Bei Linearantrieben werden elektromechanische Geräte aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Präzision und Größe immer beliebter als ihre pneumatischen Pendants.

In den letzten Jahren sind die Forderungen von Fabrik- und Unternehmensleitern nach mehr elektrischen Stangenantrieben und weniger pneumatischen Antrieben in der Fabrikautomation lauter geworden. Mehrere Faktoren treiben diese Umstellung voran, die wichtigsten sind jedoch die steigenden Anforderungen an:

• Verbessern Sie die Maschinenleistung mit elektromechanischen Aktuatoren, die eine höhere Präzision ermöglichen.
• Reduzieren Sie die Größe der Ausrüstung mit elektromechanischen Aktuatoren, die nur etwa ein Viertel des Platzes benötigen, um den gleichen Schub wie pneumatische Aktuatoren zu liefern.
• Nutzen Sie Energie effizienter, da elektromechanische Antriebe keine rund um die Uhr laufenden Luftkompressoren zur Aufrechterhaltung des Drucks benötigen.
• Reduzieren Sie den Wartungsaufwand und die Gesamtbetriebskosten, da elektromechanische Aktuatoren weniger Komponenten verwenden, keine Kompressoren benötigen und keine Luftlecks aufweisen.

Sobald die Entscheidung gefallen ist, pneumatische Antriebe durch elektromechanische zu ersetzen, besteht der nächste Schritt darin, aus den vielen Marken die richtigen elektromechanischen Antriebe auszuwählen. Obwohl die grundlegenden Schubspezifikationen ähnlich sein können, bestehen erhebliche Unterschiede in den Bereichen Lebensdauer, Wartung und Umweltbeständigkeit.

Generell gilt: Je größer der Durchmesser der Kugelumlaufspindel, desto größer das Schubpotenzial. Voraussetzung hierfür ist jedoch die korrekte Abstimmung des Axiallagers und aller Befestigungspunkte, einschließlich Verlängerungsrohr, innerer Kugelmutter, Lagergehäuse und Wischergehäuse. Andernfalls würde jede Erhöhung des Schubs zu Lasten der Systemlebensdauer gehen. Ein Bauteil, das zu schwach für die Belastung ist, verschleißt deutlich schneller oder wird sogar beschädigt.

Sie könnten zwei Aktuatoren haben, die jeweils mit einer 16-mm-Kugelumlaufspindel ausgestattet sind und eine Schubkraft von 750 N liefern. Einer von ihnen hat beispielsweise eine Laufleistung von 2.000 km, der andere von 8.000 km. Der Unterschied liegt in der Passgenauigkeit der Kugelumlaufspindel und der anderen Komponenten.

Da größere Kugelumlaufspindeldurchmesser mit Kosten und Platzbedarf korrelieren, reduziert die richtige Kombination von Kugelumlaufspindel und anderen Komponenten beides. Um eine Anwendungsanforderung von 3.200 N Kraft zu erfüllen, könnte ein Anbieter eine Kugelumlaufspindel mit 20 mm Durchmesser verwenden, während ein anderer Anbieter mit entsprechend passenden Komponenten die gleiche Schubkraft mit einer Spindel mit 12 mm Durchmesser erreichen könnte. Somit kann die Größe der letztgenannten Kugelumlaufspindel ohne Leistungseinbußen verkleinert werden.

Die richtige Verbindung von Kugelumlaufspindeln mit anderen Komponenten beeinflusst die Lebensdauer des Aktuators erheblich. In Kombination mit der Trägerkonstruktion haben beide Faktoren den größten Einfluss auf Präzision und Belastbarkeit. Ein weiteres Ziel der Aktuatorkonstruktion ist die Reduzierung des radialen und lateralen Spiels. Einflussfaktoren hierfür sind der Durchmesser des Trägerkörpers, die Kontaktfläche und die Verwendung von Stützbeinen. Ein größerer Trägerkörper trägt beispielsweise höhere externe Radiallasten, indem er die Kontaktfläche bei seitlicher Belastung maximiert. Die Möglichkeit, elektrische Aktuatoren seitlich zu belasten, steigert Leistung, Präzision und Kompaktheit auf ein Niveau, das mit pneumatischen oder hydraulischen Aktuatoren nicht erreicht wird.

Eine Maximierung der Oberfläche verbessert zwar die radiale und seitliche Belastbarkeit, trägt aber nicht unbedingt zur Stabilität bei. Dieses Problem wird häufig dadurch gelöst, dass erhöhte Stützbeine in gerillten Kanälen (drei im Bild oben) eingespannt werden. Diese Stützbeine reduzieren Vibrationen, die Lärm verursachen und zu Verschleiß beitragen können. Die meisten Designs verwenden ein oder zwei solcher Rippen, um etwas Spiel zu vermeiden. Allerdings können dadurch Klickgeräusche entstehen, wenn das System mit der Zeit verschleißt. Die Verwendung von vier statt zwei Stützbeinen verringert jedoch Verschleiß und Lärm und bietet einen effektiveren und langlebigeren Verdrehschutz. Außerdem gewährleisten die zusätzlichen Stützbeine eine klemmfreie Rücklaufbewegung, wodurch das verschleißbedingte Spiel weiter reduziert wird.

Durch die Krümmung der Trägerschenkel nach außen entsteht zudem eine radiale Vorspannung, die das Spiel im Schubrohr reduziert. Dadurch werden Trägerkörper und Kugelmutter zentriert, sodass der Träger nicht mehr an der Extrusion ausgerichtet werden muss und der Verschleiß über die Lebensdauer des Geräts ausgeglichen wird. Durch die Ausrichtung aller Elemente muss der Aktuator weniger oft kalibriert werden, um ein konstantes Leerlaufdrehmoment zu gewährleisten.

Enge Toleranzen sind entscheidend für Verschleißminderung und Geräuschreduzierung. Wenn jedoch überhaupt kein Luftspalt vorhanden ist, baut sich bei hohen Drehzahlen der Aktuatoren Druck auf. Dies führt zu Überhitzung, Schmierproblemen und anderen Haltbarkeitsproblemen. Um dieses Problem zu lösen, werden zwei der männlichen Passfedern an den Trägerbeinen niedriger ausgeführt als die beiden anderen – genau das verfolgt Thomson bei vielen seiner Aktuatoren. Dadurch entsteht gerade genug Abstand, um einen Druckaufbau zu verhindern. Wie im obigen Bild zu sehen ist, sind zwei der orthogonal an den Trägerbeinen angeordneten männlichen Passfedern niedriger als die beiden anderen.

Wartbarkeit

Wartungsfreundlichkeit wirkt sich auf die Lebensdauer aus und trägt zu Produktivitätsvorteilen bei. Elektromechanische Aktuatoren unterscheiden sich in ihrer Schmierung und Motorhandhabung. Die meisten Aktuatoren fahren ein, um Teile zur Schmierung um 60 bis 70 % freizugeben. Techniker entfernen die Kappen, suchen die zu schmierenden Teile, fügen Fett hinzu und müssen diesen Vorgang möglicherweise wiederholen.

Besser ist es jedoch, das Rohr vollständig auszufahren oder einzufahren, um alle Komponenten optimal freizulegen. Dies ermöglicht die automatische Schmierung. Durch den Einsatz eines Schmiernippels entfällt zudem das Abnehmen der Kappe, was die Wartung zusätzlich vereinfacht.

Auch die Wartung lässt sich beschleunigen, wenn der Zeitaufwand für die Verbindung von Motor und mechanischem Antrieb entfällt. Die herkömmliche Parallelmontage des Motors dauert 20 bis 25 Minuten. Nach der Montage muss ein Techniker den Motor mit verschiedenen Werkzeugen auf die richtige Riemenspannung und -ausrichtung einstellen. Dies erfordert mindestens 12 Schritte.

Wird der Antrieb jedoch mit einer vormontierten Parallellösung geliefert, kann der Riemen während der Montage vorgespannt werden, wodurch mehrstufige Spannungseinstellungen entfallen – der Motor kann in nur drei Schritten festgeschraubt und eingesetzt werden. Bei der Inline-Montage sind die Vorteile einer vormontierten Lösung ähnlich, wenn auch nicht so deutlich.

Darüber hinaus wird durch die Verwendung von Spreizlagern das Risiko einer Fehlausrichtung eliminiert. Außerdem wird die Motorwelle vor radialen Belastungen geschützt, was die Geräuschentwicklung reduziert und die Lebensdauer des Antriebs weiter verlängert.

Umweltbeständigkeit

Elektromechanische Aktuatoren unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, rauen Bedingungen, der Umwelt und häufigen Hochdruckreinigungen standzuhalten. Dies hängt vom Außenprofil, der Materialauswahl und den Dichtungsmethoden ab.

Profile mit glatten Oberflächen sind sauberer als geriffelte Oberflächen, da sich dort weder Staub noch Flüssigkeiten ansammeln. Daher eignen sie sich besser für raue Umgebungen, in denen häufiges Abspritzen erforderlich ist. Ein glattes Äußeres kann jedoch auch Nachteile haben. Bei Anwendungen, die Sensorbefestigungen erfordern, kann ein zusätzlicher Kunststoffaufsatz zur Befestigung des Sensors erforderlich sein.

Die Umweltbeständigkeit hängt auch von der Materialzusammensetzung des Verlängerungsrohrs ab. Die meisten Systeme verwenden Chromstahl, aber Edelstahl ist für raue Umgebungen die deutlich bessere Wahl.

Ein wichtiger Indikator für die Umweltbeständigkeit ist der Ingress Protection (IP)-Code. Ein IP-Schutzgrad von 65 bedeutet beispielsweise, dass das Gerät staubdicht und gegen Niederdruck-Wasserstrahlen aus jeder Richtung geschützt ist, wie sie beispielsweise bei Reinigungsvorgängen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommen können. Nur wenige elektrische Aktuatoren erfüllen diese Anforderung, in korrosiven Umgebungen ist sie jedoch von entscheidender Bedeutung. Ein IP-Schutzgrad von 54 bietet einen gewissen Schutz gegen Spritzwasser und weniger als 100 % Schutz gegen Staub. Damit ist er für einige Reinigungsanwendungen akzeptabel, jedoch nicht, wenn Druck im Spiel ist. Ein IP-Schutzgrad von 40, der bei Linearaktuatoren üblich ist, bedeutet, dass kein Staub- oder Flüssigkeitsschutz besteht.

Höhere IP-Schutzarten sind vor allem auf die Verwendung besserer Dichtungen zurückzuführen. Thomson beispielsweise dichtet bei seinen elektromechanischen Aktuatoren jedes Fach, einschließlich der Motorhalterungen, ab. Alle Dichtungen sollten zudem bis zum Motor reichen und nicht erst an der Montageplatte enden.

Die nächste Generation der Bewegungssteuerung

Da die Marktanforderungen nach höherer Produktivität, kürzeren Umrüstzeiten, erhöhter Zuverlässigkeit, größeren Energieeinsparungen sowie geringeren Wartungs- und Betriebskosten steigen, steigen immer mehr Konstrukteure und Endanwender auf elektromechanische statt pneumatische Antriebe um. Für Maschinen, die eine anspruchsvolle Bewegungssteuerung erfordern, sind elektromechanische Antriebe praktisch die einzige Alternative. Aber auch für einfache lineare Bewegungsaufgaben tendieren Konstrukteure und Anwender von Bewegungssteuerungen aufgrund des geringeren bzw. einfacheren Wartungsaufwands, der höheren Energieeinsparungen und des saubereren Betriebs zu elektrischen Antrieben.

Noch größere Vorteile ergeben sich durch einen sorgfältigen Vergleich verschiedener Marken von elektrischen Antrieben. Interpretieren Sie die „Tragfähigkeit“ immer im Kontext der angegebenen Systemlebensdauer und des Platzbedarfs. In diesen Bereichen gibt es echte Kompromisse. Die Trägerkonstruktion beeinflusst die Präzision sowie die seitliche und rotierende Tragfähigkeit. Achten Sie daher genau auf die Befestigung des Trägers im Kanal sowie auf Form und Größe der Führungsmechanismen.

Verbesserte Mechanismen und Teile wie Stützbeine und gebogene Beinkonstruktionen für besseren Halt verbessern die Genauigkeit und reduzieren den Verschleiß. Das passende Außenprofil, die Materialauswahl und die Dichtungsstrategie sind Schlüsselfaktoren für die Umweltbeständigkeit. Glattere Profile, Edelstahlmaterialien und höhere IP-Schutzarten bieten in der Regel den besten Schutz.