Die Herausforderung für mechanische Automatisierungssysteme bestand in der Vergangenheit darin, die Rotationsbewegung von elektrischen oder mechanischen Motoren erfolgreich in nützliche Formen linearer Bewegung umzuwandeln. Das Förderbandsystem stellte in dieser Hinsicht einen Durchbruch dar und stellte eine der ersten nützlichen Implementierungen der Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen für den Einsatz in einer Produktionsumgebung dar. Diese Systeme sind in der Lage, eine Vielzahl von Rohmaterialien und Werkstücken weitaus effizienter zu transportieren, als dies bisher durch den Einsatz roher mechanischer Kräfte möglich war, und sind in Produktionsumgebungen äußerst nützlich.

Heutzutage haben umfangreiche technische Arbeiten auf dem Gebiet der Umwandlung von Drehbewegungen eine vielfältige Klasse linearer mechanischer Aktuatoren hervorgebracht, die für ein breites Spektrum fortschrittlicher Automatisierungsanwendungen nützlich sind. Die Herausforderung besteht darin, einen geeigneten Aktuator für die gewünschte Funktionalität auszuwählen, sei es einfach die Bewegung von Rohmaterial in einer Fertigungsumgebung oder die Konstruktion fortschrittlicherer Bewegungssysteme, die Werkzeuge in präzise Positionen bewegen sollen.

Um den richtigen linearen mechanischen Aktuator auszuwählen, müssen einige wichtige Überlegungen berücksichtigt werden, wie z. B. die gewünschte Tragfähigkeit oder Schubkraft und der erforderliche Hubweg. Während dies primäre Überlegungen sind, spielen sicherlich auch andere, wie z. B. der Wartungsaufwand, eine wichtige Rolle.

Zwei weit verbreitete Arten von mechanisierten Linearaktuatoren unterscheiden sich durch ihre Antriebsmechanismen: Aktuatoren mit Riemenantrieb und Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb. Beide Typen werden in ähnlichen Anwendungsbereichen eingesetzt, unterscheiden sich jedoch deutlich in der Funktion. Jeder Typ verfügt über einzigartige Stärken und wichtige Einschränkungen, die bei der Auswahl eines Aktuators sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Riemengetriebene Aktuatoren

Der riemengetriebene Aktuator funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie das Förderbandsystem. Der Riemenantrieb wandelt die Drehbewegung über einen Zahnriemen, der zwischen zwei kreisförmigen Riemenscheiben verbunden ist, in eine lineare Bewegung um. Der Zahnriemen besteht in der Regel aus einem faserverstärkten Elastomer, für anspruchsvollere Anwendungen stehen jedoch viele andere Riemenmaterialien zur Verfügung. Der Riemen enthält Zähne, die mit den Rotorscheiben in Kontakt treten, um das Drehmoment effizient zu übertragen und ein Durchrutschen zu verhindern. Der Riemenantrieb ist in einem Aluminiumgehäuse eingeschlossen, während der Schlitten oben läuft, und die Antriebswellenschnittstelle befindet sich normalerweise senkrecht zur Seite des Aktuators.

Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb

Das Grundprinzip des durch eine Kugelumlaufspindel angetriebenen Aktuators ist im Wesentlichen eine Verbesserung gegenüber einem durch eine Leitspindel angetriebenen System. Bei Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb treibt die Drehung der Kugelumlaufspindel die Kugelmutter/den montierten Schlitten an, da die Schnittstelle zwischen Bolzen und Kugelumlaufspindel im Wesentlichen ein Kugellagersystem ist, bei dem gehärtete Stahlkugeln in der Mutter entlang der Laufbahn rollen des Gestüts. Ähnlich wie beim Aktuator mit Riemenantrieb sind die Antriebskomponenten des Aktuators mit Kugelumlaufspindel in einem Aluminiumgehäuse eingeschlossen, während sich der Schlitten oben bewegt. Im Gegensatz zu Aktuatoren mit Riemenantrieb befindet sich die Antriebswellenschnittstelle auf einer Linie mit der Kugelumlaufspindel am Ende des Aktuators.

Stärken und Grenzen jedes Einzelnen

Antriebe mit Riemenantrieb werden im Allgemeinen für Anwendungen bevorzugt, die lange Verfahrwege erfordern, was kostengünstiger zu erreichen ist als mit einem Antrieb mit Kugelumlaufspindel ähnlicher Länge. Darüber hinaus ist der riemengetriebene Aktuator im Allgemeinen effizienter und verfügt über weniger kritische bewegliche Teile, wodurch die Wartung weniger arbeitsintensiv ist. Dennoch ist eine ausreichende Spannung des Riemens von entscheidender Bedeutung, um eine ordnungsgemäße Drehmomentübertragung zu gewährleisten, und in der Regel ist ein Nachspannen des Riemens bei regelmäßigen Wartungsintervallen erforderlich.

Alternativ ähnelt die Kugelumlaufspindeleinheit stark einem rollenden Kugellagersystem und ist daher in der Lage, höhere Lasten zu tragen und eine höhere Schubkraft zu erreichen. Aus diesem Grund eignen sich Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb ideal für Anwendungen, bei denen die Positionierung großer, schwerer Lasten mit hoher Präzision erforderlich sein kann. Abhängig von der spezifischen Antriebskonstruktion kann eine regelmäßige Schmierung der Kugelumlaufspindel erforderlich sein.

Ein weiterer Vergleich zwischen den beiden Aktuatortypen zeigt trotz seiner Einfachheit und Effizienz zusätzliche Nachteile des riemengetriebenen Aktuators. Für höhere Belastungs-/Schubkraftanforderungen sind deutlich dickere Riemen erforderlich. Die Riemen sind außerdem anfällig für Stoßbelastungen. Dieses Problem kann jedoch bis zu einem gewissen Grad durch die sorgfältige Auswahl der Riemenmaterialien gemildert werden, die auf Kosten der Elastizität für mehr Festigkeit sorgen. Darüber hinaus ist die Positionierungsgenauigkeit von Kugelumlaufspindelaktuatoren aufgrund der Anfälligkeit des Riemens gegenüber Dehnung tendenziell besser als die von riemengetriebenen Aktuatoren. Aus diesem Grund werden Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb für Anwendungen bevorzugt, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit über längere Zeiträume erfordern. Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb sind die bevorzugte Wahl für hohe Beschleunigungs- und Schubanforderungen, da die Riemenscheibe des Riemenantriebs bei solchen wiederholten Anforderungen anfällig für Durchrutschen am Rotor ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aktuatoren mit Kugelumlaufspindel die bessere Wahl für Anwendungen sind, bei denen hohe Belastungs- und/oder Schubkräfte sowie eine äußerst genaue Positionierung erforderlich sind. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und Einfachheit bleiben Aktuatoren mit Riemenantrieb jedoch die bessere Wahl für Anwendungen mit geringeren Lasten, insbesondere wenn höhere Geschwindigkeiten erforderlich sind. Riemengetriebene Aktuatoren können auch eine kostengünstige Lösung für Anwendungen mit großem Hub sein. Obwohl die Aufgabe, zwischen riemengetriebenen und kugelumlaufgetriebenen mechanischen Aktuatoren zu wählen, entmutigend erscheinen mag. Auf den ersten Blick bieten die Stärken und Schwächen jedes Designs eine klare Auswahl für jede einzelne Anwendung.