– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Autor: Mark Freyer --Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen
Lebensdauer, Vakuum Anwendungen, Verschleiß

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Mark Freyer --Inhaltsverzeichnis
1

Arbeitsweise eines Q-Motion® Piezomotors

3

2

Lebensdauer

332.1

Lebensdauer in Standardumgebung

32.2Lebensdauer im Vakuum

32.3

Leistungsaufnahme der Positioniertische

4Testumgebung
3.1

In Standardumgebung

3.1.1
3.2

4
4

Fazit zur Lebensdauer in Standardumgebung

5In Vakuum

3.2.1

5

Fazit zur Lebensdauer in Vakuum

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– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Mark Freyer --1 Arbeitsweise eines Q-Motion®
Piezomotors
Antriebe für Q-Motion® Tische basieren auf dem Trägheitsprinzip (Stick-Slip-Antriebe). Piezoträgheitsantriebe sindplatzsparend und preiswert und besitzen relativ hohe Haltekräfte und prinzipiell unbegrenzten Stellweg. Ein zyklischer
Wechsel von Haft- und Gleitreibung zwischen einem bewegten Läufer und einem piezoelektrischen Aktor sorgt für einenkontinuierlichen Vorschub des Läufers. Mit einer Betriebsfrequenz von max. 20 kHz erreichen direkt auf den Läufer wirkende Antriebe Geschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s.
Im Wesentlichen nutzt jeder Q-Motion® Tisch einen kompakten Motor bestehend aus einem Piezoaktor, einem Motorgrundkörper und dem Kopplungselement. Dieses Element
wird mit einer definierten Vorspannung gegen einen Läufer
gedrückt, woraus sich die gewünschte Antriebskraft ergibt.

schleiß kann durch geeignete Materialien jedoch deutlich
reduziert bzw. vermieden werden.
Zur Verringerung / Vermeidung von Verschleiß und frei entstehenden Keramikpartikeln wird vakuumkompatibles Fetteingesetzt, das auf den Läufer aufgebracht wird. Der Einsatz
von Fett hat keinen negativen Einfluss auf die erzeugte Motorkraft, sondern sorgt im Gegenteil für eine weichere Gleitphase und somit bessere Regelbarkeit.
Die seit 2 Jahren andauernden Lebensdaueruntersuchungenzeigen eine Laufleistung von mindestens 80 km bei folgenden
Parametern:







2.2

Voller Hub bei Linearachsen
Volle Umdrehung bei Rotationsachsen
Gegen die Motorkraft wirkende Last; Gewichte bei linearen Bewegungen und Gewichte zur Erzeugung eines
Drehmoments bei rotatorischer Bewegung.
Max. 50% Duty-Cycle
Befestigung durch Verschrauben der Positionierstische
an robuste Körper aus Aluminium oder Stahl.

Lebensdauer im Vakuum

Der Einsatz von vakuumkompatiblem Fett ist umso wichtiger,
wenn die Tische im Vakuum betrieben werden.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Q-Motion® Trägheitsamtriebs

Der Aktor basiert auf einer piezoelektrischen Keramik, dievollständig verschleißfrei für sehr hohe Zyklen ausgelegt ist.
Er wird durch eine elektrische Ansteuerspannung (Sägezahnprofil) ausgelenkt, woraus sich eine Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Läufers ergibt.
Der Kontaktpunkt des Kopplungselements und des Läufers ist
reibungsbehaftet und somit auch anfällig gegenüber Verschleiß.

Keramik lagert in einer Standardumgebung Wasser in derKeramikstruktur ein, ähnlich einem Schwamm, was ohne
Schmierung anfangs zu leichtem Verschleiß führt. Nach einiger Zeit tritt eine Art Sättigung auf, d.h. der Läufer bzw. das
Koppelement haben sich eingeschliffen und die Oberfläche
wird poliert.
Wird nun der Tisch im Vakuum betrieben, lösen sich die eingelagerten Wassermoleküle aus der Keramik und der Verschleiß steigt sprunghaft an.
Um dies zu kompensieren, werden alle Reibkörper der QMotion® Serie mit einem vakuumkompatiblen Fett bestrichen, was das „Austrocknen“ der Keramik verhindert.
Trotz des Einsatzes von Fett sorgt das Vakuum dennoch zu
einer deutlich geringeren Lebensdauer gegenüber Standardumgebung.

2 Lebensdauer
2.1

Lebensdauer in Standardumgebung

Die Lebensdauer wird maßgeblich durch das keramischeKopplungselement und den ebenfalls keramischen Läufer
beeinflusst. Die dem Trägheitsprinzip zugrunde liegende
Reibung (Slip-Phase) ist Verschleiß unterworfen. Dieser Ver-Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Mark Freyer --Lebensdaueruntersuchungen in der Q-Motion® eigenen Vakuumkammer zeigen eine Laufleistung von mindestens
1,2 km, bei folgenden Parametern:Voller Hub bei Linearachsen
Volle Umdrehung bei Rotationsachsen
Teilweise mit statischer Last in horizontaler als auchvertikaler Richtung.
10% Einschaltdauer und verringerte Geschwindigkeit.
Durch das Fehlen von Luft zum Kühlen der Piezokeramikmuss die Einschaltdauer deutlich nach unten gesetzt
werden, um den Energieeintrag und die daraus resultierende Wärmeentwicklung in für den Motor erträglichen
Grenzen zu halten.

Es ist zwingend erforderlich, die Q-Motion® Tische auf eine
solide Metallfläche aufzuschrauben, um die Motorwärmeüber das Metall abführen zu können.

2.3

Leistungsaufnahme der PositioniertischeLeistung desMotorcontrollers

Q-Motion® Tisch

10W @20kHz

3 Testumgebung
3.1

In Standardumgebung

Für die Lebensdaueruntersuchungen werden folgende Tische getestet

Q-Motion® TischMinimale Laufleistung

Q-614

ca. 1 Mio Rotationen (360°). Mit Last,
ungeregelt

Q-622 / Q-632

Max. 570.000 Rotationen (360°). Mit Last,geregelt

Q-522

50 km, lastfrei, geregelt

Q-521

77 km, mit Last, geregelt

Q-545

72 km, mit Last, geregelt

Für die Lebensdaueruntersuchungen werden folgende Controller getestet~15% PiezoHysterese undWärmeeintrag

Motorcontroller und Treiber

Q-614, Q-622, Q-632

Ca. 1,5W

E-871.1A1

10W @20kHz

Q-522, Q-521, Q-821

Ca. 1,5W

C-885 / E-873.10C885

30W @20kHz

Q-545, Q-845

Ca. 4,5W

Tisch mit und ohne Käfig-Zwangsführung

Die Tabelle stellt die Leistungsaufnahme der verschiedenen
Q-Motion® Tische bezogen auf die Einzelachsen dar. Die
jeweiligen Maximalwerte gelten für eine Betriebsfrequenz
von 20kHz. Hierbei ist zu beachten, dass Piezokeramik mit
einer Hysterese von 15% (Blindleistungsanteil) arbeitet unddie eingebrachte elektrische Energie mit diesem Blindleistungsanteil in Wärme umgewandelt wird.
In Vakuum und bei Dauerbetrieb an Luft muss diese Charakteristik unbedingt beachtet werden, um ein Überhitzen undAusfall des Motors zu vermeiden.

E-870.1G

Q-Motion® TischKäfig-Zwangsführung Ja / Nein

Q-522

Keine Käfig-Zwangsführung

Q-521

Keine Käfig-Zwangsführung

Q-545

Mit Käfig-Zwangsführung

Alle Systeme sind kontinuierlich im Einsatz, deshalb erhöht
sich auch die Laufleistung der Tische kontinuierlich mit. DerTest jeder einzelnen Achse gilt erst dann als abgeschlossen,wenn diese ausfällt.
Zu Testbeginn waren keine Führungen mit KäfigZwangsführung am Markt verfügbar. Daher wurden bei den
Q-522 und Q-521 Führungen ohne Käfig-Zwangsführung
verbaut. Dies kann im Dauerbetrieb zu sog. Käfigwandern
führen und zu einem undefinierbaren Zeitpunkt zum Stillstand der Achse. Der Käfig muss dann manuell in die richtige
Position verschoben werden und die Achse kann wieder
normal in Betrieb genommen werden.
In Abhängigkeit von der Kundenanwendung (bei hohen Zyklenzahlen), können die Serien Q-521 / Q-522 seit Ende Q22017 mit Käfig-Zwangsführung als Option ausgerüstet wer-Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Mark Freyer --den.
Der Q-545 verfügt bereits über eine Käfig-Zwangsführung undist von diesem Verhalten nicht betroffen.
Im Zuge der Tests an der Mechanik wird gleichzeitig die Haltbarkeit der Elektroniken getestet. Gerade für Langzeitanwendungen in OEM-Projekten ist eine Aussage zur Elektronik
ebenso wichtig wie für die Mechanik.

Abb. 4: 3x Drehtische mit statischer Belastung in Z zur Erzeugung eines
Drehmoments. 1x Lineartisch mit Last in Z

3.1.1 Fazit zur Lebensdauer in Standardumgebung
Q-Motion® Systeme sind für Anwendungen bei kleinen bis
mittleren Zyklenzahlen geeignet. Unbedingt empfehlenswert
ist vor Inbetriebnahme der Systeme die Abstimmung der
Einschaltdauer und der Systemumgebung gemeinsam mit PI.
Abb. 2: Testumgebung in Standardumgebung

Beispiel: Soll der Q-Motion® Tisch in der Anwendung mit sehrkleinen Schritten und hoher Zyklenzahl angesteuert werden,
kann das zu frühzeitigem Verschleiß und Ausfall führen. Auch
wenn die tatsächliche Laufleistung geringer ist als die in den
Langzeituntersuchungen gemessenen Werte.
In Anwendungen, in denen kontinuierlich derselbe Teilbereich
des Stellwegs genutzt wird, empfiehlt es sich ferner, sogenannte Schmierfahrten durchzuführen. Dabei wird der Positionierer einige Male über seinen gesamten Stellweg bewegt,
um das Schmiermittel zu verteilen.

3.2

In Vakuum

Für Langzeituntersuchungen wird eine speziell entwickelte
Vakuumkammer eingesetzt.
In Vakuum werden folgende Tische getestet
Abb. 3: 6x Lineartische mit z.T. statischer Belastung zur Erzeugung einer
Kraft in Stellrichtung

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Q-Motion®
TischLaufleistung

Q-622.930

Min. 5870 Rotationen (360°). Ohne Last.

Q-522.14U

Min. 100 Zyklen

Q-521.14U

Min. 1,2 km

Q-545.X4U

Min. 0,4 km

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– Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen-- Mark Freyer --Folgende Controller werden getestet

Fazit zur Lebensdauer in Vakuum

Motorcontroller und Treiber

Durch die kurze Testzeit von 4 Monaten (Stand Mai 2017),
wie auch der reduzierten Einschaltdauer sind die gemessenen
Zyklen auf geringem Niveau.

Tische mit und ohne Käfig-Zwangsführung

Q-Motion®
TischKäfigsteuerung Ja / Nein

Q-522.14U

Keine Käfig-Zwangsführung

Q-521.14U

Keine Käfig-Zwangsführung

Q-545.x4U

Mit Käfig-Zwangsführung

Es wird empfohlen, die Zyklenzahl gering zu halten und kontinuierliche Bewegungen zu vermeiden. Optimal sind Punkt-zuPunkt-Bewegungen für klassische Positionieraufgaben.

Über PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten. Über 850
hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die
PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich
innovativer Präzisionspositioniertechnik zu erfüllen. AlleSchlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt.
Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung
kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik
ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.

Abb. 5: Vakuumkammer und C-885 Multiachscontroller

Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Abb. 6: Blick in die Vakuumkammer

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WP4008D Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen 08/2017. Änderungen vorbehalten. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2017

C-885 / E-873.10C885