Hublänge, Geschwindigkeit, Genauigkeit, Montage, Wartung.

Sie arbeiten an einer Anwendung, die eine lineare Bewegung erfordert – beispielsweise an einem Pick-and-Place-System, einer Verpackungslinie oder einem Portal für den Materialtransport. Doch die Entwicklung eines eigenen Aktuators von Grund auf, die Beschaffung der verschiedenen Teile, die Montage und Ausrichtung der Komponenten sowie die Implementierung eines Wartungssystems sind keine effiziente Nutzung Ihrer Zeit. Sie beginnen, sich vorgefertigte und vormontierte Linearantriebe anzusehen, aber die Vielzahl an Optionen hinsichtlich Typ, Größe und Funktionsprinzip macht die Auswahl schwierig.

Der erste Schritt zur Eingrenzung der Auswahlmöglichkeiten besteht darin, den für Ihre Anwendung optimalen Antriebsmechanismus zu bestimmen. Die meisten Hersteller bieten mindestens zwei Antriebsoptionen an, wobei Zahnriemen und Kugelgewindetriebe am häufigsten verwendet werden, während pneumatische und Linearmotorantriebe Nischenanwendungen abdecken. Im Folgenden finden Sie fünf Faktoren, die Ihnen bei der Entscheidung zwischen den beiden gängigsten Aktuatortypen – Zahnriemen und Kugelgewindetrieb – helfen.

1. Hublänge

Die Hublänge, also der Weg, den der Aktor in eine Richtung zurücklegen muss, ist das erste Kriterium bei der Wahl zwischen Kugelgewindetrieb und Riemenantrieb. Kugelgewindetriebe sind üblicherweise bis zu einer Länge von 1000 mm erhältlich, obwohl Kugelgewindetriebe mit größerem Durchmesser auch Längen bis zu 3000 mm ermöglichen. Diese Grenze wird durch die kritische Drehzahl des Aktors bestimmt. Mit zunehmender Länge des Aktors sinkt seine kritische Drehzahl, also die Drehzahl, bei der der Aktor Biegeschwingungen entwickelt. Vereinfacht gesagt: Je länger der Aktor wird und je schneller er sich dreht, desto stärker schlägt er wie ein Springseil.

Bei Aktuatoren mit Zahnriemenantrieb begrenzt die Spannmöglichkeit des Riemens die maximale Länge. Durch die Verwendung von Riemen mit größerer Breite (größere Kontaktfläche) und höherer Zahnteilung werden riemengetriebene Aktuatoren häufig in Anwendungen eingesetzt, die einen Hub von 10 bis 12 Metern erfordern.

2. Geschwindigkeit

Der zweite entscheidende Faktor bei der Auswahl eines Aktuators ist die Geschwindigkeit. Die maximale Geschwindigkeit der meisten Riemenantriebe beträgt 5 m/s. Diese Grenze wird durch das Führungssystem bestimmt, das üblicherweise mit Kugelumlauflagern arbeitet. Für Anwendungen, die höhere Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s erfordern, kann ein Riemenantrieb in Verbindung mit vorgespannten Rädern oder Kurvenrollen anstelle von Kugelumlauflagern eingesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, sinkt bei Kugelgewindetrieben die kritische Drehzahl mit zunehmender Hublänge. Kugelgewindetriebe erreichen im Allgemeinen Drehzahlen von bis zu 1,5 m/s bei Hublängen unter einem Meter. Kugelgewindetrieblager erhöhen die Steifigkeit, indem sie die ungestützte Länge der Spindel reduzieren und so höhere Drehzahlen und größere Hublängen ermöglichen. Bei der Auswahl von Kugelgewindetrieblagern sollten Sie sich an den Hersteller wenden, um die erforderlichen Drehzahl- und Hubberechnungen durchführen zu lassen.

3. Genauigkeit

Genauigkeit wird im Allgemeinen als Verfahrgenauigkeit (Position des Schlittens oder Sattels im Raum während der Bewegung), Positioniergenauigkeit (wie genau der Aktor die Zielposition erreicht) oder Wiederholgenauigkeit (wie genau der Aktor bei jedem Hub dieselbe Position erreicht) definiert. Während die Verfahrgenauigkeit stark von der Struktur, dem Sockel und der Montage des Aktors abhängt, sind Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit primär Funktionen des Antriebsmechanismus.

Kugelgewindetriebe, insbesondere vorgespannte, bieten aufgrund ihrer Steifigkeit eine höhere Positioniergenauigkeit als Riemenantriebe. Die Positioniergenauigkeit lässt sich jedoch messen und im Steuerungssystem des Aktuators kompensieren. Daher ist die Wiederholgenauigkeit (die Fähigkeit, mit jedem Hub dieselbe Position zu erreichen) in hochpräzisen Anwendungen oft der wichtigste Faktor. Für eine hohe Wiederholgenauigkeit ist die Steifigkeit des Antriebsmechanismus entscheidend, weshalb eine vorgespannte Kugelgewindespindel mit Mutter die bessere Wahl darstellt.

4. Montage

In manchen Fällen bestimmt die Einbaurichtung des Aktuators, welcher Antriebsmechanismus am besten geeignet ist. Sowohl Riemen- als auch Kugelgewindetriebe eignen sich für horizontale und geneigte Montage, Anwendungen, die eine vertikale Montage erfordern, bedürfen jedoch einer genaueren Prüfung.

Obwohl jedes System zur vertikalen Lastbewegung integrierte Sicherheitsmechanismen benötigt, gelten Kugelgewindetriebe für den Transport vertikaler Lasten oft als sicherer als Riemenantriebe. Dies liegt daran, dass Kugelgewindetriebe – abhängig von Last, Steigung und Reibung im System – bei Bremsversagen oder schwerwiegenden Systemschäden weniger zum Rücklauf neigen und somit weniger anfällig für einen „freien Fall“ sind. Wird für eine vertikale Anwendung ein Riemenantrieb benötigt, sollte der Einsatz einer externen Bremse oder eines Gegengewichts unbedingt in Betracht gezogen werden.

5. Wartung

Die Hauptursache für Ausfälle von Linearantrieben ist mangelnde Schmierung. Sowohl Kugelgewindetriebe als auch Riemenantriebe erfordern eine regelmäßige Schmierung des Führungssystems. Bei Kugelgewindetrieben kommt jedoch eine weitere Komponente hinzu, deren Schmierung überwacht werden muss. Einige Hersteller bieten lebensdauergeschmierte Systeme an (wobei die Lebensdauer als eine bestimmte Verfahrstrecke oder Umdrehungszahl bei gegebener Last, Drehzahl und Umgebungsbedingungen definiert ist). Viele Anwendungen liegen jedoch außerhalb dieser Parameter und erfordern daher im Laufe ihrer geplanten Lebensdauer eine Schmierung.

Obwohl riemengetriebene Aktuatoren den Vorteil weniger wartungsintensiver Bauteile bieten, sollte bei staubiger oder spänehaltiger Umgebung auf eine Konstruktion geachtet werden, die das Eindringen von Verunreinigungen in die Riemenscheibengehäuse minimiert. Dies verlängert die Lebensdauer der Riemenscheibenlager und reduziert den Riemenverschleiß.

Sowohl Riemenantriebe als auch Kugelgewindetriebe bieten Leistungsvorteile. Bei der ersten Auswahl sollten Sie beachten, dass Riemenantriebe in der Regel für lange Hübe und hohe Drehzahlen besser geeignet sind, während Kugelgewindetriebe für Anwendungen mit hoher Wiederholgenauigkeit oder vertikaler Montage optimiert sind. In manchen Anwendungen erfüllen beide Antriebsarten die oben genannten Kriterien. In diesen Fällen kann der Hersteller Sie bei der Auswahl des passenden Aktuators anhand weiterer Faktoren wie Beschleunigung, Einschwingzeit oder Umgebungsbedingungen beraten.