Mehrachssysteme: Der Grundaufbau bestimmt die Eigenschaften

Positionieraufgaben werden selten nur in eine Richtung ausgeführt. Oft erfordern Applikationen neben einer Bewegung entlang der X-Achse gleichzeitig Bewegung in Y- und Z-Richtung. Der Hersteller Steinmeyer Mechatronik bietet hierzu ein umfassendes Portfolio: von klassischen gestapelten Mehrachssystemen über Gantry-Systeme in unterschiedlichen Genauigkeitsklassen mit und ohne Luftlager bis hin zu Multiachskombinationen, die alle Freiheitsgrade der Bewegung ermöglichen. „Im Laufe der Zeit sind aus unseren Präzisionstischen die verschiedensten Kombinationen entstanden“, berichtet Elger Matthes, zuständig für Entwicklung und Produktmanagement. „Wenn Systeme für Bewegungen im Raum aus einzelnen Tischen aufgebaut werden sollen, lassen sich jedoch prinzipiell drei Grundkonzepte beschreiben: Stapel, Portal und Gantry. Welche Architektur die optimale ist, hängt von der jeweiligen Aufgabe ab. Das Dreigespann aus Genauigkeit, Kosten und Geschwindigkeit bestimmt letztendlich die Wahl des Grundaufbaus.“

Egal ob Stapel, Portal oder Gantry: Keine Architektur erreicht in allen Bereichen Bestwerte, jede Konstruk­tionsweise hat ihre Vor- und Nachteile. Vereinfacht lassen sich dennoch einige Zusammenhänge festhalten: Je höher die Eigenfrequenz ist, desto präziser und schneller lässt sich das Positioniersystem ausregeln und desto einfacher lassen sich störende Schwingungen von außen abschirmen. Die Eigenfrequenz ist dabei vor allem durch den mechanischen Aufbau und in Antriebsrichtung – insbesondere bei Systemen mit Linearmotor – durch die Regelsteifigkeit bestimmt. Eine hohe Eigenfrequenz durch die passende Grundarchitektur ist außerdem Voraussetzung, das Potenzial von Linearmotoren für hohe Beschleunigungen und damit hohe Geschwindigkeiten voll auszuschöpfen.

Die erreichbare Geschwindigkeit ist das Maß für die Prozesszeit und vor allem bei automatisierten Fertigungslinien kritisch. Je höher allerdings die Geschwindigkeit ist, desto höher sind auch die Anforderungen an die Steifigkeit des Systems und die Leistungsfähigkeit des Controllers. Ebenso steigen die Controller-Ansprüche mit der Zunahme der Genauigkeit. Die Genauigkeit schließlich wird hauptsächlich von den Nickfehlern der Einzelachsen bestimmt. Zusammen mit dem Einfluss der Temperatur liegt diese Fehlerkomponente fast immer eine Dimension höher als die Fehler der eingesetzten Feedbacksysteme. Beispielsweise können sich die einzelnen Achsen beim Bewegen unter Last verbiegen. Das wirkt sich negativ auf die gewünschten Werte aus. Ebenso führen Fehlstellungen und große Abstände zwischen den Einzelachsen zu systematischen Fehlern, die sich durch die Wahl der optimalen Architektur reduzieren lassen.

Bei der Stapel-Architektur werden zwei Lineartische in Verfahrrichtung gekreuzt aufeinander montiert. Da das Werkstück sowohl auf der X- als auch der Y-Achse bewegt wird, wird viel Bauraum benötigt – und zwar die doppelte Fläche des Werkstücks. Der Charme der Stapel-Konstruktion liegt in seiner Einfachheit und Wirtschaftlichkeit. So sind die Anforderungen an den Controller minimal. Von Vorteil ist außerdem, dass keine Überbestimmungen zwischen den Einzeltischen auftreten. Das Übereinanderstapeln der beiden Tische bewirkt allerdings auch eine verringerte Steifigkeit und damit verringerte Eigenfrequenz des Gesamtsystems. Durch die hohe bewegte Masse kommt zudem die Dynamik schnell an ihre Grenze. Das Überhängen der belasteten Einzeltische führt zu hohen Nickabweichungen und damit zu einer eingeschränkten Genauigkeit. Alle Kabel müssen zudem in zwei Richtungen bewegt werden. „Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der Stapel vor allem für kleine Verfahrwege, leichte Teile sowie Anwendungen, bei denen die Objekte kleiner sind als die Verfahrwege“, so Matthes. „Diese Architektur findet sich beispielsweise in vielen Geräten wie Mikroskopen und entspricht der Vorstellung einer klassischen Fräsmaschine.“

Anders als beim Stapel werden die Achsen bei der Portal-Architektur nicht miteinander verbunden, sondern einzeln an der Basis und an einer Traverse in Verfahrrichtung rechtwinklig montiert. Durch diese Aufteilung der Bewegung kommt ein einfacheres System zustande als beim noch zu beschreibenden Gantry-Aufbau. Da beide Tische mit der Struktur verbunden sind, erreichen die Einzelsysteme hohe Werte für Steifigkeit und Eigenfrequenz. Das Ergebnis ist eine hohe Eigenfrequenz des Gesamtsystems. Auch in puncto Dynamik, Ebenheit und Genauigkeit kann die Portal-Bauweise punkten. Weitere Vorteile: auch hier keine Überbestimmungen zwischen den Einzeltischen sowie im Vergleich zum Stapel eine einfachere Kabelführung in nur eine Richtung. „Portale eignen sich besonders dann, wenn große Flächen überfahren werden müssen und zu messendes Objekt sowie Sensor bewegt werden können. Das ist oft bei Messgeräten von Vorteil“, erklärt Elger Matthes. „Auch Anwendungen mit schweren Messobjekten profitieren von der Portal-Bauweise.“ Das Werkstück wird nur in X bewegt. Der Antrieb kann also kleiner ausfallen als beim Stapel. Auch schwere Teile lassen sich mit Portalen schnell und präzise positionieren.

Bei der Stapel- und Portarchitektur wird das zu messende Objekt mitverfahren. Darf das Werkstück dagegen beim Messen nicht bewegt werden, führt am Gantry kein Weg vorbei. Bei Gantries werden eine oder beide horizontalen Bewegungsrichtungen durch jeweils zwei synchron verfahrene Lineartische gebildet. Ähnlich eines Portalkrans wird zum Beispiel ein Laser oder ein Sensor über die Fläche bewegt. Die Gantry-Architektur zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit und Eigenfrequenz aus. Entkoppelungsmaßnahmen vermeiden die konstruktionsbedingten Überbestimmungen zwischen den Einzeltischen. Da wenigstens ein Antriebspaar elektronisch synchronisiert werden muss, sind die Anforderungen an den Controller entsprechend hoch. Andererseits sorgt das Achsenpaar für hohe Dynamik sowie eine gute Ebenheit und geringe Nick- und Gierabweichungen, da die Querachse auf beiden Seiten abgestützt ist. Daraus resultiert eine Genauigkeit im höheren Bereich. Eine besondere Stärke von Gantries liegt im minimalen Platzbedarf. Von allen Grundarchitekturen benötigen sie am wenigsten Bauraum.