Kamerasysteme, die in der Industrie zur automatischen In-spektion und Qualitätssicherung eingesetzt werden, müssen in Sekundenschnelle fokussieren: Maximal 100 ms stehen dafür in der Regel zur Verfügung. Zwar ist der Verfahrweg mit 0,5 bis 2 mm nicht besonders groß – oftmals geht es nur darum, die Dickenvariation eines Substrats auszugleichen oder enge Stacks von Bildern in verschiedenen Tiefenschärfen aufzunehmen –, doch gerade diese kurze Distanz wird für standardmäßige Fokusversteller auf Basis von Linearführungen schnell zum Verhängnis. Denn: Bei Millionen kleiner Bewegungen versagt das tribologische System mechanischer Wälzführungen frühzeitig, da der Schmierstoff an der Kontaktstelle verdrängt wird und sich nicht – wie üblich – über die ganze Laufbahn verteilen kann. Die Folge sind Kaltverschweißungen, die den Versteller blockieren. Bei Bewegungen im Mikrometer- und Submikrometerbereich wirken sich zudem Stick-Slip-Effekte negativ aus, also der Übergang von Haft- in Rollreibung in der Führung.

An dieser Stelle kommt Steinmeyer Mechatronik mit einem Fokusversteller bestehend aus einem Federparallelogramm, einem Exzenterantrieb mit Schrittmotor und einem induktiven Linearmesssystem ins Spiel. Diese Kombination wirkt auf den ersten Blick für Maschinenbauer vielleicht eher befremdlich: Blattfedern als Führungselement? Exzenterantriebe und Genauigkeit? Derartige Vorbehalte sind aber unbegründet.

Ursprünglich kommen Blattfedern aus der Messtechnik, wo sie bereits seit über einem Jahrhundert eingesetzt werden, und auch die Hightech-Industrie macht sich das Prinzip zunutze. Im allgemeinen Maschinenbau hingegen werden die Festkörpergelenke kaum genutzt. In Form eines Federparallelogramms gerade bei extrem kurzen Verfahrwegen eine sinnvolle Lösung: Bei kleinen Längsbewegungen deformieren sich die Blattfedern elastisch, sodass kein Verschleiß oder Ermüdungsbruch zu befürchten ist. Die obere Plattform führt die gewünschte Linearbewegung aus. Senkrecht dazu kommt es wegen der Verkürzung der Blattfedern beim Auslenken zu einer Parasitärbewegung, die berechenbar, systematisch und damit auch kompensierbar ist.

Ist das nicht akzeptabel, kann die Blattfeder rotationssymmetrisch als Membranfeder ausgeführt werden. Durch die Materialausdehnung entfällt in diesem Fall die Parasitärbewegung. Allerdings benötigen Membranfedern im Vergleich zu Blattfedern deutlich mehr Platz, was für viele Anwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt.

Bei sehr kleinen Stellwegen sind die Membranfedern ebene Blechronden, für größere Stellwege werden sie geschlitzt oder mit umlaufenden Sicken ausgestattet. Bei korrekter Dimensionierung erlauben Festkörpergelenke dauerhaft Linearbewegungen mit kleinen Auslenkungen und hoher Lebensdauer. Sie kommen ohne Schmierstoff aus, arbeiten reibungsfrei – agesehen von inneren Materialreibungen – und weisen keinerlei Hysterese- beziehungsweise Stick-Slip- Effekte auf.

Uralte Technik, modernes System

Auch das Konzept des Exzenterantriebs ist altbekannt – bereits in der Antike wurde die Technologie für die Transformation zwischen einer Rotations- und einer Linearbewegung genutzt. Heute finden sich Exzenterantriebe unter anderem in Pressen und Spanneinrichtungen, aber auch in PKW-Verbrennungsmotoren in Form der Kurbelwelle. Der Einsatz von Exzentern ermöglicht eine einfache, robuste und preiswerte Lösung, hat aber durchaus seine Tücken hinsichtlich Linearität und Ansteuerung. So verhält sich das System bei einer vollen Umdrehung in der Nähe der Umkehrpunkte nichtlinear. In der Folge kommt es zu einer Umkehr der Linearbewegung bei gleicher Drehrichtung des Motors.