Elektrische Stellantriebe verdrängen andere Bewegungsoptionen – einschließlich manueller Ausführungen: Ein Bericht über Bewegungstrends

Oct 04, 2023

By Lisa Eitel | March 1, 2019

Heutzutage sind elektrische Stellantriebe einfacher denn je zu spezifizieren und zu installieren. Mehrwertdienste von Komponentenlieferanten sowie anwendungsspezifische Aktuatorproduktlinien (insbesondere für batteriebetriebene Designs in mobilen Geräten und Verbraucheranwendungen) ersparen OEMs und Endbenutzern viele Integrationsaufgaben. Dabei handelt es sich um Trends, die zum Teil durch eine Bewegung unterstützt werden, die Design World in den letzten Jahren verfolgt hat – die zunehmend vorintegrierter Motion-Builds.Das stärkste Wachstum gibt es bei kompakten Bewegungsdesigns, die darauf abzielen, manuell betätigte Funktionen zu ersetzen.

LINAK-Linearaktuatoren treiben versenkbare Fahrerkabinen-Trittleitern von Off-Highway-Geräten an und erleichtern den Arbeitern das Auf- und Absteigen in den erhöhten Kabinenbereich. Lesen Sie hier die vollständige Bewerbungsgeschichte.

Jonas Proeger • Trinamic Motion Control: Der große übergeordnete Trend, den wir sehen, ist das, was manche die vierte industrielle Revolution nennen. Daraus ergeben sich zwei wichtige Dinge:

• Immer mehr Aspekte des menschlichen Lebens werden automatisiert … darunter Funktionen, die mit großen Maschinen bedient werden, ebenso wie kleine Alltagsaufgaben.

• Softwaredefinierte Maschinen verzeichnen einen exponentiellen Anstieg der Nutzung. Ein perfektes Beispiel hierfür ist der 3D-Drucker: Mit entsprechender Software können diese Maschinen alles herstellen. Aber es geht nicht nur um 3D-Drucker … tatsächlich ermöglichen softwaredefinierte Maschinen auch neue Fertigungsanlagen, die heutzutage nicht mehr nur für ein Produkt gebaut werden … sondern vielmehr die Neuprogrammierung oder sogar Modifikation jedes hergestellten Teils entsprechend der Kundennachfrage akzeptieren – wie es die Industrie verlangt Massenanpassung.

Da Produkte und Maschinen zunehmend softwaredefiniert sind (ohne dass sich die Maschinenphysik ändert), sind wir der Meinung, dass Funktionen auf niedrigerer Ebene (z. B. Motorsteuerung und Rampenfunktion) in bewährten Bausteinen ausgeführt werden sollten, die zuverlässig funktionieren – auch wenn sich die Anwendungssoftware ändert. Das Besondere an den Angeboten von Trinamic ist die Aufteilung zwischen Hardware (bei der unsere Designs Motorsteuerungs- und Softwareaufgaben ausführen), die unsere Kunden für Kommunikationsstacks und Anwendungscode nutzen.

In der Vergangenheit wurden die meisten Aktuatoren von OEMs gebaut, die Motoren, Dreh-zu-Linear-Geräte und Kupplungen kauften und die Montage dann im eigenen Haus durchführten. Heutzutage ist die Spezifikation schlüsselfertiger elektrischer Aktuatoren die Norm für Projekte mit nur wenigen oder Tausenden von Achsen.

Im Folgenden befassen wir uns mit der Verbesserung der Programmierbarkeit elektrischer Aktuatoren (und wie Komponentenlieferanten und ihre Händler einige dieser Arbeiten unterstützen). Aber neben Trends im Zusammenhang mit I4.0 stellt Proeger von Trinamic Motion Control (oben zitiert) fest, dass weitere Aspekte des menschlichen Lebens automatisiert werden. Lesen Sie die diesem Artikel beigefügte LINAK-Anwendungsfunktion für ein Beispiel zur Verbesserung der Ergonomie von Off-Highway-Maschinen.

Andere sehen den gleichen Trend – insbesondere bei elektrischen Aktuatoren.

Dave Humblet | Leitender Anwendungsingenieur bei PBC Linear: Einige neuere Anwendungen veranschaulichen den Trend, dass immer mehr Erstausrüster Zugänglichkeits- und Wartungsmerkmale in ihre Konstruktionen mit Aktuatoren und anderen Linearbewegungskonstruktionen integrieren. In einem Fall sorgen Linearantriebe für die Kabinenbewegung einer Grabenfräse und sorgen so für die Sicht des Bedieners. Genauer gesagt verwendet dieses Design eine PBC Linear CCR16-Linearwelle und ein FLN16-Standardlinearlager in einem Kundengehäuse. Zu den Vorteilen zählen hier die Verfügbarkeit; gute Tragfähigkeit; und robustes Design.

Die linearen Servoaktuatoren IMA von Tolomatic in Standard- und Lebensmittelausführung verfügen über ein Rotordesign mit Hohlkern, sodass die Mutter der Schraube im Inneren des Rotors verlaufen kann. Dieses kompakte Paket kann die Gesamtlänge des Aktuators im Vergleich zu Standardaktuatoren verringern, da ein separater Motor, eine Motorhalterung und ein Getriebe entfallen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Tolomatic Inc.

Ein weiterer großer Trend bei elektrischen Antrieben ist ihr Einsatz als Ersatz für Pneumatikantriebe.

Peter Zafiro • LinMot USA: Die meisten Aktuatoren in der Industrie sind pneumatisch. Wer etwas anderes sagt, verbringt zu wenig Zeit in typischen automatisierten Produktionsanlagen. Selbst in nicht automatisierten Anlagen wird viel Luft verbraucht. Das heißt, es gibt noch viel Raum für elektrische Aktuatoren … diese Bewegungskomponenten werden immer einfacher zu bedienen. Das bedeutet, dass wir die Endverbraucher darüber informieren müssen, wie teuer Druckluft sein kann – selbst bei den ultragünstigen Stromtarifen, die wir in den USA haben. Außerdem müssen Sie den Lärm, die Wartung und den Aufwand einkalkulieren häufige Reparaturen.

Ein Werksleiter nutzte unser Produkt 18 Monate lang in einer exakten Kopie einer pneumatischen Anwendung. Der von uns bereitgestellte elektrische Aktuator mit Linermotor funktionierte besser als der Pneumatikzylinder und führte zu einer höheren Produktivität. Erst als wir einen hocheffizienten Kompressor hinzufügten, ein vollkommen leckagefreies Luftzufuhrsystem für den Betrieb seiner pneumatischen Zylindermaschine entwickelten, die verbrauchten Kilowattstunden maßen und diese mit der Maschine mit linearem elektrischem Antrieb verglichen, kam er akzeptierte unsere elektrische Antriebslösung. Die LinMot-Lösung verbrauchte 3 % des Stroms, den der Luftzylinder verbrauchte. Es kostete ihn weit über 5.000 US-Dollar pro Jahr, den Pneumatikzylinder mit Strom zu betreiben … der ROI für den elektrischen Austausch betrug weniger als ein Jahr.

Viele Fabriken, die Produktionsteile herstellen, erzielen Gewinnmargen von weniger als einem Cent pro Teil. Ein zusätzlicher Gewinn von 5.000 US-Dollar pro Jahr ist enorm.

Weitere Vorteile elektrischer Aktuatortechnologien gegenüber Angeboten im Bereich der Fluidtechnik sind der geringere Wartungsaufwand und die Programmierbarkeit – für die vollständige Nutzung von Sensordaten und Lastüberwachung … manchmal in Echtzeit.Dennoch gehen viele Ingenieure fälschlicherweise davon aus, dass sich die Anwendbarkeit von Pneumatik und Linearmotoren kaum überschneidet.

Saphir • LinMot: In manchen Fällen sind Linearmotoren ein direkter Ersatz für Pneumatik. Der Vorabpreisnachteil wird schnell durch niedrigere Gesamtbetriebskosten ausgeglichen. Natürlich verbrauchen nicht alle pneumatischen Anwendungen erhebliche Kilowattstunden … aber viele Anwendungen mit linearer Bewegung tun dies auf jeden Fall. Das liegt daran, dass beim Bewegen von A nach B mit angehängter Last viel Luft im Zylinder verdrängt wird.

Dennoch werden die meisten Endbenutzer immer noch nicht wechseln. Das Stigma ist, dass Linearmotoren High-End-Antriebstechnologie und Pneumatikzylinder einfach sind. Auch wenn es für manche Ingenieure übertrieben erscheint, die grundlegendste Technologie durch die ausgefeilteste zu ersetzen, ist dies in der Praxis nicht der Fall. Direktantriebssysteme weisen keine Wärmeverluste auf, die durch Kugelumlaufspindeln, Zahnräder, Riemen, Kupplungen und andere Zwischenantriebsstränge entstehen. Unsere Linearmotoren sind zudem gegen Verschmutzung abgedichtet … sogar bis zur lasergeschweißten Schutzart IP69K.

Die Realität ist, dass Linearmotoren nicht für jede Anwendung sinnvoll sind … obwohl sie für viele sinnvoll sind. Wenn Sie eine Entfernung von mehr als 100 mm mit einer Frequenz von mehr als alle 2 Sekunden bewegen und jede Art von Last angehängt ist, verbrauchen Sie sicher viel Luft. Warum also nicht auf das effizienteste System zur Punkt-zu-Punkt-Positionierung sowie Kommissionierung und Platzierung setzen?

Linearmotoren eignen sich auch hervorragend für Gewinde- und Verschlussanwendungen mit wiederholten Auf-Ab-Rotationsbewegungen, bei denen ein Rotationsmotor am Linearmotor angebracht ist.

Es gibt noch weitere Fortschritte bei mechanischen Geräten für Linearantriebe. Einige davon zielen auch auf konventionelle Fluidtechnik-Angebote ab.

Aaron Dietrich • Tolomatic: Das starke Wachstum beim Einsatz von Rollengewindetrieben ist darauf zurückzuführen, dass bei der Verdrängung der Hydraulikzylindertechnologie mehr Kraftkapazitäten bei kleineren Packungsgrößen gefordert werden. Es müssen nicht nur die Kräfte erreicht werden, sondern die Schraubentechnologie muss auch in anspruchsvollen Anwendungen eine sehr lange Lebensdauer bieten und auch Maschinenvibrationen und anderen anspruchsvollen Umgebungen standhalten.

Dave Beckstoffer | Produktmanager • Portescap: Der anhaltende Trend bei Linearantrieben geht zur Größenreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Kraftabgabe. Portescap entwickelt weiterhin neue Linearantriebe, die eine höhere Linearkraft bei gleichem Außendurchmesser ermöglichen.

Darüber hinaus können externe Linearantriebskonstruktionen zusätzliche Optionen bieten, die verschiedene Technologien nutzen – einschließlich Bürsten-Gleichstrommotoren und Getriebe. Alternative Technologien tragen dazu bei, den Durchmesser der Motorlösung zu reduzieren und bieten gleichzeitig Flexibilität bei der Steigung der Leitspindel.

Stefan Vorndran • Physik Instruments (PI): Wir sehen ein größeres Interesse an piezomotorisch angetriebenen Miniaturaktoren für Anwendungen, bei denen Platz und Leistung begrenzt sind und hohe Anforderungen an die Präzision bestehen. Piezomotoren sind kleiner und effizienter als herkömmliche Miniaturmotoren und piezomotorische Aktoren können ihre Position sehr stabil halten, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung oder eine mechanische Bremse erforderlich ist. Die geringe Antriebsgröße ermöglicht auch den Bau sehr kleiner Positioniertische.

Unabhängig vom Motor- oder mechanischen Antriebstyp sind vorgefertigte Antriebsbaugruppen heutzutage weit verbreitet. Eine kundenspezifische Anpassung für OEMs ist manchmal nützlich, wenn sich eine Achse möglicherweise schneller bewegen muss, als das Standardprodukt in der Lage ist … oder wenn die Software möglicherweise spezielle Kommunikationsanforderungen erfüllen muss.

Die Wahl zwischen dem Zusammenbau von Komponenten oder deren Integration im Voraus gibt OEMs und Endbenutzern die Kontrolle über den Zeit- und Arbeitsaufwand, den sie in Motion-Design-Aufgaben investieren … einschließlich derjenigen im Zusammenhang mit der Abstimmung und Anpassung von Motoren und Antrieben für bestimmte Anwendungen. Solche Designs führen oft zu intelligenten Aktoren, die Kabel und Anschlüsse, Potentiometer, Encoder, Controller, Relais und eingebettete Elektronik für die Vernetzung umfassen.Während Komponentenlieferanten oder deren Händler einen Teil der Aktuatorprogrammierung übernehmen, können OEMs und Endbenutzer noch mehr Unterstützung erwarten.

Dietrich • Tolomatic: Die Integration mehrerer Technologien in eine einzige modulare Bewegungssteuerungslösung hilft Maschinenkonstrukteuren, kompaktere Maschinendesigns zu erstellen. Beispielsweise ist die IMA-Produktlinie von Tolomatic eine optimierte Lösung mit aufeinander abgestimmten Komponenten. Es integriert den mechanischen Aktuator und den Servomotor in einem Aktuatormodul.

Bei integrierten Aktorlösungen hat der Maschinenkonstrukteur nur ein mechanisches Design, unabhängig von einem Servosteuerungslieferanten. Dies reduziert die Anzahl der Komponenten und macht die Montage des Motors am Aktuator überflüssig. Darüber hinaus sind die integrierten Aktorkomponenten hinsichtlich Leistung, Kosten, Größe und Gewicht optimiert.

Patrick Wheeler | Produktmanager • Aerotech: Die Steuerungstechnik geht in Richtung eingebetteter Lösungen. Das heißt immer mehr, der PC muss sich in der Anwendung bewähren … und der PC ist nicht mehr der Ausgangspunkt. Wir sehen auch einen Trend zu fortgeschritteneren Programmiersprachen gegenüber herkömmlichen IEC-Sprachen wie Kontaktplan und strukturiertem Text. Das heißt nicht, dass es weltweit eine Abkehr von der IEC gibt … aber der zunehmende Einsatz fortschrittlicher Programmierung ist ein sich abzeichnender Trend. Tatsächlich hören wir immer häufiger von Kunden, die bereit sind, neue Sprachen zu übernehmen, um Aufträge zu erledigen … obwohl sie möchten, dass die Sprache vertraut ist und sich an moderne Sprachkonstrukte hält.

Wie hilft die verstärkte Integration von Linearaktuatoren OEMs?

Dan Schmit | Produktmanager • Tolomatic: Mithilfe integrierter Aktuatoren können OEMs ihre Kunden besser unterstützen, da Bewegungsmodule einfacher ausgetauscht werden können und die Komponenten eines herkömmlichen Aktuator-Getriebe-Riemen-Systems nicht mehr auf Fehlersuche gehen müssen. Dies trägt auch dazu bei, die Anzahl der zugekauften Komponenten im Maschinendesign zu reduzieren (im Einklang mit Einkaufstrends und Best Practices). In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie erfordern Trends zu kompakteren Lösungen und offenen Maschinendesigns integrierte Aktuatoren mit Washdown-Funktion, um die Reinigungsfreundlichkeit und Maschinenzuverlässigkeit zu verbessern und ein offenes „Clean-in-Place“-Maschinendesign zu erreichen.

Allgemeine Branchentrends gehen davon aus, dass OEM-Aktivitäten die Zykluszeit und Prozesszuverlässigkeit verbessern und eine lange Lebensdauer und hohe Leistung von Aktoren erfordern. Dies wird durch die Auswahl verschiedener Schraubentechnologien (Kugel- und Rollengewindetriebe) sowie Statorwicklungen erreicht, die speziell für Kraftwiederholbarkeit und dynamische Reaktion ausgelegt sind – einschließlich schräger Wicklungen und solcher mit niedrigen elektrischen Zeitkonstanten. Durch die einfache Integration und die vielfältigen Montageoptionen können OEMs auch global agieren und das gleiche mechanische Maschinendesign (Form, Passform und Funktion) verwenden, um Kunden international mit unterschiedlichen Steuerungssystemen zu unterstützen.

Mit der Dimensionierungssoftware MOTIONEERING von Thomson Industries können Konstrukteure (unter anderem) mithilfe einer Teilenummerierungsauswahl schnell Lösungen für lineare Bewegungen finden. Auf diese Weise ist ein sofortiger Zugriff auf 3D-Modelle und technische Informationen möglich.

Auslegungssoftware und Online-Einkaufstools verändern weiterhin die Art und Weise, wie Linearantriebe in Konstruktionen eingebaut werden – ebenso wie sie die Kaufgewohnheiten der Verbraucher verändert haben.

Ein typisches Beispiel: Linearbewegungs-eTools von Bosch Rexroth (Linear Motion Designer, LinSelect und eConfigurators) helfen Benutzern, Informationen zu erhalten und dann Designs auszuwählen, zu kaufen, zu liefern, in Betrieb zu nehmen, zu betreiben und zu warten. Für Letzteres ermöglicht das Datenvisualisierungstool ActiveCockpit des Herstellers die Verfolgung von Anlagendaten in Echtzeit.

Die Art und Weise, in der jüngere Ingenieure die selbstgesteuerte Recherche bevorzugen (im Vergleich zu High-Touch-Verkaufsmodellen), trägt dazu bei, diesen Online-Einkauf und die Online-Spezifikation voranzutreiben. Auch die Konstruktionsentwicklung in aufstrebenden Märkten wie Osteuropa und China-Asien wird stark durch Online-Tools unterstützt. Natürlich unterstützt die kritische Masse in regionalen Märkten immer noch traditionelle Vertriebsansätze – insbesondere dort, wo Ingenieure mit sachkundigen Lieferantenvertretern zusammenarbeiten möchten, die persönlich vorbeikommen können.

Travis Gilmer | Produktlinienspezialist für industrielle Linearantriebe • Thomson Industries: Wir haben kürzlich unsere Online-Dimensionierungs- und Auswahltools von Linear MOTIONEERING um eine Plattform für Linearantriebe erweitert. Aufgrund der verschiedenen Produktfamiliengruppen, die sich überschneiden, war es häufig schwierig, diese Produkte für neue Anwendungen zu dimensionieren. Dies kann zu kostspieligen und zeitraubenden Fehlanwendungen führen. Deshalb haben wir uns vorgenommen, diesen Prozess zu vereinfachen, indem wir eine Liste mit etwa 20 Fragen erstellt haben, die das richtige Produkt für eine bestimmte Anwendung am genauesten identifizieren. Das Ergebnis ist ein anwendungsorientierterer Blick auf ein breites Spektrum an Funktionsoptionen, als dies Konstrukteure sonst bei einer eigenständigen Suche finden würden.

Ein Konstrukteur kann sich von seinem PC, Mobiltelefon oder Tablet aus bei unserem Self-Service-Dimensionierungstool anmelden, Echtzeitanpassungen vornehmen, anhand der definierten Parameter neu berechnen und CAD-fähige 3D-Modelle und 2D-Projektionen des Projekts herunterladen, um die Anpassung zu erleichtern maßgeschneiderte Produkte für ihre gesamten Anwendungen und Designs zu entwickeln. Darüber hinaus können sie nicht nur Projektarbeit und Dimensionierungsaufwand einsparen, sondern auch direkt auf der Plattform eine Bestellung für den Linearantrieb aufgeben.