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Minimotor SA: DC-Kleinmotor für schnelle präzise Positionierung

Redakteur: Hermann Jörg

>> Normen und Vorgaben sind nur dann sinnvoll, wenn es entsprechende Messgeräte gibt, mit denen die festgelegten Werte sicher und reproduzierbar bestimmt werden können. Je kleiner ein solches Messgerät, um so mobiler beziehungsweise einfacher ist es in der Anwendung. Kleinstantriebe von Faulhaber helfen, das Messequipment bei gleichbleibend präziser Auflösung deutlich zu miniaturisieren. Selbst vollautomatische Einstell- und sogar komplette Messvorgänge sind so möglich.

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Universell konfigurierbare Antriebspalette: Kleine Motoren, durchmesserkonforme Getriebe und Motion Controller sowie interne und externe Encoder stehen zur Auswahl. (Bild: Faulhaber)
Universell konfigurierbare Antriebspalette: Kleine Motoren, durchmesserkonforme Getriebe und Motion Controller sowie interne und externe Encoder stehen zur Auswahl. (Bild: Faulhaber)

Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen müssen in den dazu eingesetzten Messgeräten mechanische Abläufe sicher gesteuert werden. Die Bandbreite reicht von der Aufbringung eines definierten Drehmomentes über präzise Positionierung bis hin zum komplexen Zusammenspiel von Probenpositionierung und Sensorvorschub. Für alle diese Einsatzfelder bietet Faulhaber eine passende Antriebslösung. Sollte die Standard-Motorausführung nicht passen, so kann oft mit geringen Modifikationen den Forderungen entsprochen werden. Die folgenden Beispiele zeigen realisierte Anwendungen.

Antriebslösung für miniaturisiertes Messgerät

Die Rauheitsmessung ist bis heute ein wichtiges Standbein der Qualitätssicherung. Leider bauen aber die bekannten Messgeräte in diesem Bereich recht gross, das Werkstück muss daher meist zum Messgerät gebracht werden. Das kostet Zeit und ist bei grösseren Teilen oft nicht einfach. Ideal wäre hier ein miniaturisiertes Gerät, das alle relevanten Werte direkt vor Ort bestimmt, aufzeichnet und für die Auswertung zur Verfügung stellt.

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Ein neues Messgerät namens Miniprofiler erfüllt diese Forderungen ideal. Das nur etwa Streichholzschachtel grosse Miniaturgerät ist mit einem Bezugsebenentaster und integriertem Vorschub ausgestattet. Ein interner Programmablauf steuert die Tastnadelbewegung und den Vorschub.

Für die Auswahl des Antriebs waren der geringe verfügbare Raum, eine äusserst gleichmässige Vorschubgeschwindigkeit, möglichst lange Betriebszeit pro Akkuladung und ein robuster Aufbau entscheidend. Ein elektronisch kommutierter Motor ist hier der Aktor der Wahl. Er erlaubt durch das integrierte Getriebe bei allen Vorschubgeschwindigkeiten eine kontinuierliche Bewegung. Betriebsspannungen von 4 bis 6 V bei unter 30 mA Eingangsstrom erlauben lange Betriebszeiten.

Ringschergeräte mit zwei Motoren

Um Silos oder Trichter entsprechend auslegen zu können, ist der Konstrukteur auf fundierte Daten zur Fliessfähigkeit von Schüttgütern angewiesen. Moderne Ringschergeräte erlauben die automatische Messung aller hierfür relevanten Daten. Das Ringschergerät arbeitet mit einer praktisch vom Bediener unabhängigen Messung, die vollautomatisch und gut reproduzierbar wie folgt abläuft:

Auf eine Schüttgutprobe übt ein an der Unterseite rauer, ringförmiger Deckel eine vertikal wirkende Normalspannung bis zu 20 kPa aus, die über einen bürstenlosen DC-Servomotor feinfühlig eingestellt und konstant gehalten wird. Die Scherzelle wird dann – ebenfalls per Servomotor – in Drehrichtung und Geschwindigkeit digital gesteuert angetrieben. Dabei wird der Deckel, auf den die Normalkraft wirkt, über ein Biegbalkensystem am Drehen gehindert. So entsteht in der Schüttgutprobe eine Scherverformung und Partikel werden gegeneinander verschoben. Die dabei entstehenden Schubspannungen werden gemessen.

Im Ringschergerät kommen zwei Motoren zum Einsatz: für die Drehbewegung der Scherzelle und die Einstellung der Normalspannung. Dank der Sinuskommutierung können die Antriebe feinfühlig angesteuert werden. Da bürstenlose Motoren abgesehen von den Lagern nicht verschleissen, ist die reproduzierbare Langzeitstabilität der Messungen sicher. Integrierte Hallgeber erlauben eine exakte Positionsbestimmung. Über den integrierten Motion Controller ist der Servomotor schnell an den geräteinternen Rechner angebunden.

Präziser Messgeräteprüfstand

Rein mechanisch arbeitende Messuhren müssen regelmässig überprüft werden. Eine wesentliche Kosteneinsparung gegenüber der bisherigen Testmethode von Hand bietet ein neues, vollautomatisches Verfahren. Bei diesem sorgen computergesteuerte Servomotoren für die exakte Positionierung, was bis zu 75% der sonst aufzuwendenden Arbeitszeit einspart. Das Prinzip der Messuhr beruht auf einem Messbolzen, der gegen eine Federkraft in ein Gehäuse gedrückt wird. Proportional zum Weg wird dabei über ein Getriebe ein Zeiger bewegt, der an einer Skala den Messwert anzeigt.

Für die Kontrolle nimmt nun eine Kamera mit angepasster Beleuchtung ein spiegelfreies Bild der Uhranzeige auf. Der angeschlossene Rechner wertet dieses Bild aus und steuert einen bürstenlosen DC-Servomotor an, der die nötige hochgenaue mechanische Verstellung für die Messpinole des Prüfgerätes liefert. Schrittweise wird so der Messbereich in vorher festgelegten Intervallen abgefahren. Der Prüfgeräterechner erhält dazu je Motorwellenumdrehung 3000 Inkremente vom Antrieb. Ein Inkrement entspricht also einem Winkel von nur 0,12 Grad. Dieser Winkel wird durch das angeflanschte Planetengetriebe mit 134:1 weiter aufgelöst. Der Getriebeantrieb wirkt dann mit nochmaliger Untersetzung auf den Spindeltrieb für die Pinole. So ergibt sich eine ausreichend hohe Impulszahl, um auch kleinste Verfahrenswege der Pinole sicher aufzulösen.

Fazit

Hochpräzise Positionierung und beste Langzeitstabilität für Messgeräte wie auch schnelle dynamische Bewegungen, wenn es die Anwendung erfordert, auch im 4-Quadranten-Betrieb, sind für Kleinantriebe heute kein Problem. Bei Bedarf berechnet interne Sensorik und Controllertechnik antriebsrelevante Daten im Motor. So entlastet der moderne DC-Kleinstmotor die Entwickler; mit der Antriebstechnik selbst müssen sie sich nicht mehr beschäftigen. Damit werden die Entwicklungskosten und Time-to-market sinken. <<

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