bewegungen

Für fast alle kleinen Messobjekte einzurichten: Horizontalauswuchtmaschine HM5. Bild: Micro Präzision Marx

In vielen Bereichen der automatisierten Produktion sind Gegenstände zu transportieren. Das gilt nicht nur für den klassischen Warentransport, sondern auch für automatisierte Messeinrichtungen oder Förderanlagen für kleine Gegenstände, die heute in der Automatisierung vielfach im Einsatz sind. Diese Anwendungen erfordern ebenso wie Hochpräzisionsmessvorgänge einen Antrieb, der mit höchster Laufruhe zu Werke geht. Für solche Anforderungen bieten sich Kleinstantriebe in unterschiedlichsten Ausführungen an. Als Bürsten- oder bürstenloster Motor, mit optionaler Sensorik oder Getriebevorsatz können sie eine große Bandbreite an Bewegungsabläufen zuverlässig und sanft bedienen.

Mess- und Prüfgeräte für mechanische Größen wie Gewicht oder Unwucht können nur dann exakte Werte liefern, wenn der Eigenantrieb keine zusätzlichen Störungen verursacht. Auch bei Förderbändern für kleine Teile sind störende Schwingungen oft Ursache unzuverlässiger Zufuhr. In all diesen Fällen kann der durchdachte Einsatz von Kleinantrieben die Lösung bringen. Als Kleinantriebsspezialist bietet der Schönaicher Hersteller FAULHABER neben einer breiten Antriebspalette auch jahrzehntelange Erfahrung in der Einbindung von Kleinstantrieben in die unterschiedlichsten Applikationen. So können vordergründig komplizierte Antriebsanforderungen oft erstaunlich schnell bedient werden. Drei Beispiele aus der Praxis stehen hier stellvertretend für viele andere.

Ware schonend bewegen

Kompakter Antrieb im Förderband integriert. Bild: Ingenieurbüro Vetter

Kompakter Antrieb im Förderband integriert.
Bild: Ingenieurbüro Vetter

Der Trend geht zu immer kleineren Produkten. Daher arbeitet auch die Montagetechnik mit immer kleineren Bauteilen. Um große Stückzahlen sicher zu transportieren, bieten sich Förderbänder an. Ein speziell auf die Belange der Anwender ausgerichtetes, modulares Kompakt-Konzept erfüllt auch Sonderwünsche problemlos. Kompakte Bauweise erfordert ebensolche Antriebe. Fördern bedeutet Bewegung, Kleinteile geraten hierbei aber rein statistisch auch ab und zu auf „Abwege“. Für eine reibungslose Produktion darf sich im Förderband nichts verklemmen, die Bewegung muss ruckfrei und kontinuierlich ablaufen. Die Lösung: ein vollständig gekapseltes „motorloses“ Förderband. Alle wesentlichen Teile sind glattflächig verschlossen und weitgehend vom Transportriemen überdeckt. So gibt es nur Nutzfläche ohne sperrige (Antriebs-)Anbauten. Ein Förderband muss aber auch eine bestimmte anwendungsspezifische Breite und Transportlänge haben. Dazu kommen eine automatische Bandvorspannung und ein Antrieb. Diesen Forderungen entspricht das Modulkonzept ideal: Eine Umlenkrolle für das Transportband wird mit einem individuell auf Maß ablängbaren „Trageteil“ aus Aluminiumprofil verbunden. Für den Antrieb sorgt ein weiteres Modul aus Kleinantrieb und Antriebsrolle auf der anderen Seite des Trageteils. Ein solcher Aufbau lässt sich nur durch sehr kompakte Antriebe erreichen, die deutlich schmaler bauen als der Durchmesser der Transporteinheit bzw. der Umlenkrollen. Je nach Bandausführung setzt der Hersteller daher auf 16-mm-EC-Servomotoren oder DC-Antriebe mit 23 bzw. 35 mm Durchmesser von FAULHABER. Diese 24 V-Motoren sind mit einem passenden, langlebigen Planetengetriebe versehen und werden als vormontierte Motor-Getriebekombination zugeliefert. Die Antriebe lassen sich in die Standard-Förderbänder in den Größen 20-40, 30-60 und 40-80 (Bauhöhe – Bau- bzw. Bandbreite in mm) gut integrieren.

Kontinuierlich Kleinteile wiegen

Oft werden in der Industrie kleine, leichte Produkte hergestellt oder verpackt, bei denen sich durch Wiegen einfach überprüfen lässt, ob Füllmenge oder Ausrüstungsumfang stimmen. Gerade solche kleinen Artikel sind häufig Massenware. So kommt es neben der Präzision auch auf den hohen Durchsatz bei der Qualitätskontrolle an. Speziell für diesen Anwendungsbereich wurde daher eine dynamische Kontrollwaage entwickelt. Ihre Wägezelle ist mit einem laufruhigen, den Wiegevorgang nicht beeinträchtigenden Transportband samt steuerbarem Antrieb ausgerüstet. Die Synergie aus schnellem, ruckfreiem Transport und präziser Gewichtsdetektion führt so zu hoher Durchsatzleistung. Eine Klassifizierung in bis zu sieben Gewichtsklassen bei einem zulässigen Höchstgewicht von 200 g und einer Auflösung ab ±0,015 g erkennt auch geringste Abweichungen.

Kleine Produkte bei hohem Durchsatz zu wiegen ist die Domäne der XS1 Waage. Bild: Mettler-Toledo Garvens GmbH

Kleine Produkte bei hohem Durchsatz zu wiegen ist die Domäne der XS1 Waage.
Bild: Mettler-Toledo Garvens GmbH

Um der Waage die nötigen Prüflinge schnell und sicher zuzuführen, arbeiten Transportbänder auf der Zu- und Ablaufseite der eigentlichen Wägezelle. Diese sind in ihrer Fördergeschwindigkeit mit dem Transportband der Wägezelle gekoppelt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Transportprozess keinerlei störende Stöße in horizontaler Richtung auf die Wägezelle ausübt. Der Transport über die Wägezelle unterliegt noch einmal strengeren Auflagen. Band wie Antriebsmotor müssen so gleichmäßig und ruhig wie möglich laufen. Nur so kann die erforderliche Präzision beim Wiegen sichergestellt werden. Als optimaler Antrieb für diese Aufgabe hat sich ein dynamischer, leicht regelbarer und sehr laufruhig arbeitender DC-Antrieb bewährt. Der sinuskommutierte DC-Servomotor leistet bis zu 90 W im Dauerbetrieb und bringt bis zu 50 mNm Drehmoment an die Abtriebswelle. Vorgespannte Kugellager eliminieren das Lagerspiel des Läufers. Eine spezielle Magnet- und Eisen-Formgebung optimiert den magnetischen Fluss im Motor. Zusammen mit der Sinuskommutierung ergeben sich so geringste Gleichlaufschwankungen und damit ein absolut ruhiger Lauf.

Der Unwucht auf der Spur

Unwucht ist immer ein Feind präzisen Rundlaufs. Je höher die Drehzahl und das nichtsymmetrische Gewicht, um so höher die auftretenden Kräfte. Neben Vibrationen ergeben sich auch erhöhte Lagerbelastungen und damit vorzeitiger Verschleiß. Gerade bei kleinen und kleinsten Bauteilen mit entsprechend filigraner Lagerung ist dies für die Lebensdauer ein nicht zu unterschätzender Faktor. Kleinste Unwuchten zu erfassen bedeutet auch, dass die Messkräfte sehr klein sind, sprich im Umfeld der Messung muss alles präzise einstellbar sein. Diese Anforderung berücksichtigt eine speziell auf die Bedürfnisse dieser Testobjekte abgestimmte Horizontalwuchtmaschine. Sie setzt beim Antrieb auf Kleinmotoren aus Schönaich. Vom Läufer aus Klein- und Kleinstmotoren über Lüftertrommeln bis hin zu speziellen rotierenden Messköpfen reicht die Bandbreite des Messgerätes. Das bedeutet viele unterschiedliche Baugrößen und Drehzahlen. Schon bei den „einfachen“ Läufern von Elektromotoren, landläufig auch Anker genannt, wird es schwierig: Sind drahtbewickelte DC-Anker aus Dynamoblech noch unmagnetisch, so benötigen die Anker der modernen, bürstenlosen DC-Antriebe zwingend eine antimagnetische Prüfvorrichtung. Auch absolut identische Prüfbedingungen sind wichtig; eine spezielle Steuerung überwacht und regelt daher die Testbedingungen für jeden Prüfling einer Baureihe. Schließlich sollen ja z.B. alle 2-Gramm-Läufer bei Kleinstturbinen mit 400.000 U/min Betriebsdrehzahl optimal und reproduzierbar gewuchtet werden. Hochgenaue Schwingungssensoren in Verbindung mit einer präzisen Auswertung erlauben eine feine Messwertauflösung. Es ist offensichtlich, dass die Messung nur so genau sein kann, wie es der antreibende Motor zulässt. Gleichlauf, hohe Drehzahlen und sehr gute Regelbarkeit sind hier die Stichworte. Die Antriebexperten konnten bei diesen Anforderungen mit einem bürstenlosen DC-Servomotor von nur 35 mm Durchmesser weiterhelfen. Eine Voraussetzung für besonders ruhigen Lauf sind die vorgespannten Kugellager. Bis zu 90 W Abgabeleistung erlauben zeitsparende Beschleunigungs- und Bremswerte. Im Motorgehäuse integrierte hochauflösende Istwertgeber sowie ein programmierbarer Positions- und Drehzahlregler komplettieren den Antrieb. Das sorgt für einfache Ansteuerung und schnelle Regelstrecken. Der Antrieb ist neben der Spannungsversorgung (24 VDC) serienmäßig mit einem Analog-Eingang, einem Fehlerausgang und einem RS232-Anschluss ausgestattet. Über diese Schnittstellen steuert das Startmodul des Wuchtgerätes den Antrieb in Drehrichtung und Drehzahl. Motor-Start/Stopp und Drehzahlanzeige ergänzen die Funktion. Der so angesteuerte Servoantrieb kann die Prüflinge dann zur Messung auf 40.000 bis 80.000 U/min beschleunigen.

Moderne Kleinantriebe können heute in vielen anspruchsvollen Anwendungen für Bewegung sorgen. Ob höchste Zuverlässigkeit oder absolute Laufruhe gefordert ist, feinste Auflösung bei hohen und niedrigen Drehzahlen, für praktisch jede Anforderung gibt es eine Lösung. Oft reichen minimale Änderungen an Standardausführungen schon aus, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In Sonderfällen hilft die langjährige Erfahrung des Antriebsspezialisten, den Motor oder das Getriebe „auf den Punkt“ zu optimieren. Das spart Entwicklungszeit und damit bares Geld gegenüber aufwändigen Einzellösungen.

Titelbild: Micro Präzision Marx


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