Rechtlijnigheid heeft zo zijn voordelen

Lineaire servomotor staat voor hoge precisie, dynamiek en efficiëntie

Lineaire servomotoren zijn in staat nauwkeurige rechtlijnige bewegingen te leveren met een grote kracht, een hoge krachtdichtheid en met minimale wrijving, speling of slijtage, de 'zorgenkindjes' van systemen met tandwielen of riemen. Hun toepassingsgebied varieert van automatisering en robotica tot de logistiek en de automotive-industrie. Toekomstige ontwikkelingen zullen vooral zijn gericht op hogere precisie, snellere prestaties, energie-efficiëntie en slimme integratie, en via zaken als functioneel ontwerp en integratie met slimme technologieën is er nog volop winst te behalen.

Dienend

Lineaire servomotoren zijn compacte elektrische motoren; het woord 'servo' is afgeleid van het Latijnse woord servus wat slaaf of dienaar betekent. Dit type motor maakt deel uit van een gesloten regelsysteem, waarbij er continu sprake is van feedback; de motor volgt orders op en vervult een dienende rol, vandaar de naam. Dankzij de directe aandrijving – een mechanische omzetting van een rotatie- naar een lineaire beweging is niet nodig – heeft dit type motor minder last van wrijving, speling of slijtage, de 'zorgenkindjes' van systemen met tandwielen of riemen.

Krachtige prestaties

Lineaire servomotoren zijn in staat nauwkeurige rechtlijnige bewegingen te leveren met een grote kracht en een hoge krachtdichtheid, en worden gekenmerkt door een hoge precisie, dynamiek en efficiëntie. De volgende onderdelen leveren hieraan een bijdrage.

Feedbackmechanisme

Dit mechanisme – doorgaans een lineaire encoder, ook wel lineaire schaal genoemd – is onderdeel van een zogeheten geslotenlussysteem, zie kader. Tot het 'functiepakket' behoren:

• positiebepaling: het mechanisme geeft realtime-informatie over de positie van de mover (zie hierna), en zorgt er verder voor dat de motor op de juiste locatie stopt;
• corrigerend optreden bij afwijkingen: eventuele onjuistheden ten aanzien van positie en/of snelheid worden gedetecteerd door het feedbackmechanisme. Daarop volgt een signaal naar de controller die de noodzakelijke correcties doorvoert.

Geslotenlusbesturing (illustratie: Rotero)
Bij dit besturingssysteem is er sprake van een continue vergelijking van de realtimesituatie en de gewenste doelwaarde (het setpoint). De belangrijkste systeemonderdelen zijn:
- de actuator, een mechanisch onderdeel dat de door de controller berekende aanpassingen uitvoert;
- de controller die de gemeten waarde vergelijkt met het setpoint. Bij een verschil berekent de controller de voor het beoogde herstel benodigde aanpassingen;
- het feedbackmechanisme, verantwoordelijk voor het monitoren van de actuele waarde van de uitvoer en voor de terugkoppeling richting de controller.

Voordelen van deze besturingsvorm zijn de hoge nauwkeurigheid, het adaptievermogen bij (ver)storingen en de stabiliteit en controle die het gebruik ervan opleveren. Nadelen zijn de complexiteit van het systeem en de reactietijd die valt of staat bij de snelheid waarmee genoemde componenten reageren.

Geleidingen

Deze zorgen ervoor dat de mover nauwkeurig langs een gedefinieerd pad beweegt, en de kracht alleen effectief is in lineaire richting. Daarnaast bieden de geleidingen mechanische ondersteuning aan de te positioneren last die daardoor stabiel blijft en niet gaat trillen dan wel trajectafwijkingen vertoont. Dit minimaliseert de wrijving en verhoogt de motorefficiëntie. Ook zorgen geleidingen ervoor dat er voortdurend sprake is van een luchtspleet tussen mover en statoren.

De materiaalkeuze – gehard en roestvast staal, polymeren, kunststoffen, keramische materialen, wrijvingsloze luchtlagering – is afhankelijk van factoren als omgevingsomstandigheden, benodigde belastbaarheid en slijtvastheid.

Lineaire servomotoren zijn in staat nauwkeurige rechtlijnige bewegingen te leveren met een grote krachtdichtheid en hoog koppel

Mover

De mover, het bewegende deel van de motor, zet de elektromagnetische krachten om in mechanische kracht waardoor de motor een last kan verplaatsen en positioneren. De doorgaans in de mover aanwezige permanente magneten of ferromagnetische materialen reageren op het veranderende, door de stator gegenereerde magnetische veld. De hoeveelheid stroom en de wijze waarop deze de statorspoelen passeert, is regelbaar. Omdat de mover deel uitmaakt van een servosysteem kunnen de positie en de snelheid nauwkeurig worden gecontroleerd met behulp van de daarin aanwezige feedbacksystemen.

Servoregelaar

Dit elektronische apparaat, ook wel aangeduid als servo controller, zorgt er via een referentiesignaal voor dat de beoogde stroom en spanning aan de servomotor worden geleverd, zodat deze met de juiste snelheid en kracht naar de gewenste positie beweegt. De regelaar ontvangt signalen van het feedbackmechanisme over de werkelijke positie en snelheid van de motor, stuurt de stroom naar de mover en beïnvloedt de interactie met de stator.

Stator

De stator bestaat uit een reeks parallel dan wel serieel geschakelde elektromagneten (spoelen) die tezamen de krachten leveren nodig voor een nauwkeurige en efficiënte lineaire beweging. Wanneer door de spoelen een elektrische stroom loopt, ontstaat een magnetisch veld. De mover beweegt in reactie hierop langs de stator zonder dat daarbij vervorming optreedt. Door een juiste aansturing van de spoelen – de elektrische stroom in de statorspoelen is regelbaar – kan de motor een uiterst nauwkeurige en gecontroleerde lineaire beweging uitvoeren.

Geïntegreerde redundante systemen
Bij dit type systemen betreft het technische of IT-oplossingen waarbij meerdere componenten of systemen parallel functioneren teneinde een hogere betrouwbaarheid en beschikbaarheid te waarborgen. Valt het ene onderdeel uit, dan neemt een ander deel de functie zonder verdere menselijke tussenkomst over (automatic failover mechanism). Dit maakt het systeem fouttolerant en het minimaliseert de downtime. Redundantie kan worden ingebouwd in:
- de hardware, bijvoorbeeld in de vorm van meerdere servers of netwerkverbindingen;
- de software in de vorm van back-upprocessen en/of datareplicatie;
- de infrastructuur, bijvoorbeeld in elektriciteitsvoorzieningen of koelsystemen.

Geïntegreerde redundante systemen zijn cruciaal in sectoren waarin een hoge mate van betrouwbaarheid en continuïteit is vereist.

Toepassingen

Als gezegd wordt een lineaire servomotor ingezet daar waar precisie, snelheid en controle over een lineaire beweging vereist zijn.

Automatisering en robotica

In geautomatiseerde productielijnen zorgen de motoren voor een nauwgezette verplaatsing van de diverse onderdelen. In robotische systemen (robots en cobots) en in de chipindustrie worden ze veelvuldig gebruikt voor lineaire assen die precisiebewegingen moeten uitvoeren.

Recente(re) ontwikkelingen: het gebruik in robotische systemen heeft een vlucht genomen met name ook door de (op)komst van steeds geavanceerdere besturingssystemen en innovatieve sensortechnologie (slimme sensoren).

Automotive-industrie

In voertuigtestbanken worden de motoren gebruikt om bijvoorbeeld de ophangingssystemen of schokdempers van voertuigen te testen, in assemblagelijnen voor nauwkeurige plaatsing en bevestiging van onderdelen.

Recente(re) ontwikkelingen: onder meer dankzij de komst van elektrische voertuigen is de vraag naar testapparatuur voor voertuigsensoren, schokdempers en batterijen sterk gegroeid. Voor de daarvoor noodzakelijke nauwkeurige lineaire bewegingen is een lineaire servomotor aangewezen.

Machinebouw

In geavanceerde CNC-bewerkingsmachines worden doorgaans meerdere lineaire servomotoren gebruikt, voor elke bewegingsas één. Synchronisatie van de bewegingen maakt het mogelijk complexe bewerkingen uit te voeren waarbij meerdere assen gelijktijdig bewegen.

Recente(re) ontwikkelingen: het 3D-printen is sterk in opkomst en blijft evolueren. Professionele en industriële 3D-printers maken gebruik van lineaire servomotoren voor de nauwkeurige verplaatsing van de printkop en het bed.

Logistiek

In automatische opslagsystemen, distributiecentra en fabrieken worden de motoren gebruikt om goederen snel en nauwkeurig te verplaatsen over zowel korte als lange(re) afstanden.

Recente(re) ontwikkelingen: door de sterke groei van e-commerce met daaraan gekoppeld de behoefte aan snelle efficiënte logistiek hebben geautomatiseerde magazijnen en opslagsystemen een vlucht genomen.

Lucht- en ruimtevaart

Windtunnels en andere in deze sector gebruikte testfaciliteiten vergen, net als die in de automotive-industrie, nauwkeurige lineaire bewegingen en dus de inzet van lineaire servomotoren.

Recente(re) ontwikkelingen: dankzij geavanceerde lineaire servomotoren zijn flight simulators, met name door innovaties binnen de simulatiesoftware en de mechatronica, in staat nog realistischer dan voorheen bewegingen en trillingen te simuleren.

Trends

De toekomstige ontwikkelingen zullen zich vooral richten op hogere precisie, snellere prestaties, energie-efficiëntie en slimme integratie, en verschillende factoren gaan daaraan een bijdrage leveren.

Functioneel ontwerp

De motoren worden steeds kleiner dankzij het gebruik van onder meer koolstofvezels en geavanceerde polymeren. Door de integratie van geavanceerde sensorsystemen zullen bovendien de positioneringsnauwkeurigheid en de resolutie verbeteren.

Een lineaire servomotor wordt ingezet daar waar precisie, snelheid en controle over een lineaire beweging vereist zijn

Integratie met slimme technologieën

Motoren zullen steeds vaker deel uitmaken van slimme netwerken waarbij dankzij realtimedata-uitwisseling de prestaties, onderhoudsbehoeften en storingen beter beheersbaar worden. Integratie met AI en machine learning maken verdere optimalisatie mogelijk.

Reactietijd en snelheid

De reactietijd zal korter worden terwijl de dynamische prestaties verbeteren. Daarbij wordt ingespeeld op de vraag naar hogere snelheden zonder verlies van precisie, wat met name van belang is bij korte cyclustijden.

Veiligheids- en foutbestendige systemen

De groei van geautomatiseerde en autonome systemen heeft geleid tot een toenemende vraag naar motoren met ingebouwde foutdetectie en herstelmogelijkheden. Dankzij geïntegreerde redundante systemen (zie kader) zal de veiligheid van motoren in kritische toepassingen verder toenemen.

Met medewerking van Faulhaber, Festo, Rem-B Hydraulics, Rotero en Vansichen Linear Technology