Sehen Sie sich fünf Glieder in der Kette von Designelementen an, die für einen präzisen Betrieb so entscheidend sind.

Ein lineares Bewegungssystem ist nur so stark wie die schwächsten Glieder in seiner Kette aus mechanischen und elektromechanischen Elementen. Das Verständnis jeder Komponente und Funktion (und ihrer Auswirkungen auf die Entwurfsausgabe) verbessert die Entscheidungsfindung und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass der endgültige Entwurf die Anforderungen der Anwendung vollständig erfüllt. Schließlich lassen sich Systemspiel, Genauigkeit und andere Leistungsaspekte auf Elemente in der Konstruktion und Herstellung der Leitspindel, der spielfreien Mutter, der Kupplungen, des Motors und der Steuerungsstrategie zurückführen.

Die Zusammenarbeit mit Anbietern von Linearantrieben, die über Fachwissen in allen Bereichen eines Designs verfügen, ist der beste Weg, um erstklassige Designleistungen zu erzielen. Letztendlich sind optimierte Bewegungssteuerungssysteme wie ein Hochleistungssportwagen, bei dem alle seine Elemente gut ausbalanciert sind … wobei die richtige Motorgröße + das richtige Getriebe + die richtigen Reifen + hervorragende Steuerungsfunktionen (z. B. Antiblockiersystem und Traktionskontrolle) = großartig sind Leistung.

Betrachten Sie einige Beispiele für Designs, die höchste Leistung erfordern. Bei einigen Arten des 3D-Drucks werden Schichtauflösungen auf bis zu 10 µm pro Schicht gesenkt. Bei medizinischen Geräten müssen Abgabeeinheiten lebensrettende Medikamente ausstoßen und deren Dosierung auf Mikroliter genau kontrollieren. Die gleichen hohen Genauigkeiten sind bei optischen Geräten und Scangeräten, Geräten zur Chip- und Waferverarbeitung in der Halbleiterindustrie und im Bereich der Laborautomatisierung zu beobachten.

Nur Linearbewegungsdesigns, die mit einem ganzheitlichen Ansatz bei der Komponentenauswahl und -integration entwickelt wurden, können diese immer höheren Leistungsanforderungen erfüllen. Die am besten geeignete Lösung für diese Konstruktionen ist oft eine motorbetriebene Schraube und Mutter mit geeigneter Steuerungsarchitektur. Betrachten wir also die wichtigsten Überlegungen und Leistungsmerkmale für jedes Glied in dieser Art von linearer Baugruppe.

Link eins: Qualität der Leitspindel und Mutter

Leitspindeln gibt es schon seit Jahrzehnten in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Mutterdesigns und Materialien. Während eines Großteils dieser Zeit wurden die zur Herstellung von Leitspindeln verwendeten Maschinen manuell eingestellt, wodurch die Qualität durch die Leistungsfähigkeit der Maschine und das Können des Bedieners eingeschränkt wurde. Die meisten Hersteller verwenden heute noch diese Art von Ausrüstung, aber moderne automatisierte Prozesse heben die Qualität der Leitspindel auf die nächste Stufe.

Beispielsweise nutzen solche Vorgänge eine CNC-gesteuerte Zustellung, Schräglaufeinstellung und Druckkontrollen für den Rollgewindeschneidprozess, um die gleichmäßigsten Gewindeformen der Leitspindel zu erzielen. Die Oberflächenbeschaffenheit dieser Leitspindeln ist durchgehend glatt und frei von Oberflächenabrieb, der an Polymermuttern reißen könnte … für eine beispiellose Systemgenauigkeit und Lebensdauer.

Gleichzeitig liefern fortschrittliche Mess- und Inspektionstechniken, die die Form und Gestalt von Leitspindelgewinden verfolgen, Ergebnisse in Punkt-zu-Punkt-Steigungsgenauigkeiten, die bis zu dreimal besser sind als die herkömmlicher manueller Methoden. Dadurch wird die Steigungsgenauigkeit über die gesamte Länge einer Schraube konstant auf 0,003 Zoll/Fuß reduziert.

Für Transportanwendungen, bei denen ein Objekt Punkt für Punkt entlang einer Achse bewegt wird, ist die herkömmliche Methode zur Überprüfung der Steigungsgenauigkeit alle 300 mm oder sechs Zoll ausreichend. Für Anwendungen mit höchster Präzision ist jedoch die Genauigkeit jedes Wellengewindes relevant. Eine Abweichung von der geeigneten Gewindegeometrie wird als „Trunkness“ des Gewindes bezeichnet.

Neue automatisierte CNC-Fertigungsgeräte, Prozesse und detaillierte Prüfmethoden sorgen für eine strengere Kontrolle und Qualität, sodass der Hoch- und Tiefpunkt innerhalb eines einzelnen Gewindes eine deutlich verbesserte Subrotationsgenauigkeit aufweist – mit anderen Worten, weniger Trunkenheit. Dies wiederum trägt dazu bei, dass Leitspindeln die Positionierungswiederholgenauigkeit über eine einzelne Umdrehung auf 1 µm halten. Dies ist eine besonders kritische Leistungsmetrik bei Anwendungen wie der Verarbeitung teurer Wafer und Chips für die Halbleiterindustrie und der genauen Dosierung von Medikamenten in einer Spritzenpumpe.

Nach dem Gewindewalzen richten fortschrittliche Schraubenlieferanten die Schraubenwellen automatisiert aus, um Fehler und Unrundheiten zu minimieren, die zu Vibrationen, Geräuschen und vorzeitigem Verschleiß führen können. Die Geradheit der Schraubenwelle ist von entscheidender Bedeutung, da Fehler beim Zusammenbau mit dem Motor deutlich hervortreten. Im Gegensatz dazu können herkömmliche (manuelle) Methoden des Schraubenrichtens einen Schneekegeleffekt in der Schraubenwellengeometrie erzeugen – in Form eines einzelnen Bogens oder mehrerer Bögen, die sich korkenzieherartig um die lange Wellenachse drehen. Auch hier werden diese Fehler durch automatisiertes Richten und Prüfen beseitigt, was zu einer stabilen Schraubenleistung führt.

Der letzte Schritt bei der Herstellung von Leitspindeln ist das Aufbringen einer PTFE-Beschichtung. Nur eine gleichmäßig glatte Oberfläche gewährleistet eine lange Lebensdauer und Systemleistung. Eine inkonsistente Anwendung des PTFE (aufgrund einer nicht optimalen Beschichtungsumgebung oder Ausrüstung) kann zu Lochfraß, Rissen, Blasen, Abplatzungen oder Oberflächenrauheiten führen, die zu vorzeitigem Verschleiß der Mutter und einer verkürzten Lebensdauer der Baugruppe führen.

Link zwei: Zusammenspiel von Mutter und Schraube

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

Probleme, die bei diesen Konstruktionen zum Ausfall führen, sind die sporadische und variable Kraft der Feder, das Ruckgleiten der Spannzange auf der Mutter und der schwankende Druck bei Verschleiß des Mutternmaterials. Im Gegensatz dazu weist eine alternative Mutter, die eine konstante Kraft liefern soll, ein vereinfachtes zweiteiliges Design auf, das den Druck auf die Mutterfinger in radialer Richtung ausübt. Dies ist die Richtung, die zur Steuerung des Spiels zwischen Mutter und Schraube erforderlich ist.

Betrachten Sie die herkömmliche Schraubenfeder- und Spannzangenkonstruktion für eine spielfreie Leitspindelmutter. Hier erzeugt eine Schraubenfeder mit variabler Kraft eine Axialkraft, die durch mechanische Einwirkung in Radialkraft umgewandelt wird. Das Design basiert auf spritzgegossenen Komponenten, um die Kraft gleichmäßig auf die Finger auszuüben. Benchmark-Tests bestätigen, dass sich die Vorspannung in den ersten 1.000 Zyklen dramatisch ändert.

Im Gegensatz dazu bieten bestimmte spielfreie Leitspindelmuttern mit konstanter Kraft eine zwei- bis viermal bessere Spielleistung als herkömmliche Konstruktionen, wie durch FDA-Tests eines Laborautomatisierungskunden bestätigt. Eine Federkonstruktion mit konstanter Kraft gewährleistet eine gleichmäßige Vorspannung über die gesamte Lebensdauer der Achse. Selbstschmierendes Muttermaterial mit PTFE für Schmierfähigkeit und verbesserte Effizienz.

Einer der größten Vorteile spielfreier Leitspindelmuttern mit konstanter Kraft ist ihre Fähigkeit, durch Anpassungen der Feder und anderer Parameter an eine Anwendung angepasst zu werden. Diese Abstimmung ermöglicht die Optimierung von Vorspannung, Spiel, Widerstandskraft und Laufspiel, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen. Jede Kombination aus Schraube und Mutter sowie jede vollständige Motor- und Schraubenbaugruppe können bei der Validierung und Endkontrolle auf jedes dieser Leistungsmerkmale getestet werden.

Link drei: Gekoppelte oder direkte Verbindung zum Antrieb

Das nächste Glied in der Kette ist die Befestigung der Schraube am Motor. Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten, dies zu erreichen.

Bei der ersten Methode handelt es sich um die traditionellste Methode, bei der eine Kupplung als Komponente zwischen der Schraube und einem Motor mit einer verlängerten Bolzenwelle in die Baugruppe eingeführt wird. Diese Konstruktion erfordert mehr Platz für die Länge der Kupplung und aller zugehörigen Anbaugehäuse, und das auch kann zu Ausrichtungsproblemen führen. Aufgrund der erhöhten Anzahl an Komponenten ist es schwieriger, alles auf der Mittellinie zu halten. Wenn eine oder mehrere Komponenten nicht rund oder ausgerichtet sind, kann dies zu einem Nockeneffekt führen, der die Leistung und die Lebensdauer des Systems stark beeinträchtigt.

Bei der zweiten Methode wird die Schraube in eine konische Bohrung eingeführt, um sie mechanisch (von hinten) mit einem Bolzen zu sichern. Eine solche Montage ist bei Motoren üblich, die häufig gewartet werden müssen – und eine schnelle Methode zur Demontage und Wiedermontage. Der Nachteil besteht darin, dass die Ausrichtung schwierig zu halten ist und einen Schneekegeleffekt hervorrufen kann, der die Ungenauigkeiten über die Länge der Schraube verstärkt. Darüber hinaus entstehen durch das Wackeln des Schneekegels in der Schnecke Verschleißstellen, die zu Wartungsbedarf und vorzeitigem Systemausfall führen können.

Die dritte Methode besteht darin, die Schraube direkt auf eine Hohlwelle im Motor zu montieren und die Schraube mit einer Laserschweißung auf der Rückseite des Motors zu befestigen. Diese Methode gewährleistet den maximalen Eingriff der Schraube in den Motor, was zu einer höchstmöglichen Ausrichtungsgenauigkeit führt. In einigen Fällen kann die Schweißnaht durch einen Industriekleber ersetzt werden, der eine dauerhafte Verbindung zwischen Schraube und Motor herstellt. Diese Montagemethode bietet außerdem ein Höchstmaß an Genauigkeit, da sie für die geringste Unrundheit der Schraube sorgt, was zu einer längeren Lebensdauer und einem minimalen Wartungsbedarf führt.

Die Optimierung der Ausrichtung von Leitspindel, Mutter und Kupplung verlängert die Lebensdauer des gesamten Systems. Als Basis für den Vergleich mit anderen Elementen im System, Tests in verschiedenen Ausrichtungen mit verschiedenen Leitungen und mit verschiedenen Lasten und Geschwindigkeiten. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Lauflebensdauer die standardmäßige L10-Lagerlebensdauer um das 40-fache übersteigt.

Mit anderen Worten: Herkömmliche Motor- und Spindelanordnungen umfassen mehrere Komponenten, die zusammengebaut werden müssen und schwierig auszurichten sind. Sie führen zu Spiel und Toleranzstapeln, die die Genauigkeit verschlechtern und das Fehlerpotenzial erhöhen. Eine hohe Komponentenanzahl führt auch zu höheren Gesamtmontagekosten. Aber integrierte Hybrid-Linearaktuator-Setups umfassen eine Leitspindel, die direkt am Motor ausgerichtet und befestigt ist – für weniger Komponenten. Das sorgt für mehr Steifigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit … und steigert den Gesamtwert des Designs.

Link vier: Auswahl des Motortyps und der Motorausführung

Linearaktuatoren sind mit einer Auswahl an Motoroptionen erhältlich, wobei die gängigsten Motoroptionen ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis, eine Version mit geschlossenem Regelkreis, die entweder eine auf der Platine montierte Steuerung oder einen intelligenten Schrittmotor mit Industriegehäuse verwendet, und schließlich ein bürstenloser Gleichstrommotor (bldc) sind. Jeder hat sein eigenes Leistungsangebot oder seine eigenen Geschwindigkeiten und Ladefähigkeiten, und jeder hat auch seine eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Kosten, Integration, Kontrolle und mehr, auf die wir später eingehen.

Den größten Einfluss auf die lineare Bewegungsleistung eines Motors hat ein Blick unter die Haube auf das interne Design des Motors. Typische Allzweckmotoren verwenden eine gewellte Unterlegscheibe, um die Lager und die Baugruppe an Ort und Stelle zu halten. Dies ist in der Regel für rotierende Anwendungen ausreichend und kann oft auch auf lineare Anwendungen angewendet werden. Allerdings sorgen gewellte Unterlegscheiben für eine gewisse Nachgiebigkeit innerhalb des Motors, die zu geringem axialem oder linearem Spiel führen kann, das sich in Ungenauigkeiten der linearen Position niederschlägt.

Um dies zu mildern, können eines oder beide der beiden Elemente im Design geändert werden. Größere Lager können eingesetzt werden, um die Schubbelastbarkeit der Baugruppe zu erhöhen, und eine Schraubenschlüsselmutter kann hinzugefügt und auf eine vorgegebene Drehmomentspezifikation eingestellt werden, um das Spiel im System zu verringern.

Link fünf: Auswahl der Steuerungsmöglichkeiten

Das letzte Glied, das alle Elemente zusammenhält, ist die Art und Weise, wie die physische lineare Bewegung gesteuert und gesteuert werden soll. Traditionell wären hierfür mehrere separate Teile erforderlich, darunter ein Verstärker und ein Controller. Jeder würde einen Schrank und die dazugehörige Hardware, Verkabelung, einen Encoder und Sensoren für die Rückmeldung benötigen. Die Installation, Fehlerbehebung und Bedienung dieser Setups kann kompliziert und umständlich sein.

Das Aufkommen serienmäßiger intelligenter Motorlösungen hat dazu beigetragen, die Verkabelung zu vereinfachen und die Anzahl der Anschlüsse und Sensoren zu reduzieren, die mit der Erzielung der Leistung und Steuerung eines Schrittservotyps verbunden sind. Dies führt zu Kosteneinsparungen aufgrund einer geringeren Anzahl von Komponenten sowie eines geringeren Zeit- und Arbeitsaufwands für die Installation. Diese Motoren werden auch in vormontierten Industriegehäusen geliefert, die die Platine und die Steuerung mit Schutzart IP65 oder IP67 abdichten und vor Missbrauch oder Verschmutzung schützen.

Wenn für eine Anwendung bestimmte kundenspezifische Funktionen erforderlich sind, Platz- und Größenanforderungen minimiert werden müssen oder niedrige Kosten ein entscheidender Faktor sind, ist eine kundenspezifische, nicht gekapselte, motormontierte Platinensteuerung mit Schutzart IP20 eine nützliche Option. Dies gilt insbesondere für großvolumige Anwendungen, die in stilisierten Gehäusen oder Geräten untergebracht sind. Solche Aktuatoren bieten die Vorteile intelligenter Motoren (normalerweise zu erheblichen Kosteneinsparungen) und die Steuerung erfolgt direkt am Motor, was eine einfachere und schnellere Kommunikation mit dem Master oder der SPS ermöglicht.