Überprüfen Sie fünf Glieder in der Kette der Konstruktionselemente, die für einen präzisen Betrieb so wichtig sind.

Ein Linearbewegungssystem ist nur so robust wie die schwächsten Glieder seiner mechanischen und elektromechanischen Komponenten. Das Verständnis jeder einzelnen Komponente und ihrer Funktion (und deren Einfluss auf die Konstruktion) verbessert die Entscheidungsfindung und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die finale Konstruktion die Anwendungsanforderungen vollständig erfüllt. Denn letztendlich lassen sich Systemspiel, Genauigkeit und andere Leistungsmerkmale auf Elemente in der Konstruktion und Fertigung der Gewindespindel, der spielfreien Mutter, der Kupplungen, des Motors und der Steuerungsstrategie zurückführen.

Die Zusammenarbeit mit Anbietern von Linearantrieben, die über umfassende Expertise in allen Bereichen eines Designs verfügen, ist der beste Weg zu optimaler Leistung. Letztendlich sind optimierte Bewegungssteuerungssysteme wie ein Hochleistungssportwagen, bei dem alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind: der richtige Motor, das richtige Getriebe, die richtigen Reifen und hervorragende Steuerungsfunktionen (wie ABS und Traktionskontrolle) ergeben zusammen eine herausragende Performance.

Betrachten wir einige Beispiele für Konstruktionen, die höchste Leistung erfordern. Bei manchen 3D-Druckverfahren werden Schichtauflösungen von bis zu 10 µm pro Schicht erreicht. In medizinischen Geräten müssen Dosiereinheiten lebensrettende Medikamente abgeben und Dosen bis auf den Mikroliterbereich genau steuern. Dieselbe Präzision ist auch bei optischen und Scannern, Chip- und Waferbearbeitungsanlagen in der Halbleiterindustrie sowie in der Laborautomatisierung erforderlich.

Nur Linearantriebe, die mit einem ganzheitlichen Ansatz bei der Komponentenauswahl und -integration entwickelt wurden, können diese stetig steigenden Leistungsanforderungen erfüllen. Oftmals ist die optimale Lösung für solche Konstruktionen eine motorbetriebene Spindel mit passender Steuerungsarchitektur. Betrachten wir daher die wichtigsten Aspekte und Leistungsmerkmale jedes einzelnen Glieds in dieser Art von Linearantrieb.

Link eins: Qualität der Gewindespindel und der Mutter

Gewindespindeln gibt es seit Jahrzehnten in verschiedenen Ausführungen mit einer Vielzahl an Mutternkonstruktionen und -materialien. Lange Zeit wurden die Maschinen zur Gewindespindelherstellung manuell eingestellt – die Qualität war somit durch die Leistungsfähigkeit der Maschine und das Können des Bedieners begrenzt. Die meisten Hersteller verwenden diese Art von Ausrüstung auch heute noch, doch moderne automatisierte Prozesse heben die Gewindespindelqualität auf ein neues Niveau.

Beispielsweise nutzen solche Bearbeitungsprozesse eine CNC-gesteuerte Zuführung, Schrägstellungsjustierung und Druckregelung für das Rollgewindeschneiden, um besonders gleichmäßige Gewindeformen für die Leitspindel zu erzielen. Die Oberfläche dieser Leitspindeln ist durchgehend glatt und frei von Oberflächenabrieb, der bei Polymermuttern zu Beschädigungen führen kann … für eine beispiellose Systemgenauigkeit und -lebensdauer.

Gleichzeitig zeigen fortschrittliche Mess- und Prüfverfahren, die Form und Gestalt von Gewindespindeln erfassen, eine bis zu dreimal höhere Genauigkeit der Steigung zwischen den Messpunkten als herkömmliche manuelle Methoden. Dadurch wird die Steigungsgenauigkeit über die gesamte Spindellänge konstant bei 0,003 Zoll/Fuß gehalten.

Bei Transportanwendungen, bei denen ein Objekt entlang einer Achse von Punkt zu Punkt bewegt wird, ist die herkömmliche Methode, die Steigungsgenauigkeit alle 300 mm oder sechs Zoll zu überprüfen, ausreichend. Bei Anwendungen mit höchsten Präzisionsanforderungen ist jedoch die Genauigkeit jedes einzelnen Gewindegangs relevant. Abweichungen von der optimalen Gewindegeometrie werden als Gewindeungenauigkeit bezeichnet.

Neue automatisierte CNC-Fertigungsanlagen, -prozesse und detaillierte Prüfmethoden ermöglichen eine präzisere Steuerung und höhere Qualität. Dadurch wird die Genauigkeit der höchsten und niedrigsten Punkte innerhalb eines einzelnen Gewindegangs deutlich verbessert – die Abweichungen werden also minimiert. Dies wiederum trägt dazu bei, dass die Positioniergenauigkeit von Leitspindeln über eine Umdrehung hinweg auf 1 µm genau eingehalten wird. Diese Kennzahl ist besonders wichtig für Anwendungen wie die Bearbeitung teurer Wafer und Chips für die Halbleiterindustrie und die präzise Medikamentendosierung in Spritzenpumpen.

Nach dem Gewinderollen richten moderne Schraubenhersteller die Schraubenwellen automatisiert, um Fehler und Rundlaufabweichungen zu minimieren, die Vibrationen, Geräusche und vorzeitigen Verschleiß verursachen können. Die Geradheit der Schraubenwelle ist entscheidend, da sich jeder Fehler bei der Montage mit dem Motor verstärkt. Im Gegensatz dazu kann die traditionelle (manuelle) Richtmethode zu einer kegelförmigen Verformung der Schraubenwelle führen – in Form eines einzelnen Bogens oder mehrerer Bögen, die sich spiralförmig um die Längsachse der Welle winden. Die automatisierte Richt- und Prüftechnik beseitigt diese Fehler und gewährleistet so einen stabilen Schraubenlauf.

Der letzte Schritt bei der Herstellung von Gewindespindeln ist das Aufbringen einer PTFE-Beschichtung. Nur eine gleichmäßig glatte Oberfläche gewährleistet eine lange Lebensdauer und optimale Systemleistung. Eine ungleichmäßige PTFE-Beschichtung (bedingt durch eine suboptimale Beschichtungsumgebung oder -ausrüstung) kann zu Lochfraß, Rissen, Blasenbildung, Abplatzungen oder Oberflächenrauheit führen, was vorzeitigen Verschleiß der Mutter und eine verkürzte Lebensdauer der Baugruppe zur Folge hat.

zweiter Schritt: Zusammenspiel von Mutter und Schraube

Herkömmliche spielfreie Muttern verwenden eine mehrteilige Konstruktion, die eine Spiralfeder benötigt, um eine Spannzange linear entlang der Mutter zu bewegen, um die Finger zu schließen und den Sitz zwischen Schraube und Mutter zu kontrollieren.

Zu den Problemen, die bei diesen Konstruktionen zum Versagen beitragen, zählen die unregelmäßige und variable Federkraft, das Ruckgleiten der Spannzange auf der Mutter und der schwankende Druck aufgrund von Materialverschleiß an der Mutter. Im Gegensatz dazu verfügt eine alternative Mutter, die eine konstante Kraft erzeugt, über eine vereinfachte zweiteilige Konstruktion, die radialen Druck auf die Mutterfinger ausübt. Diese Richtung ist erforderlich, um das Spiel zwischen Mutter und Schraube zu kontrollieren.

Betrachten wir die herkömmliche Konstruktion mit Schraubenfeder und Spannzange für eine spielfreie Gewindespindelmutter. Hierbei erzeugt eine Schraubenfeder mit variabler Kraft eine Axialkraft, die durch mechanische Pressung in eine Radialkraft umgewandelt wird. Die Konstruktion basiert auf spritzgegossenen Bauteilen, die eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die Finger gewährleisten. Vergleichstests bestätigen, dass sich die Vorspannung in den ersten 1000 Zyklen deutlich verändert.

Im Gegensatz dazu bieten bestimmte spielfreie Spindelmuttern mit konstanter Kraft eine zwei- bis viermal bessere Spielreduzierung als herkömmliche Konstruktionen, was durch FDA-Tests eines Kunden im Bereich Laborautomatisierung bestätigt wurde. Eine Federkonstruktion mit konstanter Kraft gewährleistet eine gleichbleibende Vorspannung über die gesamte Lebensdauer der Achse. Das selbstschmierende Muttermaterial mit PTFE sorgt für optimale Schmierung und erhöhte Effizienz.

Einer der größten Vorteile von spielfreien Gewindespindelmuttern mit konstanter Kraft ist ihre Anpassungsfähigkeit an die jeweilige Anwendung durch Justierung der Feder und anderer Parameter. Diese Anpassung ermöglicht die Optimierung von Vorspannung, Spiel, Reibungskraft und Laufspiel, um die geforderten Spezifikationen zu erfüllen. Jede Spindel-Mutter-Kombination sowie jede komplette Motor-Spindel-Einheit kann im Rahmen der Validierung und Endabnahme hinsichtlich dieser Leistungsmerkmale geprüft werden.

drittes Glied: Gekoppelte oder direkte Verbindung zum Antrieb

Der nächste Schritt ist die Befestigung der Schraube am Motor. Dafür gibt es drei grundlegende Möglichkeiten.

Die erste und traditionellste Methode besteht darin, eine Kupplung als Bauteil zwischen Spindel und Motor mit verlängerter Gewindestange einzusetzen. Diese Konstruktion benötigt aufgrund der Kupplungslänge und des zugehörigen Gehäuses mehr Platz und kann zudem Ausrichtungsprobleme verursachen. Durch die höhere Anzahl an Bauteilen ist es schwieriger, diese zentriert zu halten. Sind ein oder mehrere Bauteile unrund oder falsch ausgerichtet, kann dies einen Nockenwelleneffekt hervorrufen, der die Leistung und Lebensdauer des Systems erheblich beeinträchtigt.

Bei der zweiten Methode wird die Schraube in eine konische Bohrung eingesetzt und von hinten mit einer Schraube mechanisch fixiert. Diese Montageart ist gängig bei Motoren, die häufig gewartet werden müssen und eine schnelle Demontage und Montage erfordern. Der Nachteil besteht darin, dass die Ausrichtung schwer beizubehalten ist und ein Taumeln entstehen kann, das Ungenauigkeiten entlang der Schraubenlänge verstärkt. Darüber hinaus erzeugt dieses Taumeln Verschleißstellen, die Wartungsbedarf und vorzeitigen Systemausfall begünstigen können.

Die dritte Methode besteht in der direkten Passung der Schraube auf eine Hohlwelle im Motor und der anschließenden Befestigung der Schraube mittels Laserschweißung auf der Motorrückseite. Dieses Verfahren gewährleistet einen maximalen Eingriff der Schraube in den Motor und somit eine höchstmögliche Ausrichtungsgenauigkeit. In manchen Fällen kann die Schweißung durch einen Industrieklebstoff ersetzt werden, der eine dauerhafte Verbindung zwischen Schraube und Motor herstellt. Auch diese Montageart bietet höchste Genauigkeit durch minimalen Rundlauf der Schraube, was zu einer längeren Lebensdauer und einem geringeren Wartungsaufwand führt.

Durch die Optimierung der Ausrichtung von Gewindespindel, Mutter und Kupplung wird die Lebensdauer des Gesamtsystems verlängert. Als Vergleichsgrundlage für andere Systemkomponenten wurden Tests in verschiedenen Ausrichtungen, mit unterschiedlichen Steigungen sowie unter verschiedenen Lasten und Drehzahlen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine Verfahrlebensdauer, die die Standardlebensdauer eines L10-Lagers um das 40-Fache übertrifft.

Herkömmliche Motor- und Gewindespindel-Systeme bestehen aus mehreren Komponenten, die montiert werden müssen und deren Ausrichtung schwierig ist. Dadurch entstehen Spiel und Toleranzabweichungen, die die Genauigkeit beeinträchtigen und das Ausfallrisiko erhöhen. Die hohe Komponentenanzahl führt außerdem zu höheren Montagekosten. Integrierte Hybrid-Linearantriebe hingegen verfügen über eine direkt mit dem Motor ausgerichtete und befestigte Gewindespindel – was die Anzahl der benötigten Komponenten reduziert. Dies führt zu höherer Steifigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit sowie zu einem insgesamt besseren Preis-Leistungs-Verhältnis.

Link vier: Auswahl des Motortyps und der Konstruktion

Linearantriebe bieten verschiedene Motoroptionen. Am häufigsten werden offene Schrittmotoren, geschlossene Varianten mit integrierter Steuerung (entweder über eine Platine oder als industrietaugliche Smart-Schrittmotoren) und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) eingesetzt. Jeder Motortyp zeichnet sich durch spezifische Leistungsmerkmale, Geschwindigkeiten und Tragfähigkeiten aus und hat Vor- und Nachteile hinsichtlich Kosten, Integration, Steuerung und mehr, die wir später erläutern.

Der größte Einfluss auf die Linearbewegungsleistung eines Motors erfordert einen Blick auf dessen interne Konstruktion. Typische Allzweckmotoren verwenden Wellscheiben zur Fixierung der Lager und der Baugruppe. Dies ist in der Regel für Drehbewegungen ausreichend und kann oft auch für Linearbewegungen verwendet werden. Wellscheiben bieten jedoch eine gewisse Nachgiebigkeit im Motor, die zu geringfügigem axialem oder linearem Spiel führen kann, was wiederum Ungenauigkeiten der Linearposition zur Folge hat.

Um dem entgegenzuwirken, können eines oder beide der folgenden Elemente in der Konstruktion modifiziert werden: Größere Lager können eingesetzt werden, um die Schubbelastbarkeit der Baugruppe zu erhöhen, und eine Spannmutter kann hinzugefügt und mit einem vorgegebenen Drehmoment angezogen werden, um das Spiel im System zu eliminieren.

Link fünf: Auswahl der Steuerungsmöglichkeiten

Das letzte Glied, das alle Elemente zusammenführt, ist die Steuerung und Regelung der linearen Bewegung. Traditionell wären hierfür mehrere separate Komponenten nötig, darunter ein Verstärker und ein Controller. Jede dieser Komponenten bräuchte ein Gehäuse sowie die zugehörige Hardware, Verkabelung, einen Encoder und Sensoren zur Rückmeldung. Solche Systeme können kompliziert und aufwendig in der Installation, Fehlersuche und im Betrieb sein.

Die Verfügbarkeit von standardmäßigen intelligenten Motorlösungen hat die Verkabelung vereinfacht und die Anzahl der benötigten Steckverbinder und Sensoren reduziert, um die Leistung und Steuerung von Schrittmotoren zu erreichen. Dies führt zu Kosteneinsparungen durch weniger Bauteile sowie einen geringeren Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Installation. Diese Motoren werden zudem in vormontierten, industrietauglichen Gehäusen geliefert, die die Platine und die Steuerung gemäß Schutzart IP65 oder IP67 vor Beschädigung und Verschmutzung schützen.

Wenn eine Anwendung spezielle, kundenspezifische Funktionen erfordert, geringe Platzverhältnisse und niedrige Kosten entscheidend sind, ist eine kundenspezifische, nicht gekapselte IP20-Motorsteuerung eine sinnvolle Option. Dies gilt insbesondere für Anwendungen mit hohem Durchsatz in formschönen Gehäusen oder Geräten. Solche Aktuatoren bieten die Vorteile intelligenter Motoren (typischerweise bei erheblichen Kosteneinsparungen), und die Steuerung erfolgt direkt am Motor für eine einfachere und schnellere Kommunikation mit der Master-Steuerung oder SPS.