Lineare DC-Servomotoren

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1 Lineare DC-Servomotoren Die ständig wachsende Nachfrage im Bereich der direkten Antriebe führte zur Entwicklung dieser linearen DC-Servomotoren. Der innovative Aufbau dieser Motoren ermöglicht eine große Flexibilität im Einsatz und wird so den Markterfordernissen gerecht. Die selbsttragenden Spulenwindungen geben dem Motor zusammen mit dem Präzisions-Metallgleitläufer, der mit Permanentmagneten bestückt ist, ein sehr gutes Verhältnis von Leistung zu Volumen. Eine speziell entwickelte Kalkulationssoftware erleichtert das Setzen der Kontrollparameter ebenso wie die Anzeige von Spezifikationen, Daten und Kurven der verschiedenen Profile. Die Ansteuerung der linearen Servomotoren wird mit den Motion Controllern MCLM 00 und MCLM 006 mittels RS- oder CAN-Schnittstelle sichergestellt. Die Software Motion Manager ermöglicht die schnelle Einstellung der Controller, um den Motor optimal zu betreiben. Das QUICKSHAFT System ist komplett und betriebsbereit als Starter-Kit in einem speziellen Demo-Koffer lieferbar. Augabe

2 Lineare DC-Servomotoren Technische Informationen Elektronisch kommutierter linearer DC-Servomotor Linearer DC-Servomotor 1 Lager Support Spule Gehäuse 5 gedruckte Schaltung 6 Hallsensoren 7 Kabel und Stecker 8 Abdeckung 9 Stab mit Magneten Funktionen Quickshaft kombiniert die Geschwindigkeit und Robustheit eines pneumatischen Systems mit der Flexibilität und der Verlässlichkeit eines linearen Motors. Die innovative Konstruktion mit einer selbsttragenden Dreiphasenspule und antimagnetischem Stahlgehäuse resultiert in eine außerordentliche Leistung. Durch das Fehlen statischer Restkräfte und das Verhältnis linearer Kraft/ Strom ist dieser Motor ideal für den Einsatz bei Mikro-Positionieraufgaben geeignet. Die Positionskontrolle der linearen DC-Servomotoren ist dank den integrierten Hall-Sensoren einfach zu realisieren. Nutzen - Vorteile ausgezeichnetes Leistungs-/Volumenverhältnis hohe Dynamik einfacher Einbau und Inbetriebnahme kompakte und robuste Konstruktion benötigt keine Schmierung antimagnetisches Gehäuse keine Restkraft vorhanden Lebensdauer Die Lebensdauer der linearen DC-Servomotoren wird hauptsächlich durch die Lebensdauer der Polymer-Hülsenlager beeinflußt. Deren Verschleiß hängt stark von der Betriebsgeschwindigkeit und der Last ab. Bestellinformation Linearer Motor Breite des Motors [mm] Länge des Motors [mm] Maximale Hublänge [mm] Sensortyp: Linear MINIMOTOR SA swiss made 07 QUICKSHAFT LM LM Maßstab 1:1

3 Lineare DC-Servomotoren Technische Informationen Kräfteberechnung Um eine Masse eine Neigung hoch zu bewegen, muss ein Motor eine Kraft ausüben, um die Last zu beschleunigen und alle gegen diese Bewegung wirkenden Kräfte zu überwinden. Fext Dreieckiges Geschwindigkeitsprofil Das dreieckige Geschwindigkeitsprofil besteht einfach nur aus der Beschleunigung und der Zeit der negativen Beschleunigung. Geschwindigkeit (m/s) Fe m t Der farbige Bereich entspricht der Bewegungslänge während der Zeit t. F f Fg F y t/ t/ Zeit (s) Die Summe der in der oben stehenden Zeichnung gezeigten Kräfte muss gleich sein zu: Σ F = m a Gibt man die verschiedenen Kräfte in diese Gleichung ein, folgt daraus: Fx [N] Verschiebung: Geschwindigkeit: Beschleunigung: 1 1 v s = v t = a t = [m] a v = a = s a t = = a s [m/s] t s v v = = t t s [m/s ] Fe - Fext - Ff - Fx = m a [N] wobei gilt Fe : Dauerkraft des Motors [N] Fext : Externe Kraft [N] Ff : Reibungskraft Ff = m g cos ( ) [N] Fx : Parallelkraft Fx = m g sin ( ) [N] m : Gesamtmasse [kg] g : Gravitation [m/s ] Trapezförmiges Geschwindigkeitsprofil Das aus drei Teilen bestehende trapezförmige Geschwindigkeitsprofil (in diesem Fall gleichwertig) erlaubt eine einfache Berechnung und bildet viele reale Anwendungsbeispiele ab. Geschwindigkeit (m/s) t Der farbige Bereich entspricht der Bewegungslänge während der Zeit t. a : Beschleunigung [m/s ] Geschwindigkeitsprofile Das Bewegen jeder Masse von Punkt A zu Punkt B unterliegt den Gesetzen der Kinematik. Die Formeln einer einförmigen, geradlinigen Bewegung (USM) und einer einförmigen, beschleunigten Bewegung (USAM) erlauben uns, die verschiedenen Geschwindigkeitsund Zeitprofile zu definieren. Bevor man die vom Motor zu leistende kontinuierliche Arbeitskraft berechnet, muss ein Geschwindigkeitsprofil definiert werden, das die verschiedenen Lastbewegungen abbildet. Verschiebung: Geschwindigkeit: Beschleunigung: t/ t/ t/ Zeit (s) 1 v s = v t = a t = [m],5 a v = 1,5 s a t a s = = [m/s] t s v v a =,5 = = t t s [m/s ]

4 Die richtige Auswahl eines linearen Servomotors Dieser Abschnitt soll eine Schritt-für-Schritt-Anleitung sein, um einen linearen Servomotor auszuwählen. Schritt 1 Definition des Geschwindigkeitsprofils Zu beginn ist es notwendig, das Geschwindigkeitsprofil der Lastbewegungen zu definieren. Die Eigenschaften der Bewegungen müssen zu Beginn berücksichtigt werden. Wie hoch ist die maximale Geschwindigkeit? Wie stark sollte die Masse beschleunigt werden? Wie lang ist die Bewegung, welche die Masse durchführen soll? Wie lange ist die Ruhezeit? Sind die Parameter der Bewegung nicht klar definiert, wird empfohlen, ein dreieckiges oder trapezförmiges Profil zu verwenden. Nehmen wie einmal eine Last von 500 g an, die in 100 ms 0 mm weit auf einer Neigung mit einem Steigungswinkel von 0 bewegt werden muss und berücksichtigen ein trapezförmiges Geschwindigkeitsprofil. Geschwindigkeit (m/s) Schritt Kräfteberechnung Unter der Annahme einer Last von 500 g und einem Reibungskoeffizienten von 0, kommt man auf folgende Kräfte Kraft Dim. Symbol Vorwärts 1 Rückwärts 1 Reibung N Ff 0,9 0,9 0,9-0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 Parallel N Fx 1,71 1,71 1,71 1,71-1,71-1,71-1,71-1,71 Beschleunigung N Fa,5 0 -,5 0,5 0 -,5 0 Gesamt N Ft 7,15,65-1,85 0,77,7-0,77-5,7-0,77 Beispielrechnung: Reibungs- und Beschleunigungskräfte für Teil 1 Ff = m g μ cos ( ) = 0,5 10 0, cos (0º) = 0,9 N Fa = m a = 0,5 9 =,5 N Schritt Auswahl des Motors Da nun die Kräfte der drei Teile des Profils bekannt sind, können die erforderlichen Spitzen- und Dauerkräfte im Hinblick auf die Zeit jedes Teils berechnet werden. Die Spitzenkraft ist die höchste kraft, die während des Arbeitszyklus erreicht wird. Fp = max. ( 7,15,,65, -1,85, 0,77,,7, -0,77, -5,7, -0,77 ) = 7,15 N Dim. s (Bewegungsdistanz) m 1 0,005 0,01 0,005 0 v (Drehzahl) m/s , 0, 0, a (Beschleunigung) m/s 9,0 0-9,0 0 t (Zeit) s 0,0 0,0 0,0 0,100 Berechnungsbeispiel: Geschwindigkeit und Beschleunigung in Teil 1 s vmax. = 1,5 = 1,5 = 0, m/s t a =,5 1 t1 = td / t = td / t = td / td = 100 ms Zeit (s) t = 100 ms s =,5 = 9 m/s t ( ) Die Dauerkraft wird durch folgende Formel abgebildet: Fe = Σ (t Ft ) Fe = =... Σ t 0,0 7,15 + 0,0,65 + 0,0 (- 1,85) + 0,1 0,77 + 0,0,7 + 0,0 ( - 0,77) + 0,0 (-5,7) + 0,1 (-0,77) =,98 N (0,0 + 0,0 + 0,0 + 0,1) Mit diesen beiden Werten ist es nun möglich, den angemessensten Motor für die Anwendung zu finden. Linearer DC-Servomotor LM smax. = 0 mm ; Fe max. =,09 N ; Fp max. = 9,6 N

5 Schritt Berechnung der Temperatur der Spulenwicklung Um die Temperatur der Spulenwicklung zu erhalten, muss der Dauerstrom berechnet werden. Wenn man für unser Beispiel eine Dauerkraft von 6, N/A berücksichtigt, ergibt sich daraus: Last [kg],5 Externe Kraft [N],5 Fe Ie = =,98 = 0,6 A kf 6, Mit einem elektrischen Widerstand von 1,17, einem gesamten Wärmewiderstand von 6, C/W (Rth1 + Rth) und einem reduzierten Wärmewiderstand Rth um 55% (0,5 Rth), ergibt sich eine Spulentemperatur von: R (Rth1 + 0,5 Rth) (Ie ) ( 1 α T) + T T c (I) = =... 1 α R ( Rth1 + 0,5 Rth) (Ie ),0 1,5 1,0 0, ,05 0,10 0,15 0,0 0,5 0,0 LM ,0 1,5 1,0 0,5 Geschwindigkeit [m/s] 1,17 (8,1 + 0,5 18,1) (0,6 ) ( 1-0,008 ) + T c (I) = = 11,5 C 1 0,008 1,17 ( 8,1 + 0,5 18,1) (0,6 ) Bewegungsprofil: Trapezförmig (t1 = t = t), vorwärts und rückwärts Charakteristik eines linearen Servomotors mit den folgenden Parametern: Bewegungsdistanz: 0 mm Reibungskoeffizient: 0, Neigungswinkel: 0 Ruhezeit: 0,1 s Lastkurve Die Lastkurve ermöglicht es, die maximal anzuwendende Last auf den linearen Servomotor für eine bestimmte Geschwindigkeit und 0 N externer Kraft abzulesen. Die Kurve zeigt, dass eine maximale Last ( bei einer Geschwindigkeit von 0,11 m/s. Externe Kraftkurve ) von 0,87 kg Die externe Lastkurve ermöglicht es, die maximal anzuwendende externe Kraft auf einen linearen Servomotor bei einer bestimmten Geschwindigkeit mit einer Last von 0,5 kg abzulesen. Die Kurve zeigt, dass die maximal erreichbare Geschwindigkeit ( ) ohne externe Kräfte bei einer Masse von 0,5 kg bei 0,1 m/s liegt. Aus diesem Grund liegt die maximal anzuwendende externe Kraft ( ) bei einer Geschwindigkeit von 0, m/s bei 0,5 N. Die externe Spitzenkraft ( ) wird bei einer Geschwindigkeit von 0,17 m/s erreicht und entspricht einer maximal anzuwendenden externen Kraft von,7 N. 5

6 Erläuterungen zu den technischen Daten 1 Dauerkraft Fe max. [N] Bestimmte Maximalkraft, die vom Motor am thermischen Limit im fortlaufenden Betrieb ausgeübt wird. Fe max. = kf Ie max. Spitzenkraft Fp max. [N] Bestimmte Maximalkraft, die vom Motor am thermischen Limit im unterbrochenen Betrieb ausgeübt wird (max. 1 sec, 0% Arbeitszyklus). Fp max. = kf Ip max. Dauerstrom Ie max. [A] Maximal definierter Motorstromverbrauch am thermischen Limit im fortlaufenden Betrieb. T15 T Ie max. = R (1 + (T 15 T )) (R th 1+ 0,5 R th ) Spitzenstrom Ip max. [A] Maximal definierter Motorstromverbrauch am thermischen Limit im unterbrochenen Betrieb (max. 1 sec, 50% Arbeitszyklus). 5 Generator-Spannungskonstante ke [V/m/s] Die Konstante entspricht der Beziehung zwischen der induzierten Spannung in den Motorphasen und der linearen Bewegungsgeschwindigkeit. k E = k F 6 6 Kraftkonstante kf [N/A] Die Konstante entspricht der Beziehung zwischen der geleisteten Motorkraft und dem aktuellen Verbraich. 7 Anschlusswiderstand, Phase zu Phase [ ] ±1% The resistance measured between two motor phases. This value is directly influenced by the coil temperature (temperature coefficient: α = 0,00 K -1 ). 8 Anschlusinduktivität, Phase zu Phase L [µh] Die Induktivität, die zwischen zwei Phasen bei 1 khz gemessen wird. 9 Max. Hub smax. [mm] Maximale Hublänge des beweglichen Teils (Läufer). 10 Auflösung [µm] Minimale Motorübersetzung. Dieser Wert hängt von der Messmethode (Hall-Sensoren, Geber...) und der zugehörigen Steuerungselektronik ab 11 Wiederholgenauigkeit [µm] Maximal gemessene Differenz, wenn mehrfach die gleiche Bewegung unter den gleichen Bedingungen wiederholt wird. 1 Präzision [µm] Maximaler Positionierungsfehler. Dieser Wert entspricht der maximalen Differenz zwischen der gesetzten und der exakt gemessenen Position des Systems. 1 Beschleunigung ae max. [m/s ] Maximale Beschleunigung aus dem Stillstand. 1 Geschwindigkeit ve max. [m/s] Maximale Geschwindigkeit unter Nulllast aus dem Stillstand, unter Voraussetzung eines dreieckigen Geschwindigkeitsprofils und der maximalen Hublänge. v ae max. 15 Wärmewiderstände Rth1 / Rth [K/W] Rth1 entspricht dem Wert zwischen Spule und Gehäuse. Rth entspricht dem Wert zwischen Gehäuse und Umgebungsluft. Die aufgelisteten Werte beziehen sich auf einen Motor, der völlig von Luft umgeben ist. Rth kann mit Wärmeableitung und/oder zusätzlicher Luftkühlung gesenkt werden 16 Thermische Zeitkonstante τ w1 / τ w [s] Definierte thermische Zeitkonstante der Spule bzw. des Gehäuses. 17 Betriebstemperaturbereich [ C] Minimal und maximal erlaubte Betriebstemperaturen der Motoren. 18 Läufergewicht mm [g] Gewicht des Läufers (Zylinder mit Magneten). 19 Gesamtgewicht mt [g] Gesamtgewicht des Motors. 0 Magnetischer Taktabstand τm [mm] Distanz zwischen zwei gleichen Polen. 1 Pfostenzahl [-] Anzahl der Magneten innerhalb des Läufers. Lager Material und Art der im Motor eingesetzten Lager. Gehäusematerial Material des Motorgehäuses F = e max. m m e max. = a e max. max. Bewegungsrichtung Bewegungsrichtung wird von der Steuerungselektronik bestimmt. s 6