Feinstbewegungen bei Fokussier- und Scan-Aufgaben, Justage, Inspektion und Messaufgaben im Nanometerbereich erfordern eine hochgenaue, reproduzierbare Bewegung. Klassischerweise wird dabei meist das Messobjekt auf einem Linearstelltisch an einem Messkopf oder Aktor vorbei geführt. Piezo-Antriebe sind für feinste Schrittweiten bekannt, allerdings ist ihre Dynamik für den Transport der Nutzlast in den Arbeitsbereich unzureichend. Auch bei der traditionellen Lösung, diese sehr niedrigen Geschwindigkeiten mit sehr geringen Auflösungen durch mehrstufige, hoch untersetzte spielfreie Getriebe zu erreichen, bedeutet eine minutenlange Anfahrt bis zur Messposition.

Lange Rüstzeiten kosten aber Geld. Die Firma Feinmess Dresden, ein Spezialist für präzise Positionierung, hat nun eine patentierte Lösung für diese Problematik gefunden: Den schnellen, aber nicht präzisionsgebundenen Transport übernimmt ein DC-Antrieb mit Getriebe, die Feineinstellung ein hochgenauer Piezomotor. Die optimale Abstimmung der Antriebe aufeinander erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Antriebshersteller Faulhaber. Bei Bewegungen im kleinsten Maßstab gelten prinzipiell andere Regeln als bei normalen Stelltischen. Wegen der geringen Wegstrecken ist nicht die maximale Geschwindigkeit des Antriebes ausschlaggebend für die Positionierzeit, sondern die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit sowie die Spanne zum mechanischen Ausschwingen des Gesamtaufbaus.

Gilt es also die Dynamik des Positioniervorganges zu verbessern, ist diesen drei Punkten besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Feinmess-Spezialisten lösten die Aufgabe durch „Gewalten-Teilung" - sprich, jede Bewegungsart bekommt ihre maßgeschneiderte Antriebslösung. Im Detail funktioniert die Lösung wie folgt: Um zwei Antriebe am Linearstelltisch unterzubringen, bietet sich der Kugelgewinde-Antrieb an. An seinen beiden Enden lässt sich jeweils ein Antrieb platzieren. Das so gefertigte Positioniersystem ist in vielen Bereichen nachrüstbar, um die Effizienz zu verbessern. Ein weiterer Vorteil: Es gibt theoretisch keine Längenbegrenzung für den Vorschub, die Spindel kann beliebig lang ausgeführt werden. So sind auch größere Messobjekte mit mehreren Messpunkten in einer Aufspannung schnell bearbeitet. Herkömmliche (Stapel-)Piezo-Antriebe dagegen sind auf nur wenige Millimeter Stellweite beschränkt.

Die beschriebene Entwicklung erfolgte mit der Maßgabe, mit minimalem Aufwand maximalen Nutzen zu erzielen. Mit anderen Worten: Ziel war, mit relativ einfachen Komponenten auszukommen. Für die schnelle Zustellung im Hochgeschwindigkeitsmodus reicht beispielsweise als Antriebselement ein über eine Balgkupplung mit der Welle verbundener konventioneller Bürstenmotor mit Rotations-Encoder. Da seine Betriebszeit relativ gering ist, ist auch der Wärmeeintrag durch den Motor minimal und vernachlässigbar. Je nach verwendeter Spindelsteigung ist in der Praxis ein Geschwindigkeitsbereich von 0,5 mm/s bis 100 mm/s nutzbar. Dies entspricht dem Wert für die „Grobpositionierung" vieler Standardlösungen.

Antrieb als passive Spindelbremse

Nach dem Umschalten auf den Hochpräzisionsmodus wird die Besonderheit der neuen Lösung deutlich: Im Positionierbetrieb schaltet das System bei einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s energielos - also ohne Wärme-Eintrag - über eine permanentmagnetische Kupplung auf den Antrieb mit einem rotorischen Piezomotor um. In der Ruhelage arbeitet der Antrieb nun als passive Spindelbremse, dämpft Schwingungen und verhindert ungewollte Bewegungen des Tischsystems. Ein hochauflösendes Linearmesssystem erfasst permanent die Bewegungen und gibt diese Information an die Motorsteuerung weiter. Auf diese Weise bewegt der Antrieb den Lineartisch im Hochpräzisionsmodus mit 0,00002 bis 0,15 mm/s, das sind minimal 20 nm pro Sekunde!

Die Geschwindigkeitskonstanz am unteren Bereichsende ist nur abhängig von der Auflösung des eingesetzten Linear-Maßstabes. Die Wiederholgenauigkeit liegt unter 100 nm. Die Geschwindigkeits-Spreizung des Positioniersystems kann durch den Kunstgriff der Arbeitsteilung ein Verhältnis von über 1 Million zu 1 zwischen maximaler und minimaler Geschwindigkeit erreichen. Für den Einsatz im Dual-Speed-Linearstelltisch eignen sich herkömmliche edelmetallkommutierte Präzisionsmotoren. Die Standard-Motoren wurden vom Antriebshersteller Faulhaber auf die Anwendung hin angepasst, das spart Entwicklungszeit und Kosten. Je nach benötigtem Drehmoment kommen unterschiedliche Motoren zum Einsatz.

Bei einem Durchmesser von 22 mm erreichen die Motoren beispielsweise rund 8000 U/min und bis zu 21 mNm. Sie sind von Haus aus für den Einsatz mit magnetischen Encodern vorgesehen. Diese zweikanaligen Inkremental-Encoder gibt es mit 64, 128, 256 oder 512 Impulsen pro Umdrehung. Dank der kompakten Maße wächst die Gesamtbaulänge des Motors nur um rund 1,4 mm. Für die nötige Drehzahlreduzierung und Drehmoment-Anhebung stehen aufsteckbare Getriebe im 22-mm- Motordurchmesser bereit.

Zur Realisierung des Hochpräzisionsantriebs verwendete die Firma Feinmess Dresden einen Piezo-Rotationsmotor aus dem Hause PiezoMotor, Uppsala (Schweden), einem Tochterunternehmen von Faulhaber. Diese Antriebe sind mit 32 mm × 23 mm (L×D) bei einem Gewicht von nur 70 g ebenfalls sehr kompakt. Sie arbeiten mit Steuerspannungen im Bereich von 0 bis 3000 Hz und erreichen 13,5 U/min bei 2100 Hz. Das Drehmoment beträgt 80 mNm, das Haltemoment 90 mNm. Die maximale inkrementale Schrittweite liegt bei 0,35 mrad. Für die mechanische Anbindung an die Permanentmagnetkupplung oder andere Applikationen ist eine 3 mm starke und 6,5 mm lange Welle vorgesehen. Fazit der vorgestellten Lösung: Die Effizienz für Anlagen mit Feinst-Positionierung im Nanometerbereich lässt sich mit der richtigen Idee enorm verbessern; anders ausgedrückt: Längere Hubweiten, höhere Präzision beziehungsweise schnellere Zustellzeiten gegenüber herkömmlichen Modellen helfen dem Anwender, wertvolle Produktionszeit einzusparen.