Die Herausforderung für mechanische Automatisierungssysteme bestand bisher darin, die Drehbewegung von Elektro- oder mechanischen Motoren in nutzbare Linearbewegungen umzuwandeln. Ein Durchbruch in diesem Bereich war das Förderbandsystem, eine der ersten praktischen Anwendungen dieser Umwandlung in eine Linearbewegung in der Produktion. Diese Systeme transportieren eine Vielzahl von Rohmaterialien und Werkstücken deutlich effizienter als bisher mit rein mechanischen Kräften und sind daher in der Produktion äußerst nützlich.

Heutzutage hat die bedeutende Ingenieursarbeit auf dem Gebiet der Drehbewegungsumwandlung eine vielfältige Klasse linearer mechanischer Aktuatoren hervorgebracht, die für ein breites Spektrum anspruchsvoller Automatisierungsanwendungen geeignet sind. Die Herausforderung besteht darin, den passenden Aktor für die gewünschte Funktionalität auszuwählen, sei es die einfache Bewegung von Rohmaterial in einer Fertigungsumgebung oder die Konstruktion komplexerer Bewegungssysteme zur präzisen Positionierung von Werkzeugen.

Bei der Auswahl des geeigneten linearen mechanischen Aktuators müssen einige wichtige Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise die gewünschte Tragfähigkeit bzw. Schubkraft und der erforderliche Hubweg. Neben diesen primären Kriterien spielen auch andere Aspekte wie der Wartungsaufwand eine wichtige Rolle.

Zwei weit verbreitete Arten von mechanisierten Linearantrieben unterscheiden sich durch ihre Antriebsmechanismen: riemengetriebene und kugelgewindegetriebene Antriebe. Beide Typen werden in ähnlichen Anwendungen eingesetzt, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Funktion. Jeder Typ besitzt spezifische Stärken und wichtige Einschränkungen, die bei der Auswahl eines Antriebs sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Riemengetriebene Aktuatoren

Der riemengetriebene Aktor arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Förderbandsystem. Der Riemenantrieb wandelt Drehbewegung über einen Zahnriemen, der zwischen zwei Riemenscheiben gespannt ist, in Linearbewegung um. Der Zahnriemen besteht üblicherweise aus einem faserverstärkten Elastomer, für anspruchsvollere Anwendungen sind jedoch auch viele andere Riemenmaterialien erhältlich. Der Riemen ist mit Zähnen versehen, die in die Rotorscheiben eingreifen, um das Drehmoment effizient zu übertragen und ein Durchrutschen zu verhindern. Der Riemenantrieb ist in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, auf dem der Schlitten läuft. Die Antriebswelle ist typischerweise senkrecht zur Seite des Aktors angeordnet.

Kugelgewindetriebe

Das Grundprinzip des Kugelgewindetriebs stellt im Wesentlichen eine Verbesserung gegenüber dem Spindelantrieb dar. Bei Kugelgewindetrieben treibt die Rotation der Kugelgewindespindel die Kugelmutter bzw. den montierten Schlitten an, da die Schnittstelle zwischen Spindel und Kugelgewindespindel im Prinzip ein Kugellagersystem bildet. Dabei rollen gehärtete Stahlkugeln in der Mutter entlang der Laufbahn der Spindel. Ähnlich wie beim Riemenantrieb sind die Antriebskomponenten des Kugelgewindetriebs in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, während sich der Schlitten darüber bewegt. Im Gegensatz zum Riemenantrieb befindet sich die Antriebswellenschnittstelle jedoch in einer Linie mit der Kugelgewindespindel, außerhalb des Antriebsgehäuses.

Stärken und Schwächen jedes einzelnen

Riemengetriebene Aktuatoren werden im Allgemeinen für Anwendungen mit großen Verfahrwegen bevorzugt, da diese kostengünstiger realisiert werden können als mit kugelgewindetriebgetriebenen Aktuatoren vergleichbarer Länge. Zudem sind riemengetriebene Aktuatoren in der Regel effizienter, da sie weniger kritische bewegliche Teile besitzen und somit den Wartungsaufwand reduzieren. Dennoch ist eine ausreichende Riemenspannung entscheidend für die korrekte Drehmomentübertragung, weshalb ein Nachspannen des Riemens bei regelmäßigen Wartungsarbeiten üblicherweise erforderlich ist.

Alternativ ähnelt die Kugelgewindespindel einem Wälzlager und kann daher höhere Lasten aufnehmen und eine höhere Schubkraft erzeugen. Aus diesem Grund eignen sich Kugelgewindetriebe ideal für Anwendungen, bei denen die Positionierung großer, schwerer Lasten mit hoher Präzision erforderlich ist. Je nach Konstruktion des Antriebs kann eine regelmäßige Schmierung der Kugelgewindespindel notwendig sein.

Ein weiterer Vergleich der beiden Aktuatortypen offenbart trotz der Einfachheit und Effizienz des riemengetriebenen Aktuators zusätzliche Nachteile. Für höhere Lasten und Schubkräfte sind deutlich dickere Riemen erforderlich. Die Riemen sind zudem anfällig für Stoßbelastungen, wobei sich dieses Problem durch die sorgfältige Auswahl geeigneter Riemenmaterialien, die die Festigkeit auf Kosten der Elastizität erhöhen, bis zu einem gewissen Grad mindern lässt. Aufgrund der Dehnungsanfälligkeit des Riemens ist die Positioniergenauigkeit von Kugelgewindetrieben tendenziell höher als die von riemengetriebenen Aktuatoren. Daher werden Kugelgewindetriebe bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, die hohe Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit über längere Zeiträume erfordern. Kugelgewindetriebe sind die bevorzugte Wahl bei hohen Beschleunigungs- und Schubkräften, da die Riemenscheibe unter solch wiederholten Belastungen zum Schlupf am Rotor neigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kugelgewindetriebe die bessere Wahl für Anwendungen sind, die hohe Belastungen und/oder Schubkräfte sowie eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern. Riemengetriebene Antriebe hingegen bleiben aufgrund ihrer hohen Effizienz und Einfachheit die bessere Wahl für Anwendungen mit geringeren Belastungen, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Riemengetriebene Antriebe können zudem eine kostengünstige Lösung für Anwendungen mit langen Hüben darstellen. Die Auswahl zwischen riemengetriebenen und kugelgewindegetriebenen mechanischen Antrieben mag zunächst komplex erscheinen. Auf den ersten Blick bieten die Stärken und Schwächen beider Bauarten jedoch klare Entscheidungsmöglichkeiten für jede spezifische Anwendung.