Steinmeyer Mechatronik

Stapel, Portal oder Gantry?

3. Februar 2021, 9:14 Uhr | Inka Krischke

Positionieraufgaben werden selten nur in eine Richtung ausgeführt. Vielmehr erfordern Applikationen neben einer Bewegung entlang der X-Achse oft gleichzeitig Bewegung in Y- und Z-Richtung. Wie sind derartige Mehrachssysteme beschaffen?

XYZ-Dreiachsanordnungen finden sich unter anderem in Werkzeugmaschinen, Messmaschinen und Laserbearbeitungsanlagen. In Abwandlung kommen sie darüber hinaus in vielen Geräten wie 2D- und 3D-Druckern, Kopierern, Montageanlagen und in sehr großer Ausführung bei Hallenkränen zum Einsatz. Soll ein Dreiachssystem aufgebaut werden, wird die vertikale Achse zumeist an einer tragenden Struktur über den XY-Achsen montiert. Typischerweise liegen dabei die Lineartische mit den größeren Verfahrwegen in der Horizontalen. Prinzipiell lassen sich drei Grundkonzepte beschreiben: Stapel, Portal und Gantry. Welche Architektur am besten in die jeweilige Applikation passt, hängt von der konkreten Aufgabe ab. Dabei fließen mehrere Aspekte in die Betrachtung ein: Neben Bauraum, Eigenfrequenz, Dynamik und Genauigkeit sind die Anforderungen an den Controller sowie die Gesamtkosten entscheidend.

Drei Grundarchitekturen

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 (beispielsweise verursacht durch Maschinen, Fahrzeuge, Lüfter, Pumpen oder gehende Menschen) 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 zudem 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, was sich negativ auf die gewünschten Werte auswirkt. Ebenso führen Fehlstellungen und große Abstände zwischen den Einzelachsen zu systematischen Fehlern, die sich durch die Wahl der optimalen Architektur reduzieren lassen.

Der Stapel

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, ist viel Bauraum nötig – und zwar die doppelte Fläche des Werkstücks. Der Charme der Stapel-Konstruktion liegt in seiner Einfachheit und Wirtschaftlichkeit, auch die Anforderungen an den Controller sind minimal. Vorteilhaft ist zudem, 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 Grenzen. Das Überhängen der belasteten Einzeltische führt zu hohen Nickabweichungen und damit zu einer eingeschränkten Genauigkeit. Zudem müssen alle Kabel in zwei Richtungen bewegt werden. Somit eignet sich der Stapel vor allem für kleine Verfahrwege, leichte Teile sowie Anwendungen, bei denen die Objekte kleiner sind als die Verfahrwege. Diese Architektur findet sich zum Beispiel in Geräten wie Mikroskopen.