Anwendungsforschung Magnetisch schwebendes Positioniersystem

Als Spezialist für hochpräzise Positioniersysteme hat Die Karlsruher Firma Physik Instrumente in Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) sowie dem Fachbereich Mechatronik der Universität Ilmenau ein neues Positioniersystem entwickelt. Es basiert auf dem Prinzip des magnetischen Schwebens (Magnetic Levitation).

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FAULHABER Antriebssysteme

Maxon Motor GmbH

SMC Deutschland GmbH

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG

Auch in den nächsten Jahren werden Branchen wie Life-Sciences und Biotechnologie auf Wachstumskurs bleiben. Steigende Anforderungen in diesen Bereichen haben dabei häufig Auswirkungen auf unterstützende Technologien. Ein typisches Beispiel dafür liefert die Antriebstechnik, die heute bereits Luftlagertechnik und magnetische Linearmotoren bietet. Doch die Anforderungen an die Präzision werden bis in den Nanometerbereich steigen. Zudem stoßen solche Systeme an ihre Grenzen, wenn Anwendungen das Arbeiten unter Vakuum oder Stickstoffatmosphäre erfordern. Gemeinsam haben sich PI, IMMS und Spezialisten der Universität Ilmenau nun dieser Thematik angenommen und mit einem neuen elektromagnetischen Positioniersystem bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt.

Objekte mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit bewegen

Der Läufer schwebt auf einem magnetischen Feld, das durch sechs Spulen erzeugt und aktiv über einem 6D-Sensor geregelt wird. Das magnetische Feld übernimmt dann die Aufgabe des Antriebs und der aktiven Führung des Läufers. Der Antrieb und das kompakte hochauflösende Messsystem für die sechs Freiheitsgrade wurden so entwickelt, dass der Läufer passiv bleibt – also keine Kabelanschlüsse notwendig sind. Ein zweidimensionales optisch inkrementales Messsystem erfasst dazu in Kombination mit kapazitiven Sensoren die Position und dient zur Regelung des Antriebes in allen Achsen.

Auf diese Weise lassen sich Objekte mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in der Ebene linear bzw. rotativ bewegen. „Die aktuelle, schon recht fortgeschrittene Entwicklungsstudie ,PIMag 6D‘ positioniert mit einer Auflösung von 10 nm,“ freut sich Dr. Rainer Gloess, Leiter Advanced Mechatronics bei PI. Fährt das System z.B. eine Kreisbahn mit 100 nm Durchmesser, liegt die maximale Abweichung von der Ideallinie bei nur wenigen Nanometern.

Geometriefiles und Koordinatentransformationen verarbeiten

Der Prototyp hat aktuell einen Bewegungsbereich von 100 x 100 x 0,15 mm³. Bahnbewegungen können bei einer Beschleunigung von bis zu 2 m/s² und einer Geschwindigkeit von derzeit bis zu 100 mm/s mit Nanometerpräzision durchgeführt werden. Der digitale Controller des elektromagnetischen Antriebs, basierend auf einem modularen System von PI, kann bereits heute verschiedene Geometriefiles sowie Koordinatentransformationen verarbeiten und bietet damit eine optimale Basis für Skalierungen. Auf die nächsten Entwicklungsschritte darf man folglich gespannt sein.

Kontakt:

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

D-76228 Karlsruhe

www.pi.ws

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