Kompakt, präzise und modular

Die Steinmeyer-Gruppe hat ein kompaktes High-Speed-Gantry entwickelt. Das Positioniersystem bietet die Basis für dynamische, hochgenaue Anwendungen sowie für individuelle Maschinenkonzepte. 

Die drei Unternehmen der Steinmeyer-Gruppe – August Steinmeyer, Steinmeyer Mechatronik und Feinmess Suhl – ergänzen sich mit ihrem Know-how sowie ihren Entwicklungs- und Fertigungskompetenzen. Steinmeyer Mechatronik ist dabei ein wichtiger Hersteller von hochgenauen Positionierlösungen für alle Branchen. Gemeinsam mit ihren Schwesterunternehmen entwickeln die Positionierexperten aus Dresden innovative, exakt auf die jeweilige Anwendung des Kunden zugeschnittene Baugruppen und Systeme. Ob Reinraum, UV-Strahlung oder z. B. trockene Stickstoffatmosphäre: Mechanik, Elektronik, Software und Sicherheitskonzept werden immer den individuellen Anforderungen entsprechend ausgelegt. 

Ein Ergebnis ist das neue High-Speed-Gantry. Es bietet eine hohe Dynamik und Präzision im Submikrometerbereich. Das Positioniersystem deckt zahlreiche Anwendungsfälle wie Fräsen, Messen, 3D-Druck, Pipettieren, Leiterplattenbestückung oder Waferinspektion ab. Der modulare Aufbau bietet eine hohe Flexibilität, wie ein schneller Austausch der Verschleißkomponenten bei der Wartung. Ein Schnellwechsel-Interface sorgt für geringe Stillstandzeiten beim Umrüsten und erlaubt den unkomplizierten Wechsel von kundenspezifischen Prozessköpfen. „Das spart unter Umständen sogar die ­Anschaffung neuer Maschinen bei einem Sortimentswechsel“, erklärt Elger Matthes, Leiter Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik. „Neben den Hüben der Bewegungsachsen lassen sich auch der Arbeitsbereich und das Untergestell an die jeweilige Aufgabe anpassen – zum Beispiel Arbeitshöhe, Bohrraster oder Zuführungen.“ 

Dynamische Produktion 

Gantries eignen sich, um großflächig stehende Objekte zu überqueren. Ähnlich wie bei einem Portalkran wird ein Laser oder ein Sensor über ein Werkstück bewegt. Damit ist die bewegte Masse vergleichsweise gering und höhere Taktzeiten möglich. Das neue High-Speed-Gantry der Steinmeyer-Gruppe besteht aus zwei synchron verfahrenden unteren Achsen, die eine Traverse bewegen. Die unteren Achsen werden elektronisch synchronisiert; sie erzeugen also bei gleichzeitiger Bewegung einen Horizontalhub und bei gegensinniger Bewegung eine Drehung. Somit ist auch eine geringe, jedoch hochpräzise rotatorische Ausrichtung möglich. Die Traverse hat optional zwei Vertikalachsen für parallele Bearbeitungen. Die X- und Y-Achsen sind mit ­Linearmotoren ausgestattet, die Vertikalachsen arbeiten mit Kugelgewindetrieben, so sind keine statischen Haltekräfte mit hohen Strömen notwendig. 

Die Linearmotoren sorgen für einen maximalen Produktionsdurchsatz. Das System arbeitet mit Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von 1,5 bzw. 12 m/s2 auf der X-Achse und 2 bzw. 20 m/s2 auf der Y-Achse. Die bidirektionale Wiederholgenauigkeit beträgt ± 0,5 µm im Raum. Die empfohlene Last an den Vertikalachsen beträgt zweimal 5 kg. Auch die beiden Z-Achsen mit Servomotoren erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 250 mm/s, was nur mit den für industriellen Einsatz optimierten Kugelgewindetrieben aus eigener Fertigung umsetzbar ist. 

Höchste Präzision 

In dem präzisen Automatisierungssystem kommen geschliffene Miniatur-Kugelgewindetriebe mit einem Spindeldurchmesser von 12 mm in Genauigkeiten bis ISO-Toleranzklasse 1 von August Steinmeyer zum Einsatz. Diese sind mit einer Flansch-Einzelmutter mit 4-Punkt-Kontakt und Einzelgangumlenkung ausgestattet. Sie ermöglichen das hochauflösende und trotzdem schnelle Positionieren in den Z-Achsen. Die perfekte geometrische Qualität und Oberflächengüte der spielfrei vorgespannten Gewindetriebe sorgen für einen idealen Gleichlauf in der Anwendung und ermöglichen kleinste Stellinkremente. Für das aufwandsarme Einbinden in die Maschinensteuerung unter Serienbedingungen wird bei der Montage des Kugelgewindetriebs das vorgegebene Band des Leerlaufdrehmomentes mittels Vorspannung genau eingestellt. So werden stabile Laufeigenschaften erreicht und neben der Lebensdauer erhöht sich auch die Betriebssicherheit.  

„Die Motorsteuerung läuft dann immer im optimalen Bereich, da Lebensdauereffekte fast gar nicht mehr auftreten“, erzählt Matthes. „Das ist die Voraussetzung für ein stabiles Tuning und eine lange Lebensdauer.“ Neben den Materialien wie Edelstahl oder Titan sowie einer passenden Schmierung etwa für Reinraum oder Pharma lassen sich bei August Steinmeyer auch Steigung und Tragzahlen an die individuellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung an Genauigkeit, Lastzyklus und Geschwindigkeit anpassen. Sogar die Anschlussflansche können individuell festgelegt werden. Anwendungsnahe Serienprüfungen und kundenspezifische Lebensdauertests gewährleisten die Zuverlässigkeit der Komponenten. 

Optimale Fokussierung 

„Für unser Messeexponat hat Feinmess Suhl beispielhaft ein Zoomsystem mit zwei auf einer optischen Achse verstellten Linsen konstruiert“, berichtet Matthes. „In der Z-Achse sind dafür deren, in der eigenen Fertigung hergestellten, Gleitgewindetriebe verbaut. Bestehend aus einer Spindel mit gerolltem M3-Gewinde und einer Kunststoffmutter arbeiten diese trotz Trockenlauf verschleißarm und reinraumgerecht.“  

Die Komponente hat einen wirtschaftlichen Aufbau bei geringer Komplexität und gewährleistet die stromlose Selbsthemmung der Z-Achse. Weitere Merkmale sind die hohe Positioniergenauigkeit und die Wartungsfreiheit des Gleitgewindetriebs. Die Spindel ist direkt an den Motor angeschlossen. Dadurch können eine Lagerung und Ausgleichskupplung entfallen und die zwei Schlitten auf einer Führung untergebracht werden. Die Gewindetriebe sind mit einem Axialspiel von lediglich 2,5 µm ausgeführt. Je nach Applikation und Einsatzumgebung sind verschiedene Gewindesteigungen, Mutternbauformen und Werkstoffe sowie auch hochgenau geschliffene, gewirbelte oder gerollte Spindelausführungen möglich. Elger Matthes: „Diese Flexibilität eröffnet dem Anwender ein breites Anwendungsspektrum in der Gerätetechnik.“ 

Sichere Geschwindigkeit 

Das Gesamtsystem von Steinmeyer Mechatronik lässt sich über eine integrierte SPS-Motioncontrol steuern, welche zusammen mit den Kabelführungen in einer trennbaren Aufstelleinheit untergebracht ist. So kann das Gantry-System alternativ auch auf modulare Automatisierungszellen aufgesetzt werden. Die Controller für die beiden Vertikalachsen fahren an deren Motoren mit. Das Konzept „stehender Schlitten“ ermöglicht ein tiefes Eintauchen der Vertikalachsen in den Arbeitsbereich bei einfacher Kabelführung. Die Controller der Anwendungsaktoren befinden sich auf den X-Schlitten und fahren dort mit. Somit gibt es weniger Leitungen in den Energieketten, der Lauf der X-Achsen ist wiederholbarer und es ist weniger Kraft für die Bewegung erforderlich, was eine höhere Dynamik ermöglicht. 

Im Betrieb sorgen zwei Laserscanner dafür, dass das Gantry von hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten in einen sicheren Geschwindigkeitmodus versetzt wird, sobald sich eine Person im Sicherheitsbereich befindet. Nach dem Verlassen des Sicherheitsbereichs kehrt die Maschine zu ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit zurück. Auf eine Einhausung des Arbeitsbereichs konnte daher verzichtet werden. Damit ist ein kooperativer Einsatz – also ein gemischter Betrieb von automatisierten und manuellen Prozessen in der Produktion möglich. Der überwachte Sicherheitsbereich kann frei nach den vorliegenden Gegebenheiten eingestellt werden. Eine allseitige Zugänglichkeit der Maschine ist bei vollständiger Sicherheitsüberwachung gegeben. Folglich kann das System entweder als Einzelmaschine oder auch als anreihbare Zelle einer Gesamtanlage verwendet werden. 

Bilder: 04 Feinmess Suhl, sonstige August Steinmeyer