Spezifizierung eines Linearaktuators: 3 Schlüsselfaktoren

Jun 17, 2023

17. November 2021 von Mark Allinson Hinterlasse einen Kommentar

Von Japh Humphries, UK Sales & Commercial Manager, Matara UK

Lineare Bewegungssysteme sind in einer Vielzahl von Branchen geschäftskritisch, von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben bis hin zu Halbleiterherstellern und Verpackungsherstellern, um nur einige zu nennen.

Eigentlich praktisch überall dort, wo es darum geht, Lasten wirtschaftlich, geradlinig, sicher und präzise zu bewegen.

Diese Systeme haben eine verbesserte Automatisierung bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten, was sie von unschätzbarem Wert macht.

Linearantriebe sind das Herzstück eines linearen Bewegungssystems und vereinen Linearführungen und Kraftübertragungskomponenten in einer einzigen Einheit.

Während Maschinenbauer sich dafür entscheiden können, diese Elemente selbst zu entwerfen und zu produzieren, entscheiden sich die meisten für serienmäßige, „fertige“ Linearaktuatoren, da sie die Gesamtkosten für Maschinendesign und -fertigung senken und sie über eine anwendungserprobte und optimierte Konstruktion verfügen , sind äußerst zuverlässig, genau und bieten Wiederholbarkeit; All dies ist von zentraler Bedeutung für Produktionsmaschinen und Automatisierungssysteme.

Während es wichtig ist, alle Komponenten eines linearen Bewegungssystems einzeln und als Ganzes zu betrachten, ist die Wahl des richtigen Linearantriebs – Riemenantrieb, Kugelumlaufspindelantrieb oder elektrischer Stabantrieb – von grundlegender Bedeutung. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die berücksichtigt werden sollten, aber drei davon sind den anderen um Längen überlegen und entscheiden über den Erfolg oder Misserfolg eines Systems.

Schlüsselfaktor 1: Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit des jeweiligen Prozesses wirkt sich auf die Langlebigkeit und Effizienz des Aktuators aus.

Bei Hublängen unter einem Meter erreicht ein Kugelumlaufspindel-Linearantrieb in der Regel eine Geschwindigkeit von etwa 0,35 bis 1,5 m/s. Durch das Hinzufügen von Stützen zur Baugruppe können jedoch höhere Geschwindigkeiten und größere Längen erreicht werden.

Dies bringt Sie jedoch nur so weit, dass ein Kugelumlaufspindelantrieb bei hohen Geschwindigkeiten anfällig für „Spindelpeitschen“ sein kann, bei dem die Spindel beim Drehen vibriert und sich verbiegt. Mit der Zeit kann sich dies negativ auf die Leistung des Aktuators auswirken, was zu vorzeitigem Verschleiß und einer Verkürzung seiner Lebensdauer führt.

Es gibt zwar keinen allgemeingültigen Grenzwert, ab dem ein Linearantrieb mit Kugelumlaufspindel keine Option mehr ist, aber er hängt sehr stark von einer Reihe von Faktoren ab, darunter den Abmessungen und dem Material der Spindel sowie der Verwendung und Umgebung der Antriebe – wenn Sie Möchten Sie höhere Geschwindigkeiten erreichen, bis zu 3 m/s, dann sollte über einen Riemenantrieb nachgedacht werden.

Riemenantriebe bieten eine bessere Leistung bei höheren Geschwindigkeiten und auch bei Anwendungen, die einen langen Hub erfordern. Das bringt uns zu unserem nächsten Schlüsselfaktor.

Schlüsselfaktor 2: Hublänge

Unter der Hublänge versteht man die Strecke, die der Linearantrieb benötigt, um eine Last in eine Richtung zu bewegen.

Linearantriebe mit Kugelumlaufspindel sind in der Regel für eine Hublänge von etwa 1.000 mm ausgelegt, kleinere und größere Längen können jedoch beispielsweise durch die Verwendung von Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern abgedeckt werden.

Für Hublängen über 54.000 mm würden wir jedoch niemals einen Kugelgewindetrieb empfehlen. Für größere Hublängen sind Aktuatoren mit Riemenantrieb die bessere Option. Bei Matara sind wir in der Lage, Linearantriebe mit Hublängen von 100 mm bis 6.700 mm herzustellen.

Einer der wichtigsten Aspekte bei der Betrachtung der Hublänge, der allzu oft übersehen wird, ist der Sicherheitshub.

Der Sicherheitshub ist ein Spielraum, der dem Aktuator Raum gibt, bis zum Stillstand auszulaufen, wenn ein Notstopp des Systems erforderlich ist. Dadurch wird verhindert, dass der Lagertisch (und die Last) gegen die Enden des Aktuators stoßen, was zu Schäden führen kann.

Auch wenn Notstopps in Ihrem speziellen Prozess selten sind, empfiehlt es sich dennoch, einen Sicherheitshub einzukalkulieren, da Linearaktuatoren nicht dafür ausgelegt sind, ständig auf einen harten Anschlag zu stoßen, da dies zu Verschleiß im Innenleben des Aktuators führen kann im Laufe der Zeit.

Um den Sicherheitshub zu berechnen, geben Sie bei riemengetriebenen Aktuatoren einen Abstand an, der zwei Umdrehungen des Motors an jedem Ende des Aktuators entspricht (oder insgesamt vier Umdrehungen). Bei Antrieben mit Kugelumlaufspindel ist die doppelte Steigung der Kugelumlaufspindel zugrunde zu legen. Möglicherweise müssen noch andere Faktoren berücksichtigt werden, aber diese Berechnung ist ein guter Ausgangspunkt.

Schlüsselfaktor 3: Laden

Die Hublänge wirkt sich auf die Geschwindigkeit aus und umgekehrt, aber die Last hat einen direkten Einfluss auf beide.

Jeder, der in einer Ingenieurstätigkeit tätig ist, weiß, wie wichtig die Tragfähigkeit einer Struktur ist, und lineare Bewegungssysteme sind in dieser Hinsicht nicht anders. Wenn Sie die Last falsch einschätzen, kommt es im besten Fall zu einem Präzisionsverlust, im schlimmsten Fall droht jedoch ein katastrophaler Ausfall mit Schäden an der Antriebsbaugruppe und dem Produkt sowie ein potenziell ernstes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko.

Der Unterschied zwischen linearen Bewegungssystemen und vielen anderen Tragfähigkeitsberechnungen besteht darin, dass sie auf der dynamischen Tragfähigkeit basieren müssen. Im Gegensatz zur statischen Last, bei der es sich um die Belastung des Aktuators handelt, wenn er sich in einer festen Position befindet, handelt es sich bei einer dynamischen Last um die Belastung, die der Aktuator im Betrieb und in der Bewegung aushält. Mit anderen Worten, wie viel Arbeit kann die Maschine tatsächlich leisten; wie viel kann geschoben oder gezogen werden.

Sie müssen bei der Berechnung sowohl die radiale und axiale Tragfähigkeit als auch die Momententragfähigkeit des Stützschlittens berücksichtigen. Die Position der Last im Hinblick auf ihre Größe (einschließlich eventueller Überstände) sowie die Ausrichtung, in der die Last bewegt wird, sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb können im Allgemeinen höhere Lasten bewegen und werden häufig bei Anwendungen eingesetzt, die eine Bewegung auf einer vertikalen Achse erfordern, beispielsweise bei Portalrobotern. Bei vertikaler Achsenbewegung sollte auf einen Riemenaktuator weitgehend verzichtet werden, da die Gefahr besteht, dass der Riemen aufgrund der Spannung reißt.

Allerdings können riemengetriebene Aktuatoren „verstärkt“ werden, um höhere dynamische Tragzahlen zu erreichen, indem lineare Schienen und Schlitten als externe Führungen verwendet werden. Linearschienen verfügen über zwei parallele Schienen, die Rollen enthalten, um eine sich bewegende Last zu tragen und eine von einem Aktuator zwischen zwei Punkten getragene Last zu führen und zu stützen.

Linearschienen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt und können Lasten transportieren, die von extrem leichten elektronischen Bauteilen bis hin zu großen Lasten mit einem Gewicht von mehreren Tausend Kilogramm in der Schwerindustrie reichen.

Letztendlich wird die Wahl des Linearantriebs von allen drei Faktoren beeinflusst und davon, welcher Faktor für die zu entwerfende Maschine und den Prozess, für den sie bestimmt ist, Vorrang hat. Es müssen auch andere Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Richtung, in der Ihr Aktuator montiert wird, Genauigkeit und Wiederholbarkeit, Wartungsanforderungen und die Betriebsumgebung. Aber ohne die großen drei – Geschwindigkeit, Hublänge, Tragfähigkeit – zu berücksichtigen, spielt keiner der anderen eine Rolle.

Matara entwickelt und fertigt eine Reihe pneumatischer und linearer Automatisierungsprodukte, einschließlich linearer Schienenantriebe. Die Produkte sind ab Lager verfügbar oder können auf Bestellung individuell angefertigt werden.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns:

https://www.matara.com/products/actuator-systems/linear-actuators/[email protected]: +44 (0)1684 850000

Über den Autor: Japh Humphries ist UK Sales & Commercial Manager bei Matara UK Limited mit Sitz im Tewkesbury Business Park, England, Vereinigtes Königreich.

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