Ein Linearantrieb bewegt eine Last, beispielsweise eine Baugruppe, eine Komponente oder ein fertiges Produkt, geradlinig. Er wandelt Energie in Bewegung oder Kraft um und kann mit Druckflüssigkeit, Luft oder Strom betrieben werden. Hier finden Sie eine Übersicht über gängige Linearantriebe sowie ihre Vor- und Nachteile.

Wie funktionieren sie?

Pneumatische Linearantriebe bestehen aus einem Kolben in einem Hohlzylinder. Der Druck eines externen Kompressors oder einer Handpumpe bewegt den Kolben im Zylinder. Steigt der Druck, bewegt sich der Zylinder entlang der Kolbenachse und erzeugt eine lineare Kraft. Der Kolben kehrt entweder durch Rückfederung oder durch Flüssigkeitszufuhr auf der anderen Seite des Kolbens in seine Ausgangsposition zurück.

• Hydraulische Linearantriebe funktionieren ähnlich wie pneumatische Antriebe, aber der Zylinder wird nicht durch Druckluft, sondern durch eine inkompressible Flüssigkeit aus einer Pumpe bewegt.

Ein elektrischer Linearantrieb wandelt elektrische Energie in Drehmoment um. Ein mechanisch verbundener Elektromotor dreht eine Leitspindel. Eine Gewindespindel oder Kugelumlaufmutter mit entsprechendem Gewinde wird daran gehindert, sich mit der Spindel zu drehen. Dreht sich die Spindel, wird die Mutter entlang des Gewindes mitgenommen. Die Bewegungsrichtung der Mutter hängt von der Drehrichtung der Spindel ab und führt den Antrieb in seine Ausgangsposition zurück.

【Pneumatische Antriebe】

Vorteile

Die Vorteile pneumatischer Antriebe liegen in ihrer Einfachheit. Die meisten pneumatischen Aluminiumantriebe haben einen maximalen Druck von 150 psi bei Bohrungsdurchmessern von ? bis 8 Zoll, was einer Kraft von etwa 30 bis 7.500 lb entspricht. Stahlantriebe haben einen maximalen Druck von 250 psi bei Bohrungsdurchmessern von ? bis 14 Zoll und erzeugen Kräfte von 50 bis 38.465 lbf.

• Pneumatische Antriebe erzeugen eine präzise lineare Bewegung, indem sie beispielsweise eine Genauigkeit von 0,1 Zoll und eine Wiederholbarkeit von 0,001 Zoll bieten.

Pneumatische Antriebe werden typischerweise in extremen Temperaturbereichen eingesetzt. Der typische Temperaturbereich liegt zwischen -40 °F und 250 °F. Durch die Verwendung von Luft vermeiden pneumatische Antriebe den Einsatz gefährlicher Stoffe und gewährleisten so Sicherheit und Inspektion. Sie erfüllen die Anforderungen an Explosionsschutz und Maschinensicherheit, da sie aufgrund fehlender Motoren keine magnetischen Störungen erzeugen.

In den letzten Jahren wurden in der Pneumatik viele Fortschritte in den Bereichen Miniaturisierung, Materialien sowie Integration mit Elektronik und Zustandsüberwachung erzielt. Die Kosten pneumatischer Antriebe sind im Vergleich zu anderen Antrieben gering. Laut Bimba Manufacturing kostet ein durchschnittlicher pneumatischer Antrieb beispielsweise 50 bis 150 US-Dollar. Pneumatische Antriebe sind zudem leicht, wartungsarm und verfügen über langlebige Komponenten, die die Pneumatik zu einer kostengünstigen Methode der linearen Bewegung machen.

Nachteile

Druckverluste und die Kompressibilität der Luft machen die Pneumatik weniger effizient als andere lineare Bewegungsmethoden. Kompressor- und Luftzufuhrbeschränkungen führen dazu, dass bei niedrigerem Druck geringere Kräfte und geringere Geschwindigkeiten auftreten. Ein Kompressor muss kontinuierlich unter Betriebsdruck laufen, auch wenn sich nichts bewegt.

Um wirklich effizient zu sein, müssen pneumatische Antriebe auf eine bestimmte Aufgabe ausgelegt sein. Daher sind sie nicht für andere Anwendungen einsetzbar. Präzise Steuerung und Effizienz erfordern Proportionalregler und Ventile, was jedoch die Kosten und die Komplexität erhöht.

• Obwohl Druckluft leicht verfügbar ist, kann sie durch Öl oder Schmiermittel verunreinigt sein, was zu Ausfallzeiten und Wartungsarbeiten führt. Unternehmen müssen weiterhin für Druckluft bezahlen, was sie zu einem Verbrauchsgut macht. Kompressor und Leitungen stellen ein weiteres Wartungsproblem dar.

【Hydraulische Antriebe】

Vorteile

Hydraulische Antriebe sind robust und für Anwendungen mit hohen Kräften geeignet. Sie können 25-mal höhere Kräfte erzeugen als gleich große Pneumatikzylinder. Sie arbeiten zudem mit Drücken von bis zu 4.000 psi.

• Hydraulikmotoren haben ein um 1 bis 2 PS/lb höheres Leistungsgewicht als pneumatische Motoren.

• Ein hydraulischer Antrieb kann Kraft und Drehmoment konstant halten, ohne dass die Pumpe aufgrund der Inkompressibilität von Flüssigkeiten mehr Flüssigkeit oder Druck liefern muss

• Die Pumpen und Motoren hydraulischer Antriebe können bei minimalem Leistungsverlust über beträchtliche Entfernungen hinweg platziert werden.

Nachteile

• Hydraulikflüssigkeit verliert Flüssigkeit. Wie bei pneumatischen Antrieben führt Flüssigkeitsverlust zu einer geringeren Effizienz. Austretende Hydraulikflüssigkeit führt jedoch zu Sauberkeitsproblemen und kann zu Schäden an umliegenden Komponenten und Bereichen führen.

Hydraulische Antriebe benötigen zahlreiche Zusatzteile, darunter Flüssigkeitsbehälter, Motoren, Pumpen, Ablassventile und Wärmetauscher sowie Geräte zur Geräuschreduzierung. Dies führt zu großen und schwer unterzubringenden Linearbewegungssystemen.

【Elektrische Aktuatoren】

Vorteile

Elektrische Antriebe bieten höchste Präzision bei der Positionierung. Die Genauigkeit liegt beispielsweise bei +/- 0,000315 Zoll und die Wiederholgenauigkeit bei unter 0,0000394 Zoll. Ihre Konfigurationen sind für jeden Zweck und Kraftbedarf skalierbar und arbeiten leise, reibungslos und wiederholgenau.

• Elektrische Aktuatoren lassen sich schnell vernetzen und neu programmieren. Sie bieten sofortiges Feedback für Diagnose und Wartung.

• Sie bieten eine vollständige Kontrolle der Bewegungsprofile und können Encoder zur Kontrolle von Geschwindigkeit, Position, Drehmoment und angewandter Kraft enthalten.

• Sie sind leiser als pneumatische und hydraulische Antriebe

• Da es keine Flüssigkeitslecks gibt, werden Gefahren für die Umwelt ausgeschlossen.

Nachteile

• Die Anschaffungskosten eines elektrischen Aktuators sind höher als die eines pneumatischen oder hydraulischen Aktuators. Laut dem Beispiel von Bimba Manufacturing können die Kosten eines elektrischen Aktuators je nach Bauart und Elektronik zwischen 150 und über 2.000 US-Dollar liegen.

• Elektrische Antriebe sind nicht für alle Umgebungen geeignet, im Gegensatz zu pneumatischen Antrieben, die in explosionsgefährdeten und brennbaren Bereichen sicher sind

• Ein ständig laufender Motor überhitzt, was den Verschleiß des Untersetzungsgetriebes erhöht. Der Motor kann außerdem groß sein und Installationsprobleme verursachen.

• Der gewählte Motor fixiert die Kraft-, Schub- und Geschwindigkeitsgrenzen des Aktuators auf einen festen Wert. Wenn andere Werte für Kraft, Schub und Geschwindigkeit gewünscht werden, muss der Motor ausgetauscht werden.