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Dr. Fritz Faulhaber Positionierung ohne Regelkreis

| Autor / Redakteur: Autorin | Ellen-Christine Reiff / Peter Reinhardt

Laser sind vielseitige Werkzeuge, mit denen sich heute fast alles bearbeiten lässt. In der Materialbearbeitung kann man deshalb genauso wenig auf die Kraft des Lichts verzichten wie bei Operationen am Auge. Um den Lichtlauf in kleinen Paketen hochgradig zu komprimieren, sind Schrittmotoren im Einsatz.

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Stand der Technik: Femtosekundenlaser werden heute in vielen Bereichen verwendet. Für die richtige Einstellung sind Schrittmotoren integriert.
Stand der Technik: Femtosekundenlaser werden heute in vielen Bereichen verwendet. Für die richtige Einstellung sind Schrittmotoren integriert.
(Bild: Faulhaber)

Bei Laseranwendungen kommt es auf die richtige Einstellung von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktfrequenz und auf die Fokussierung an. Das heißt, die den Laserstrahl beeinflussenden Prismen, Filter und Spiegel müssen präzise positioniert werden, um die Energie in gepulsten Lasern durch Manipulation der Frequenzen und Verzögerung des Lichtlaufs in kleinen Paketen hochgradig zu komprimieren. Schrittmotoren bieten hierfür gute Voraussetzungen.

Femtosekundenlaser sind heute Stand der Technik und werden in vielen Bereichen verwendet. Wo ihre Pulse auftreffen, hat die beschossene Materie keine Zeit zu schmelzen, sie geht unmittelbar in den gasförmigen Zustand über und kann abgesaugt werden. So lassen sich feinste Schichten auf wenige Nanometer genau abtragen. Dabei entstehen keine gratbildenden Schmelzreste und das benachbarte Material erwärmt sich praktisch nicht. Auf die richtige Dosierung der entscheidenden Parameter hat sich die französische Firma ISP System spezialisiert. Sie fertigt Aktoreinheiten, die Prismen, Filter und Spiegel im Innern des Lasers bewegen und so Lichtpulsen ihre genau definierte Qualität verleihen.

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Aufwendige Ansteuerelektronik ist nicht erwünscht

Als treibende Kraft dieser Stelleinheiten kommen prinzipiell verschiedene Antriebsarten in Frage: elektromagnetische, piezoelektrische oder klassische Schrittmotoren. „In manchen Einsatzgebieten, wie etwa der Forschung, können die ersten beiden Antriebsarten ihre besonderen Stärken ausspielen, doch im industriellen Alltag sind klassisch angetriebene Aktoren in vielerlei Hinsicht überlegen“, erläutert Sébastien Theis (ISP System), fügt allerdings einschränkend hinzu: „Sofern die Qualität der Geräte stimmt und erstklassige Motoren verwendet werden. Sie müssen nämlich sehr genau arbeiten, ihre Steuerung darf aber nicht zu komplex sein.“

Offener Regelkreis bietet viele Vorteile

In eben diesem Punkt haben piezoelektrische und elektromagnetische Antriebe einen entscheidenden Nachteil: Sie erreichen ihre hohe Präzision nur in einem geschlossenen Regelkreis. Das heißt, dass eine Messeinheit nötig ist, welche die Bewegung erfasst, die Werte an die Steuerung übermittelt, die wiederum die Bewegung nachregelt. „Der geschlossene Regelkreis bedeutet eine relativ große Komplexität und erfordert zusätzliche Elektronik“, erklärt Theis. Das verteuere diese Lösung nicht nur, sondern mache sie auch wesentlich aufwendiger und großvolumiger.

Schrittmotoren kommen ohne Referenzfahrt aus

Schrittmotoren können dagegen auch im offenen Regelkreis zuverlässig betrieben werden, kommen ohne Sensor aus und sind schon deshalb kompakter. Wichtig ist jedoch, dass sie während der Bewegung keine Schritte „verlieren“, weil sonst eine Referenzfahrt notwendig wird.

Große Leistung bei kleinem Volumen

Die eingesetzten Schrittmotoren der Serie AM1020 aus dem Hause Faulhaber wurden für die Stelleinheiten im Laser mit unterschiedlichen Getriebevarianten kombiniert. Sie sind aufgebaut als Zwei-Phasen-Schrittmotoren mit Permanentmagneten und arbeiten nach dem Precistep-Verfahren. Dank optimiertem Aufbau und Einsatz von NdFeB-Magneten wird ein sehr gutes Leistungs-/Volumenverhältnis erreicht. Die Ansteuerung im Voll-, Halb- oder Mikroschrittbetrieb ermöglicht es, genaue Drehzahlprofile zu fahren oder, wie in der beschriebenen Anwendung, eine Positioniersteuerung im offenen Regelkreis aufzubauen.

Der Rotor besteht je nach Motorausführung aus einem Kunststoffträger für zehn bis zwölf magnetische Polpaare. Das große Magnetvolumen garantiert hohe Drehmomente, das Magnetmaterial ermöglicht den Einsatz bei sehr tiefen Temperaturen und bei Sonderausführung bis über 180 °C. Dabei bauen die Motoren ausgesprochen kompakt: Bei 10 mm Durchmesser sind sie lediglich 15,8 mm lang.

Schrittmotoren sind auch ohne Strom sicher

Ein zusätzlicher Vorteil von Schrittmotoren ist, dass sie ihre Position auch ohne Stromzufuhr halten. Das ist beispielsweise beim Betrieb in der geschlossenen Laserbox von Bedeutung. Denn dort geht jeder Laserpuls mit einer elektromagnetischen Entladung einher. Ein geschlossener Regelkreis mit Aktor und Sensor kann nur bei Stromzufuhr funktionieren. „Die Entladung kann dann in einer solchen Einheit Störungen verursachen. Das wiederum könnte dazu führen, dass etwa ein Kippspiegel aus seiner vorgegebenen Position gerät“, erläutert Theis das Problem. Die Folgen wären fatal, zum Beispiel wenn der Laser zur Korrektur der Hornhaut eines kurzsichtigen Auges eingesetzt wird. Mit dem stromlos feststehenden Schrittmotor ist eine solche Störung ausgeschlossen. Neben diesen bauartbedingten Eigenschaften und der hohen Qualität gab es aber noch weitere Gründe, warum sich ISP System für diese Motoren entschieden hat: „Wir haben keinen zweiten Hersteller gefunden, dessen Produkte sich so leicht und schnell an unsere Anforderungen hätten anpassen lassen. Wir können aus einer unvergleichlich breiten Palette von Motoren und Getrieben auswählen. Darüber hinaus ist Faulhaber in der Lage, Motoren nach unseren Anforderungen spezifisch zu entwickeln. Dank kurzer Lieferzeiten können wir sehr schnell auf die Wünsche unserer Kunden reagieren.“

Autorin: Ellen-Christine Reiff arbeitet als freie Journalistin für das Redaktionsbüro Stutensee.

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