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

Ob Stapel, Portal, Gantry oder liegendes Gantry – welche Architektur die optimale ist, hängt von der jeweiligen Aufgabe ab.

© Steinmeyer Mechatronik

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.

Das Portal

Die Vor- und Nachteile der gebräuchlichsten Mehrachssysteme auf

© Steinmeyer Mechatronik

Anders als beim Stapel werden die Achsen bei der Portal-Architektur nicht miteinander verbunden, sondern einzeln an der Basis und an einer Traverse in Verfahrrichtung rechtwinklig montiert. Da beide Tische mit der Struktur verbunden sind, erreichen die Einzelsysteme hohe Werte für Steifigkeit und Eigenfrequenz. Das Ergebnis ist eine hohe Eigenfrequenz des Gesamtsystems. Auch in puncto Dynamik, Ebenheit und Genauigkeit punktet die Portal-Bauweise. Zudem gibt es auch hier keine Überbestimmungen zwischen den Einzeltischen sowie im Vergleich zum Stapel eine einfachere Kabelführung in nur eine Richtung.
Portale bieten sich insbesondere dann an, wenn große Flächen überfahren werden müssen und sowohl das zu messende Objekt als auch der Sensor bewegt werden können. Auch Anwendungen mit schweren Messobjekten profitieren von der Portal-Bauweise. Da das Werkstück nur in X-Richtung bewegt wird, kann der Antrieb kleiner ausfallen als beim Stapel. Auch schwere Teile lassen sich mit Portalen schnell und präzise positionieren. 

Gantries für ruhende Messobjekte

Elger Matthes leitet das Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik in Dresden.

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Bei der Stapel- und Portal-Architektur wird das zu messende Objekt mitverfahren. Darf das Werkstück beim Messen hingegen nicht bewegt werden, führt die Wahl zum Gantry. Hier werden eine oder beide horizontalen Bewegungsrichtungen durch jeweils zwei synchron verfahrene Lineartische gebildet. Ähnlich eines Portalkranes wird zum Beispiel ein Laser oder ein Sensor über die Fläche bewegt. Die Gantry-Architektur zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit und Eigenfrequenz aus.

Entkoppelungsmaßnahmen vermeiden die konstruktionsbedingten Überbestimmungen zwischen den Einzeltischen. Da wenigstens ein Antriebspaar elektronisch synchronisiert werden muss, sind die Anforderungen an den Controller entsprechend hoch. Andererseits sorgt das Achsenpaar für hohe Dynamik sowie eine gute Ebenheit und geringe Nick- und Gierabweichungen, da die Querachse auf beiden Seiten abgestützt ist. Daraus resultiert eine Genauigkeit im höheren Bereich. Eine besondere Stärke von Gantries liegt im minimalen Platzbedarf – sie benötigt von allen Grundarchitekturen am wenigsten Bauraum. 

Liegendes Gantry mit Luftfuß

Eine Sonderform sind liegende Gantries mit Luftfuß, wie sie beispielsweise in Wafer-Steppern zu finden sind. Sie gelten als die ‚Königsklasse der Positioniertechnik‘. Bei der liegenden Ausführung befindet sich die Y-Achse in der gleichen Ebene wie die beiden X-Achsen und bildet mit ihnen den Buchstaben ‚H‘. Der Clou: Luftlager stützen die Last an der Grundplatte ab. So lassen sich die bestmöglichen Werte in Genauigkeit, Steifigkeit, Dynamik und Ebenheit verwirklichen, da durch Entkopplungsmaßnahmen nur noch die Geometrie der hochgenau zu fertigenden Basisplatte bestimmend ist. Geradheit, Nicken, Gieren und Rollen spielen folglich ‚in der obersten Liga‘. Allerdings ist viel Bauraum nötig, da mindestens ein Paar Antriebsachsen den Bewegungsraum umgibt und das Werkstück mitbewegt wird.