Wenn es um Linearantriebe geht, werden elektromechanische Geräte aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Präzision und Größe immer häufiger gegenüber ihren pneumatischen Pendants eingesetzt.

In den letzten Jahren wurden die Forderungen von Fabrik- und Unternehmensleitern immer lauter, in der Fabrikautomatisierungsausrüstung mehr elektrische Stabantriebe und weniger pneumatische Antriebe zu verwenden. Mehrere Faktoren treiben diese Umstellung voran, zu den wichtigsten zählen jedoch die steigenden Anforderungen an:

• Verbessern Sie die Maschinenleistung mit elektromechanischen Aktuatoren mit höherer Präzision.
• Reduzieren Sie die Größe der Ausrüstung mit elektromechanischen Aktuatoren, die nur etwa ein Viertel des Platzes benötigen, um den gleichen Schub zu liefern wie pneumatische Aktuatoren.
• Nutzen Sie Energie effizienter, da elektromechanische Aktuatoren keine Luftkompressoren benötigen, die rund um die Uhr laufen und den Druck aufrechterhalten.
• Reduzieren Sie den Wartungsaufwand und die Gesamtbetriebskosten, da elektromechanische Aktuatoren weniger Komponenten benötigen, keine Kompressoren erfordern und keine Luftlecks aufweisen.

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

Generell gilt: Je größer der Durchmesser der Kugelumlaufspindel, desto größer das Schubpotenzial. Um dies zu erreichen, ist jedoch eine ordnungsgemäße Passung des Drucklagers und aller Befestigungspunkte, einschließlich Verlängerungsrohr, innerer Kugelmutter, Lagergehäuse und Wischergehäuse, erforderlich. Andernfalls würde jede Schubsteigerung zu Lasten der Systemlebensdauer gehen. Eine Komponente, die zu schwach ist, um ihrer Belastung standzuhalten, verschleißt viel schneller oder wird sogar beschädigt.

Sie könnten über zwei Aktuatoren verfügen, die jeweils mit einer 16-mm-Kugelumlaufspindel ausgestattet sind und eine Schubkraft von 750 N bieten. Einer kann beispielsweise eine Laufleistung von 2.000 km haben, während der andere eine Laufleistung von 8.000 km bietet. Der Unterschied liegt darin, wie gut die Kugelumlaufspindel und andere Komponenten miteinander verbunden sind.

Aufgrund der größeren Kugelumlaufspindeldurchmesser, die mit Kosten und Platzbedarf einhergehen, verringert sich durch die richtige Paarung der Kugelumlaufspindel und anderer Komponenten außerdem beides. Um eine Anwendungsanforderung von 3.200 N Kraft zu erfüllen, verwendet ein Anbieter möglicherweise eine Kugelumlaufspindel mit 20 mm Durchmesser, während ein anderer Anbieter mit entsprechend passenden Komponenten möglicherweise die gleiche Schubkraft mit einer Spindel mit 12 mm Durchmesser erreicht. Somit kann die letztgenannte Kugelumlaufspindel ohne Leistungseinbußen verkleinert werden.

Das richtige Zusammenpassen von Kugelumlaufspindeln mit anderen Komponenten wirkt sich erheblich auf die Lebensdauer des Aktuators aus, und in Kombination mit der Trägerkonstruktion haben diese beiden Faktoren den größten Einfluss auf Präzision und Belastbarkeit. Ein weiteres Ziel der Aktuatorkonstruktion ist die Reduzierung des radialen und seitlichen freien Spiels. Einflussfaktoren sind der Durchmesser des Trägerkörpers, die Auflagefläche und die Verwendung von Stützbeinen. Ein größerer Trägerkörper unterstützt beispielsweise größere äußere Radiallasten, indem er die Oberflächenkontaktfläche bei Seitenlastsituationen 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 die Maximierung der Oberflächen die radiale und seitliche Belastbarkeit verbessert, trägt sie nicht unbedingt zur Stabilität bei. Dies wird häufig dadurch behoben, dass erhöhte Beine in gerillten Kanälen befestigt werden (drei im Bild oben). Diese Stützbeine reduzieren Vibrationen, die Lärm verursachen und zum Verschleiß beitragen können. Bei den meisten Konstruktionen werden ein oder zwei solcher Rippen verwendet, wodurch etwas Spiel vermieden wird. Es kann jedoch zu Klickgeräuschen kommen, wenn das System mit der Zeit zu verschleißen beginnt. Die Verwendung von vier statt zwei Beinen verringert jedoch den Verschleiß und die Geräuschentwicklung und bietet einen effektiveren und langlebigeren Verdrehschutz. Darüber hinaus sorgen die zusätzlichen Beine für eine klemmfreie Rückbewegung, wodurch das Spiel durch Verschleiß weiter reduziert wird.

Darüber hinaus erzeugt die nach außen gebogene Form dieser Trägerschenkel eine radiale Vorspannung, die das Spiel im Schubrohr verringert. Außerdem werden der Trägerkörper und die Kugelmutter zentriert, wodurch die Notwendigkeit entfällt, den Träger am Profil auszurichten, und der Verschleiß während der gesamten Lebensdauer des Geräts ausgeglichen wird. Wenn alles in Ausrichtung bleibt, muss der Aktuator weniger oft kalibriert werden, um ein konstantes Leerlaufdrehmoment zu gewährleisten.

Enge Toleranzen sind entscheidend für die Verringerung des Verschleißes und die Geräuschreduzierung. Wenn jedoch überhaupt kein Luftspalt vorhanden ist, baut sich bei hohen Geschwindigkeiten der Aktuatoren ein Druck auf. Dies führt zu Überhitzung und trägt zu Schmierproblemen und anderen Haltbarkeitsproblemen bei. Um dieses Problem zu lösen, machen Sie zwei der männlichen Hauptmerkmale an den Trägerbeinen niedriger als die verbleibenden beiden – das ist der Ansatz, den Thomson bei vielen seiner Aktuatoren verfolgt. Dadurch entsteht gerade genügend Abstand, um einen Druckaufbau zu verhindern. Wie im obigen Bild zu sehen ist, sind zwei der männlichen Hauptmerkmale, die orthogonal auf den Trägerbeinen angeordnet sind, niedriger als die übrigen beiden.

Wartbarkeit

Die einfache Wartung wirkt sich auf die Lebenszyklusleistung aus und trägt zu Produktivitätsvorteilen bei. Elektromechanische Aktoren unterscheiden sich in ihrer Schmierung und Motorhandhabung. Die meisten Aktuatoren fahren zurück, um Teile zur Schmierung teilweise um 60 bis 70 % freizulegen. Techniker entfernen die Kappen, suchen nach Teilen, die geschmiert werden müssen, fügen Fett hinzu und müssen diesen Vorgang möglicherweise wiederholen.

Ein besserer Ansatz besteht jedoch darin, den Tubus vollständig auszufahren oder einzufahren und so alle Komponenten freizulegen, um eine maximale Belichtung zu ermöglichen. Dies ermöglicht Unternehmen den Einsatz automatisierter Schmierung. Darüber hinaus würde die Verwendung eines Schmiernippels das Entfernen der Kappe überflüssig machen, was die Wartung weiter vereinfacht.

Die Wartung kann auch beschleunigt werden, wenn Sie die Zeit sparen, die für die Verbindung des Motors mit dem mechanischen Aktuator erforderlich ist. Die herkömmliche Montage des Motors in einer Parallelkonfiguration dauert 20 bis 25 Minuten. Sobald der Motor montiert ist, muss ein Techniker verschiedene Werkzeuge verwenden, um ihn auf die richtige Riemenspannung und Ausrichtung einzustellen. Dies erfordert mindestens 12 Schritte.

Wenn der Aktuator jedoch mit einer vormontierten Parallellösung geliefert wird, kann der Riemen während der Montage vorgespannt werden, sodass keine mehrstufigen Spannungseinstellungen erforderlich sind – der Motor kann festgeschraubt werden und ist in nur drei Schritten einsatzbereit. Bei der Inline-Montage sind die Vorteile einer vormontierten Lösung ähnlich, wenn auch nicht so dramatisch.

Darüber hinaus eliminiert die Verwendung von Spreizlagern das Risiko einer Fehlausrichtung. Außerdem schützt es die Motorwelle vor radialen Belastungen, was die Geräuschentwicklung reduziert und die Lebensdauer des Aktuators weiter verlängert.

Umweltresistenz

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

Profile mit glatten Oberflächen sind sauberer als gerillte Oberflächen, da sich dort kein Staub und keine Flüssigkeiten ansammeln. Daher eignen sie sich besser für raue Umgebungen, in denen häufiges Abwaschen erforderlich ist. Ein elegantes Äußeres könnte jedoch einen Nachteil haben. Bei Anwendungen, die Sensorbefestigungen erfordern, ist möglicherweise ein zusätzlicher Kunststoffaufsatz zur Befestigung des Sensors erforderlich.

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

Ein wichtiger Indikator für die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Umgebung ist der Ingress Protection (IP) Code. Eine IP-Schutzart von 65 bedeutet beispielsweise, dass das Gerät staubdicht und gegen Wasserstrahlen mit niedrigem Druck aus allen Richtungen geschützt ist, wie sie beispielsweise bei Waschvorgängen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie auftreten können. Nur wenige elektrische Stellantriebe erfüllen diese Bewertung, aber in korrosiven Umgebungen ist sie von entscheidender Bedeutung. Eine IP-Einstufung von 54 bietet einen gewissen Schutz gegen Spritzwasser und weniger als 100 % Schutz gegen Staub, was sie für einige Nassanwendungen akzeptabel macht, jedoch nicht, wenn Druck im Spiel ist. Die bei Linearantrieben übliche IP-Schutzart 40 bedeutet, dass kein Staub- oder Flüssigkeitsschutz besteht.

Höhere IP-Schutzgrade hängen hauptsächlich von der Verwendung besserer Dichtungen ab. Thomson beispielsweise dichtet bei seinen elektromechanischen Aktuatoren jedes Fach, einschließlich der Motorhalterungen, ab. Alle Dichtungen sollten ebenfalls abgedichtet sein und bis zum Motor reichen, anstatt an der Montageplatte zu enden.

Die nächste Generation der Bewegungssteuerung

Da die Anforderungen des Marktes an höhere Produktivität, kürzere Umrüstzeiten, höhere Zuverlässigkeit, größere Energieeinsparungen sowie niedrigere Wartungs- und Betriebskosten wachsen, wechseln immer mehr Konstrukteure und Endbenutzer zu elektromechanischen statt pneumatischen Antrieben. Für Maschinen, die eine anspruchsvolle Bewegungssteuerung erfordern, sind elektromechanische Aktuatoren praktisch die einzige Alternative. Aber selbst bei einfachen linearen Bewegungsaufgaben tendieren Konstrukteure und Benutzer von Bewegungssteuerungen aufgrund der geringeren und/oder einfacheren Wartung, der höheren Energieeinsparungen und des saubereren Betriebs zur elektrischen Betätigung.

Noch größere Vorteile ergeben sich durch den sorgfältigen Vergleich verschiedener Marken elektrischer Stellantriebe. Interpretieren Sie „Lasttragfähigkeit“ immer im Kontext der beanspruchten Systemlebensdauer und des Platzbedarfs. In diesen Bereichen gibt es echte Kompromisse. Das Trägerdesign wirkt sich sowohl auf die Präzision als auch auf die seitliche und rotierende Tragfähigkeit aus. Achten Sie daher genau darauf, wie der Träger im Kanal befestigt wird, sowie auf die Form und Größe etwaiger Führungsmechanismen.

Verbesserte Mechanismen und Teile wie Stützbeine und Beindesigns, die für einen besseren Halt gebogen werden können, verbessern die Genauigkeit und den Verschleiß. Und das passende Außenprofil, die Materialauswahl und die Dichtungsstrategie sind Schlüsselfaktoren für die Umweltbeständigkeit. Glattere Profile, Edelstahlmaterialien und höhere IP-Schutzarten bieten tendenziell den größten Schutz.