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

In den letzten Jahren wurden die Forderungen von Fabrik- und Unternehmensleitern nach einem verstärkten Einsatz von elektrischen Stangenantrieben und einem geringeren Einsatz von pneumatischen Antrieben in der Fabrikautomation immer lauter. 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.
• Verringern Sie die Größe der Geräte mit elektromechanischen Aktuatoren, die nur etwa ein Viertel des Platzes benötigen, um die gleiche Schubkraft wie pneumatische Aktuatoren zu erzeugen.
• Energie effizienter nutzen, da elektromechanische Aktuatoren keine rund um die Uhr laufenden Luftkompressoren zur Aufrechterhaltung des Drucks benötigen.
• Reduziert Wartungsaufwand und Gesamtbetriebskosten, da elektromechanische Aktuatoren weniger Bauteile benötigen, keine Kompressoren erfordern und keine Luftlecks aufweisen.

Sobald die Entscheidung gefallen ist, pneumatische Aktuatoren durch elektromechanische zu ersetzen, gilt es, aus der Vielzahl an Herstellern die passenden elektromechanischen Aktuatoren auszuwählen. Obwohl die grundlegenden Schubkraftspezifikationen ähnlich sein können, bestehen erhebliche Unterschiede hinsichtlich Lebensdauer, Wartungsfreundlichkeit und Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.

Generell gilt: Je größer der Durchmesser der Kugelumlaufspindel, desto höher die Schubkraft. Um dies zu erreichen, ist jedoch ein präziser Sitz des Drucklagers und aller Befestigungspunkte, einschließlich Verlängerungsrohr, innerer Kugelmutter, Lagergehäuse und Abstreifgehäuse, erforderlich. Andernfalls würde jede Erhöhung der Schubkraft die Lebensdauer des Systems beeinträchtigen. Ein Bauteil, das der Belastung nicht gewachsen ist, verschleißt deutlich schneller oder wird sogar beschädigt.

Man könnte beispielsweise zwei Aktuatoren verwenden, die jeweils mit einer 16-mm-Kugelgewindespindel ausgestattet sind und eine Schubkraft von 750 N liefern. Der eine Aktuator könnte beispielsweise eine Verfahrstrecke von 2.000 km, der andere hingegen 8.000 km erreichen. Der Unterschied liegt in der Passgenauigkeit der Kugelgewindespindel und der übrigen Komponenten.

Da größere Kugelgewindespindeldurchmesser mit höheren Kosten und größerem Platzbedarf einhergehen, lassen sich diese durch eine optimale Abstimmung der Kugelgewindespindel und anderer Komponenten reduzieren. Um eine Kraft von 3200 N zu erreichen, verwendet ein Hersteller möglicherweise eine Kugelgewindespindel mit 20 mm Durchmesser, während ein anderer Hersteller mit optimal abgestimmten Komponenten die gleiche Schubkraft mit einer Spindel von 12 mm Durchmesser erzielen kann. Dadurch kann die Kugelgewindespindel des letzteren Herstellers verkleinert werden, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird.

Die korrekte Abstimmung der Kugelgewindetriebe mit anderen Komponenten beeinflusst die Lebensdauer des Aktuators maßgeblich. Zusammen mit der Konstruktion des Trägers haben diese beiden Faktoren den größten Einfluss auf Präzision und Tragfähigkeit. 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 kann beispielsweise höhere radiale Außenlasten aufnehmen, indem er die Kontaktfläche bei Seitenlasten maximiert. Die Möglichkeit, elektrische Aktuatoren seitlich zu belasten, steigert Leistung, Präzision und Kompaktheit auf ein Niveau, das mit pneumatischen oder hydraulischen Aktuatoren nicht erreichbar ist.

Obwohl eine Vergrößerung der Auflagefläche die radiale und laterale Belastbarkeit verbessert, erhöht sie nicht zwangsläufig die Stabilität. Dieses Problem wird häufig durch die Arretierung erhöhter Stützbeine in Nuten (drei im obigen Bild) gelöst. Diese Stützbeine reduzieren Vibrationen, die Geräusche verursachen und zu Verschleiß beitragen können. Die meisten Konstruktionen verwenden ein oder zwei solcher Nuten, wodurch zwar Spiel reduziert wird, aber mit der Zeit und zunehmendem Verschleiß Klickgeräusche entstehen können. Die Verwendung von vier statt zwei Stützbeinen verringert Verschleiß und Geräusche und bietet einen effektiveren und dauerhafteren Schutz vor Verdrehungen. Zudem gewährleisten die zusätzlichen Stützbeine eine reibungslose Rücklaufbewegung und reduzieren so das verschleißbedingte Spiel weiter.

Die nach außen gebogenen Trägerbeine erzeugen zudem eine radiale Vorspannung, die das Spiel im Schubrohr reduziert. Außerdem zentrieren sie den Trägerkörper und die Kugelmutter, wodurch das Unterlegen des Trägers an das Profil entfällt und der Verschleiß über die Lebensdauer des Bauteils ausgeglichen wird. Die präzise Ausrichtung aller Komponenten verringert die Anzahl der notwendigen Kalibrierungen des Aktuators für ein gleichmäßiges Leerlaufdrehmoment.

Enge Toleranzen sind entscheidend für geringen Verschleiß und Geräuschreduzierung. Fehlt jedoch jeglicher Luftspalt, baut sich bei hohen Drehzahlen der Aktuatoren Druck auf. Dies führt zu Überhitzung, was wiederum Schmierprobleme und andere Lebensdauereinbußen begünstigt. Um dem entgegenzuwirken, werden zwei der Passstifte an den Trägerbeinen tiefer angebracht als die beiden anderen – so setzt Thomson bei vielen seiner Aktuatoren vor. Dadurch entsteht ein ausreichend großer Spalt, um Druckaufbau zu verhindern. Wie in der Abbildung oben zu sehen, sind zwei der orthogonal angeordneten Passstifte an den Trägerbeinen tiefer angebracht als die beiden anderen.

Wartbarkeit

Die Wartungsfreundlichkeit beeinflusst die Lebensdauer und trägt zur Produktivitätssteigerung bei. Elektromechanische Aktuatoren unterscheiden sich hinsichtlich Schmierung und Motorhandhabung. Die meisten Aktuatoren fahren ein, sodass die Bauteile zu 60 bis 70 % für die Schmierung freigelegt werden. Techniker entfernen die Kappen, lokalisieren die zu schmierenden Teile, fetten sie ein und müssen diesen Vorgang gegebenenfalls wiederholen.

Ein besserer Ansatz besteht jedoch darin, das Rohr vollständig aus- oder einzufahren, um alle Komponenten optimal zugänglich zu machen. Dies ermöglicht den Einsatz einer automatischen Schmierung. Darüber hinaus würde die Verwendung eines Schmiernippels das Abnehmen der Kappe überflüssig machen und die Wartung weiter vereinfachen.

Die Wartung lässt sich beschleunigen, wenn die Zeit für die Verbindung von Motor und mechanischem Aktor entfällt. Die herkömmliche Parallelmontage des Motors dauert 20 bis 25 Minuten. Nach der Montage muss der Techniker verschiedene Werkzeuge verwenden, um die korrekte Riemenspannung und Ausrichtung des Motors zu gewährleisten. Dies erfordert mindestens zwölf Arbeitsschritte.

Wenn der Aktor jedoch mit einer vormontierten Parallellösung geliefert wird, kann der Riemen bereits bei der Montage vorgespannt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit mehrstufiger Spannungseinstellungen – der Motor kann in nur drei Schritten angeschraubt und eingesetzt werden. Bei der Inline-Montage sind die Vorteile einer vormontierten Lösung ähnlich, wenn auch nicht so ausgeprägt.

Darüber hinaus beseitigt die Verwendung von Gleitlagern das Risiko einer Fehlausrichtung. Sie schützt außerdem die Motorwelle vor Radialkräften, was die Geräuschentwicklung reduziert und die Lebensdauer des Aktuators weiter verlängert.

Umweltbeständigkeit

Elektromechanische Aktuatoren unterscheiden sich in ihrer Beständigkeit gegenüber rauen Bedingungen, Umwelteinflüssen und häufigen Hochdruckreinigungen. Dies hängt vom äußeren Profil, der Materialwahl und den Dichtungsmethoden ab.

Profile mit glatten Oberflächen sind sauberer als gerillte Oberflächen, da sich Staub und Flüssigkeiten weniger ansammeln. Daher eignen sie sich besser für raue Umgebungen, in denen häufige Reinigungen erforderlich sind. Ein glattes Äußeres kann jedoch auch Nachteile mit sich bringen. Bei Anwendungen, die Sensoren erfordern, kann ein zusätzliches Kunststoffteil zur Befestigung des Sensors notwendig sein.

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

Ein wichtiger Indikator für die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen ist die Schutzart (IP-Code). Eine Schutzart von IP 65 bedeutet beispielsweise, dass das Gerät staubdicht und gegen Strahlwasser aus allen Richtungen geschützt ist, wie es etwa bei Reinigungsarbeiten in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommt. Nur wenige elektrische Stellantriebe erfüllen diese Schutzart, in korrosiven Umgebungen ist sie jedoch unerlässlich. Eine Schutzart von IP 54 bietet einen gewissen Schutz gegen Spritzwasser und einen weniger als 100%igen Schutz gegen Staub. Sie ist daher für einige Reinigungsanwendungen geeignet, jedoch nicht bei Druckbelastung. Eine Schutzart von IP 40, die bei Linearantrieben üblich ist, bedeutet, dass kein Schutz gegen Staub oder Flüssigkeiten besteht.

Höhere IP-Schutzarten hängen hauptsächlich von der Verwendung besserer Dichtungen ab. Thomson beispielsweise dichtet bei seinen elektromechanischen Aktuatoren jedes Bauteil, einschließlich der Motorhalterungen, ab. Alle Dichtungen sollten zudem vollständig abgedichtet sein und sich bis zum Motor erstrecken, anstatt an der Montageplatte zu enden.

Die nächste Generation der Bewegungssteuerung

Da die Marktanforderungen nach höherer Produktivität, kürzeren Rüstzeiten, erhöhter Zuverlässigkeit, größeren Energieeinsparungen und geringeren Wartungs- und Betriebskosten steigen, wechseln immer mehr Konstrukteure und Anwender von pneumatischen zu elektromechanischen Aktuatoren. Für Maschinen mit komplexen Bewegungssteuerungsanforderungen sind elektromechanische Aktuatoren praktisch die einzige Alternative. Doch auch bei einfachen linearen Bewegungsaufgaben bevorzugen Konstrukteure und Anwender von Bewegungssteuerungssystemen elektrische Aktuatoren aufgrund des geringeren und/oder einfacheren Wartungsaufwands, der höheren Energieeinsparungen und des saubereren Betriebs.

Noch größere Vorteile lassen sich durch einen sorgfältigen Vergleich verschiedener Hersteller von elektrischen Aktuatoren erzielen. Die „Tragfähigkeit“ sollte stets im Kontext der angegebenen Systemlebensdauer und des Platzbedarfs interpretiert werden. Hierbei sind Kompromisse zu beachten. Die Konstruktion des Trägers beeinflusst sowohl die Präzision als auch die seitliche und rotatorische Tragfähigkeit. Achten Sie daher genau darauf, wie der Träger im Kanal befestigt ist und welche Form und Größe die Führungsmechanismen aufweisen.

Verbesserte Mechanismen und Bauteile wie Stützbeine und deren Konstruktion, die für besseren Halt gebogen werden können, erhöhen die Genauigkeit und reduzieren den Verschleiß. Das geeignete Außenprofil, die Materialwahl und die Abdichtung sind entscheidend für die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Glattere Profile, Edelstahl und höhere IP-Schutzarten bieten in der Regel den besten Schutz.