Ein Linearantrieb bewegt eine Last – beispielsweise eine Baugruppe, Bauteile oder ein fertiges Produkt – geradlinig. Er wandelt Energie in Bewegung oder Kraft um und kann mit Druckflüssigkeit, Druckluft oder Strom betrieben werden. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht gängiger Linearantriebe sowie ihrer Vor- und Nachteile.

Wie funktionieren sie?

Pneumatische Linearantriebe bestehen aus einem Kolben in einem Hohlzylinder. Der Kolben wird durch den Druck eines externen Kompressors oder einer Handpumpe im Zylinder bewegt. Mit steigendem Druck bewegt sich der Zylinder entlang der Kolbenachse und erzeugt so eine lineare Kraft. Der Kolben kehrt entweder durch eine Rückstellkraft oder durch Zufuhr von Fluid auf die andere Seite in seine Ausgangsposition zurück.

• Hydraulische Linearantriebe funktionieren ähnlich wie pneumatische Antriebe, jedoch wird der Zylinder durch eine inkompressible Flüssigkeit aus einer Pumpe anstelle von Druckluft bewegt.

Ein elektrischer Linearantrieb wandelt elektrische Energie in Drehmoment um. Ein mechanisch angeschlossener Elektromotor treibt eine Gewindespindel an. Eine Gewindespindelmutter mit passendem Gewinde wird daran gehindert, sich mit der Spindel zu drehen. Dreht sich die Spindel, wird die Mutter entlang des Gewindes mitgeführt. Die Bewegungsrichtung der Mutter hängt von der Drehrichtung der Spindel ab und führt den Antrieb in seine Ausgangsposition zurück.

【Pneumatische Aktuatoren】

Vorteile

Die Vorteile pneumatischer Aktuatoren liegen in ihrer Einfachheit. Die meisten pneumatischen Aluminiumaktuatoren haben einen maximalen Nenndruck von 150 psi und Bohrungsdurchmesser von ? bis 8 Zoll, was einer Kraft von etwa 30 bis 7.500 lb entspricht. Stahlaktuatoren haben einen maximalen Nenndruck von 250 psi und Bohrungsdurchmesser von ? bis 14 Zoll und erzeugen Kräfte von 50 bis 38.465 lbf.

• Pneumatische Aktuatoren erzeugen präzise lineare Bewegungen, indem sie beispielsweise eine Genauigkeit innerhalb von 0,1 Zoll und eine Wiederholgenauigkeit innerhalb von 0,001 Zoll bieten.

Pneumatische Aktuatoren werden typischerweise in Umgebungen mit extremen Temperaturen eingesetzt. Der typische Temperaturbereich liegt zwischen -40 °F und 250 °F. Da sie mit Druckluft arbeiten, vermeiden sie den Einsatz gefährlicher Stoffe und sind daher in Bezug auf Sicherheit und Inspektion vorteilhaft. Sie erfüllen die Anforderungen an Explosionsschutz und Maschinensicherheit, da sie aufgrund des Fehlens von Motoren keine magnetischen Störungen verursachen.

In den letzten Jahren wurden im Bereich der Pneumatik zahlreiche Fortschritte hinsichtlich Miniaturisierung, Materialentwicklung und Integration mit Elektronik und Zustandsüberwachung erzielt. Pneumatische Aktuatoren sind im Vergleich zu anderen Aktuatoren kostengünstig. Laut Bimba Manufacturing beispielsweise kostet ein durchschnittlicher pneumatischer Aktuator zwischen 50 und 150 US-Dollar. Pneumatische Aktuatoren sind zudem leicht, wartungsarm und verfügen über langlebige Komponenten, was sie zu einer kostengünstigen Methode für lineare Bewegungen macht.

Nachteile

Druckverluste und die Kompressibilität der Luft machen Pneumatiksysteme weniger effizient als andere Linearantriebe. Die begrenzten Kapazitäten von Kompressor und Luftfördermenge bedingen geringere Kräfte und niedrigere Geschwindigkeiten bei niedrigeren Drücken. Ein Kompressor muss auch im Stillstand kontinuierlich mit Betriebsdruck laufen.

Um wirklich effizient zu sein, müssen pneumatische Aktuatoren für den jeweiligen Anwendungsfall dimensioniert werden. Daher sind sie für andere Anwendungen nicht geeignet. Präzise Steuerung und hohe Effizienz erfordern Proportionalregler und -ventile, was jedoch Kosten und Komplexität erhöht.

Obwohl Druckluft leicht verfügbar ist, kann sie durch Öl oder Schmierstoffe verunreinigt werden, was zu Ausfallzeiten und Wartungsaufwand führt. Unternehmen müssen Druckluft weiterhin bezahlen, wodurch sie zu einem Verbrauchsmaterial wird, und auch Kompressor und Leitungen stellen einen Wartungsaufwand dar.

【Hydraulische Aktuatoren】

Vorteile

• Hydraulische Aktuatoren sind robust und für Anwendungen mit hohen Kräften geeignet. Sie können Kräfte erzeugen, die 25-mal höher sind als die von pneumatischen Zylindern gleicher Größe. Außerdem arbeiten sie mit Drücken von bis zu 4.000 psi.

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

• Ein hydraulischer Aktor kann Kraft und Drehmoment konstant halten, ohne dass die Pumpe mehr Flüssigkeit oder Druck zuführen muss, da Flüssigkeiten inkompressibel sind.

• Bei hydraulischen Aktuatoren können die Pumpen und Motoren in beträchtlicher Entfernung voneinander angeordnet sein, ohne dass es zu nennenswerten Leistungsverlusten kommt.

Nachteile

• Hydrauliksysteme verlieren Flüssigkeit. Ähnlich wie bei pneumatischen Aktuatoren führt Flüssigkeitsverlust zu geringerer Effizienz. Darüber hinaus verursachen Leckagen von Hydraulikflüssigkeit Reinigungsprobleme und können umliegende Bauteile und Bereiche beschädigen.

• Hydraulische Aktuatoren benötigen zahlreiche Zusatzkomponenten, darunter einen Flüssigkeitsbehälter, Motoren, Pumpen, Ablassventile und Wärmetauscher sowie Geräuschdämpfungseinrichtungen. Dies führt zu großen und schwer zu installierenden Linearbewegungssystemen.

【Elektrische Aktuatoren】

Vorteile

• Elektrische Aktuatoren bieten höchste Präzision bei der Positionierung. Beispielsweise liegt die Genauigkeit bei +/- 0,000315 Zoll und die Wiederholgenauigkeit bei unter 0,0000394 Zoll. Ihre Systeme sind für jeden Anwendungsfall und jede Kraftanforderung skalierbar und arbeiten leise, gleichmäßig und wiederholgenau.

• Elektrische Aktuatoren lassen sich vernetzen und schnell umprogrammieren. Sie liefern sofortiges Feedback für Diagnose und Wartung.

• Sie ermöglichen die vollständige Kontrolle von Bewegungsprofilen und können Encoder zur Steuerung von Geschwindigkeit, Position, Drehmoment und aufgebrachter Kraft beinhalten.

• Hinsichtlich des Geräuschpegels sind sie leiser als pneumatische und hydraulische Aktuatoren.

• Da keine Flüssigkeiten austreten, werden Umweltgefahren ausgeschlossen.

Nachteile

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

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

• Ein im Dauerbetrieb laufender Motor überhitzt, was den Verschleiß des Untersetzungsgetriebes erhöht. Zudem kann der Motor groß sein und Installationsprobleme verursachen.

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