Linearantrieb

Ein Linearaktuator ist ein Aktuator, der eine Bewegung in einer geraden Linie erzeugt, im Gegensatz zu der Kreisbewegung eines herkömmlichen Elektromotors. Linearaktuatoren werden in Werkzeugmaschinen und Industriemaschinen, in Computerperipheriegeräten wie Plattenlaufwerken und Druckern, in Ventilen und Dämpfern und an vielen anderen Stellen verwendet, an denen eine lineare Bewegung erforderlich ist. Hydraulische oder pneumatische Zylinder erzeugen von sich aus eine lineare Bewegung. Viele andere Mechanismen werden verwendet, um eine lineare Bewegung von einem rotierenden Motor zu erzeugen.

Typen

Mechanische Stellglieder
Mechanische Linearantriebe arbeiten typischerweise durch Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung. Die Konvertierung erfolgt üblicherweise über einige einfache Arten von Mechanismen:

Spindel: Spindel-, Spindelhub-, Kugelgewindetriebs- und Rollenantriebe arbeiten nach dem Prinzip der einfachen Maschine, der sogenannten Spindel. Durch Drehen der Stellmutter bewegt sich die Spindelwelle in einer Reihe.
Rad und Achse: Hubwerk, Winde, Zahnstange, Kettenantrieb, Riemenantrieb, starre Kette und starre Riemenantriebe arbeiten nach dem Prinzip von Rad und Achse. Ein sich drehendes Rad bewegt ein Kabel, eine Zahnstange, eine Kette oder einen Riemen, um eine lineare Bewegung zu erzeugen.
Nocken: Nockenantriebe funktionieren nach dem Prinzip des Keils, bieten jedoch einen relativ begrenzten Hub. Wenn sich ein radartiger Nocken dreht, sorgt seine exzentrische Form für einen Schub an der Basis einer Welle.
Einige mechanische Linearantriebe ziehen nur wie Hebezeuge, Kettenantrieb und Riemenantriebe.Andere drücken nur (z. B. ein Nockenantrieb). Pneumatische und hydraulische Zylinder oder Leitspindeln können so konstruiert sein, dass sie in beide Richtungen eine Kraft erzeugen.

Mechanische Stellglieder wandeln normalerweise die Drehbewegung eines Bedienknopfs oder Griffs in eine lineare Verschiebung über Schrauben und / oder Zahnräder um, an denen der Knopf oder Griff befestigt ist. Eine Stellschraube oder ein Wagenheber ist ein bekanntes mechanisches Stellglied. Eine weitere Familie von Aktuatoren basiert auf der segmentierten Spindel. Die Drehung des Hebebügels wird mechanisch in die lineare Bewegung des Hebekopfs umgewandelt.Mechanische Stellglieder werden auch häufig auf dem Gebiet der Laser und der Optik verwendet, um die Position von Linearstufen, Drehtischen, Spiegelhalterungen, Goniometern und anderen Positionierungsinstrumenten zu manipulieren. Zur genauen und wiederholbaren Positionierung können Indexmarken für Bedienknöpfe verwendet werden. Einige Stellantriebe enthalten einen Encoder und eine digitale Positionsanzeige. Diese ähneln den Einstellschrauben, die auf Mikrometern verwendet werden. Sie dienen jedoch nicht zur Positionsmessung, sondern zur Positionsanpassung.

Hydraulische Stellantriebe
Bei hydraulischen Stellgliedern oder Hydraulikzylindern handelt es sich typischerweise um einen Hohlzylinder, in den ein Kolben eingesetzt ist. Ein unausgeglichener Druck, der auf den Kolben wirkt, erzeugt eine Kraft, die ein externes Objekt bewegen kann. Da Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind, kann ein Hydraulikzylinder eine kontrollierte lineare Verschiebung des Kolbens ermöglichen.Die Verschiebung erfolgt nur entlang der Kolbenachse. Ein bekanntes Beispiel eines manuell betätigten hydraulischen Stellglieds ist ein hydraulischer Wagenheber. Typischerweise bezieht sich der Begriff “hydraulischer Aktuator” auf eine Vorrichtung, die von einer Hydraulikpumpe gesteuert wird.

Pneumatische Stellantriebe
Pneumatische Aktuatoren oder Pneumatikzylinder sind hydraulischen Aktuatoren ähnlich, außer dass sie komprimiertes Gas verwenden, um Kraft anstelle von Flüssigkeit zu erzeugen. Sie arbeiten ähnlich wie ein Kolben, bei dem Luft in eine Kammer gepumpt und aus der anderen Seite der Kammer herausgedrückt wird. Luftstellglieder werden nicht unbedingt für schwere Maschinen und Fälle verwendet, in denen große Gewichtsmengen vorhanden sind. Pneumatische Linearantriebe werden anderen Typen vorgezogen, weil die Stromquelle einfach ein Luftkompressor ist. Da Luft die Eingangsquelle ist, können pneumatische Stellantriebe an vielen Stellen mechanischer Aktivität eingesetzt werden. Der Nachteil ist, dass die meisten Luftkompressoren groß, sperrig und laut sind.Sie sind schwer zu anderen Bereichen zu transportieren, sobald sie installiert sind. Pneumatische Linearantriebe lecken wahrscheinlich und sind daher weniger effizient als mechanische Linearantriebe.

Piezoelektrische Aktoren
Der piezoelektrische Effekt ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien, bei denen das Anlegen einer Spannung an das Material eine Ausdehnung bewirkt. Sehr hohe Spannungen entsprechen nur winzigen Ausdehnungen. Piezoaktoren können dadurch eine extrem feine Positionierungsauflösung erreichen, haben aber auch einen sehr kurzen Bewegungsbereich. Darüber hinaus weisen piezoelektrische Materialien eine Hysterese auf, die es schwierig macht, ihre Expansion auf wiederholbare Weise zu steuern.

Verdrehte und gewickelte Polymeraktoren (TCP)
Ein verdrehter und gewickelter Polymeraktuator (TCP-Aktuator), der auch als Super Coiled Polymer-Aktor (SCP-Aktuator) bekannt ist, ist ein gewendeltes Polymer, das durch elektrische Energie betätigt werden kann. Ein TCP-Aktuator sieht aus wie eine Schraubenfeder. TCP-Aktuatoren werden normalerweise aus silberbeschichtetem Nylon hergestellt. TCP-Aktuatoren können auch aus anderen elektrisch leitfähigen Schichten wie Gold hergestellt werden. Der TCP-Aktuator sollte unter Last stehen, damit der msucle ausgefahren bleibt. Die elektrische Energie wird durch den elektrischen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt, die auch als Joule-Heizung, Ohmsche Heizung und Widerstandsheizung bezeichnet wird. Wenn sich die Temperatur des TCP-Aktuators durch Joulesche Erwärmung erhöht, zieht sich das Polymer zusammen und bewirkt eine Kontraktion des Aktuators.

Elektromechanische Stellglieder
Elektromechanische Stellglieder sind mechanischen Stellgliedern ähnlich, außer dass der Bedienknopf oder Griff durch einen Elektromotor ersetzt wird. Die Drehbewegung des Motors wird in eine lineare Verschiebung umgewandelt. Moderne Linearantriebe gibt es in vielen Ausführungen, und jedes Unternehmen, das sie herstellt, neigt zu einer proprietären Methode. Das Folgende ist eine verallgemeinerte Beschreibung eines sehr einfachen elektromechanischen Linearaktuators.

Vereinfachtes Design
Typischerweise ist ein Elektromotor mechanisch verbunden, um eine Leitspindel zu drehen. Eine Gewindespindel hat ein umlaufendes spiralförmiges Gewinde, das entlang der Länge bearbeitet ist (ähnlich dem Gewinde eines Bolzens). Auf die Gewindespindel ist eine Gewindemutter oder eine Kugelmutter mit entsprechenden Schraubengewinden aufgeschraubt. Es wird verhindert, dass sich die Mutter mit der Leitspindel dreht (normalerweise ist die Mutter mit einem nicht drehenden Teil des Stellgliedkörpers verriegelt). Wenn die Leitspindel gedreht wird, wird die Mutter daher entlang des Gewindes getrieben. Die Bewegungsrichtung der Mutter hängt von der Drehrichtung der Leitspindel ab. Durch das Verbinden von Gestängen mit der Mutter kann die Bewegung in eine nutzbare lineare Verschiebung umgewandelt werden. Die meisten aktuellen Stellantriebe sind für hohe Geschwindigkeit, hohe Kraft oder einen Kompromiss zwischen den beiden gebaut. Wenn Sie einen Aktuator für eine bestimmte Anwendung in Betracht ziehen, sind die wichtigsten Spezifikationen normalerweise Hub, Geschwindigkeit, Kraft, Genauigkeit und Lebensdauer. Die meisten Varianten sind an Dämpfern oder Absperrklappen montiert.

Es gibt viele Arten von Motoren, die in einem linearen Aktuatorsystem verwendet werden können.Dazu gehören Gleichstrombürste, bürstenlose Gleichstrom-, Schritt- oder in einigen Fällen sogar Induktionsmotoren. Es hängt alles von den Anwendungsanforderungen und den Lasten ab, mit denen der Stellantrieb bewegt werden soll. Beispielsweise kann ein Linearaktuator, der einen AC-Induktionsmotor mit integrierter PS-Leistung verwendet, der eine Leitspindel antreibt, zum Betreiben eines großen Ventils in einer Raffinerie verwendet werden. In diesem Fall sind Genauigkeit und hohe Bewegungsauflösung nicht erforderlich, aber hohe Kraft und Geschwindigkeit. Für elektromechanische Linearaktuatoren, die in Laborinstrumentierungsrobotik, optischen Geräten, Lasergeräten oder XY-Tischen verwendet werden, kann die Feinauflösung im Mikrometerbereich und die hohe Genauigkeit die Verwendung eines Schrittmotor-Linearantriebs mit fraktionalem PS-Schrittmotor und einer Feinsteigungsspindel erfordern. Das elektromechanische Linearaktuatorsystem weist viele Variationen auf. Es ist äußerst wichtig, die Designanforderungen und Anwendungsbeschränkungen zu kennen, um zu wissen, welche am besten ist.

Standard gegen kompakte Bauweise
Bei einem Linearantrieb, der Standardmotoren verwendet, wird der Motor normalerweise als separater Zylinder an der Seite des Stellantriebs angebracht, entweder parallel zum Stellantrieb oder senkrecht zum Stellantrieb. Der Motor kann am Ende des Stellglieds befestigt sein. Der Antriebsmotor hat eine typische Konstruktion mit einer festen Antriebswelle, die auf die Antriebsmutter oder die Antriebsschraube des Stellantriebs ausgerichtet ist.

Kompakte Linearantriebe verwenden speziell entwickelte Motoren, die versuchen, den Motor und den Antrieb in die kleinstmögliche Form zu bringen.

Der Innendurchmesser der Motorwelle kann vergrößert werden, so dass die Antriebswelle hohl sein kann. Die Antriebsschraube und die Mutter können daher die Mitte des Motors einnehmen, ohne dass ein zusätzliches Getriebe zwischen dem Motor und der Antriebsschraube erforderlich ist.
In ähnlicher Weise kann der Motor so gestaltet werden, dass er einen sehr kleinen Außendurchmesser hat, aber stattdessen sind die Polflächen der Länge nach gestreckt, so dass der Motor immer noch ein sehr hohes Drehmoment haben kann, wenn er in einen Raum mit kleinem Durchmesser eingesetzt wird.
Prinzipien
Bei den meisten Konstruktionen von Linearantrieben ist das grundlegende Funktionsprinzip das einer geneigten Ebene. Die Gewinde einer Gewindespindel wirken als durchgehende Rampe, die es ermöglicht, eine kleine Rotationskraft über eine große Entfernung zu verwenden, um eine Bewegung einer großen Last über eine kurze Distanz zu erreichen.

Variationen
Es wurden viele Variationen des Grunddesigns erstellt. Die meisten konzentrieren sich auf allgemeine Verbesserungen wie einen höheren mechanischen Wirkungsgrad, höhere Geschwindigkeit oder Belastbarkeit. Es gibt auch eine große technische Bewegung in Richtung Aktuatorminiaturisierung.

Die meisten elektromechanischen Konstruktionen enthalten eine Leitspindel und eine Leitmutter.Einige verwenden eine Kugelumlaufspindel und eine Kugelumlaufmutter. In jedem Fall kann die Schraube entweder direkt oder über eine Reihe von Zahnrädern mit einem Motor- oder Handsteuerknopf verbunden werden. Zahnräder werden typischerweise verwendet, um zu ermöglichen, dass ein kleinerer (und schwächerer) Motor mit einer höheren Drehzahl gedreht wird, um das Drehmoment bereitzustellen, das zum Drehen der Schraube unter einer höheren Last erforderlich ist, als der Motor sonst direkt fahren kann. In der Tat opfert dies die Aktuatorgeschwindigkeit zugunsten eines erhöhten Aktuatorschubs. In einigen Anwendungen ist die Verwendung eines Schneckengetriebes üblich, da dies eine kleinere eingebaute Abmessung ermöglicht, die dennoch eine große Verfahrlänge ermöglicht.

Ein Linearstellglied mit beweglicher Mutter hat einen Motor, der an einem Ende der Leitspindel befestigt ist (möglicherweise indirekt durch ein Getriebe), der Motor dreht die Leitspindel, und die Leitungsmutter kann sich nicht drehen, so dass sie sich auf und ab bewegt Leitspindel.

Ein Hubspindel-Linearantrieb hat eine Gewindespindel, die vollständig durch den Motor verläuft. Bei einem Hubspindel-Linearantrieb “kriecht” der Motor eine Leitspindel auf und ab, die sich nicht dreht.Die einzigen drehenden Teile befinden sich im Motor und sind von außen möglicherweise nicht sichtbar.

Einige Gewindespindeln haben mehrere Starts. Das heißt, sie haben mehrere Gewinde, die sich auf derselben Welle abwechseln. Eine Möglichkeit, dies zu visualisieren, besteht im Vergleich zu den mehreren Farbstreifen an einer Zuckerstange. Dies ermöglicht eine größere Anpassung zwischen Gewindesteigung und Gewindekontaktbereich, die die Ausfahrgeschwindigkeit bzw. die Lastaufnahmefähigkeit (der Gewinde) bestimmt.

Statische Tragfähigkeit
Lineare Schraubenstellglieder können eine statische Tragfähigkeit haben, dh wenn der Motor stoppt, rastet der Stellantrieb im Wesentlichen ein und kann eine Last tragen, die entweder den Stellantrieb zieht oder drückt. Diese statische Tragfähigkeit erhöht die Beweglichkeit und Geschwindigkeit.

Die Bremskraft des Stellglieds variiert mit der Winkelteilung der Schraubengewinde und der spezifischen Gestaltung der Gewinde. Acme-Gewinde haben eine sehr hohe statische Tragfähigkeit, während Kugelgewindetriebe eine extrem geringe Tragfähigkeit haben und nahezu frei schwebend sein können.

Im Allgemeinen ist es nicht möglich, die statische Belastbarkeit von Schraubenaktuatoren ohne zusätzliche Technologie zu variieren. Die Schraubengewindesteigung und die Antriebsmutter definieren eine bestimmte Belastbarkeit, die nicht dynamisch eingestellt werden kann.

In einigen Fällen kann Schmierfett mit hoher Viskosität zu linearen Schraubenaktuatoren hinzugefügt werden, um die statische Belastung zu erhöhen. Einige Hersteller verwenden dies, um die Last für bestimmte Anforderungen zu ändern.

Statische Belastbarkeit kann einem linearen Schraubenantrieb mithilfe eines elektromagnetischen Bremssystems hinzugefügt werden, das Reibung auf die sich drehende Antriebsmutter ausübt. Zum Beispiel kann eine Feder verwendet werden, um Bremsklötze an der Antriebsmutter anzubringen, die sie in Position hält, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Wenn der Stellantrieb bewegt werden muss, wirkt ein Elektromagnet der Feder entgegen und löst die Bremskraft auf die Antriebsmutter.

In ähnlicher Weise kann ein elektromagnetischer Ratschenmechanismus mit einem linearen Schraubenaktuator verwendet werden, so dass das Antriebssystem, das eine Last anhebt, in seiner Position einrastet, wenn die Stromversorgung des Aktuators abgeschaltet wird. Zum Absenken des Stellglieds wirkt ein Elektromagnet der Federkraft entgegen und entriegelt die Ratsche.

Dynamische Belastbarkeit
Dynamische Belastbarkeit wird typischerweise als die Kraft bezeichnet, die der Linearantrieb während des Betriebs bereitstellen kann. Diese Kraft variiert mit dem Schraubentyp (die die Reibung einschränkende Bewegung) und dem die Bewegung antreibenden Motor. Die dynamische Belastung ist die Zahl, nach der die meisten Stellantriebe klassifiziert werden, und ist ein guter Hinweis darauf, für welche Anwendungen sie am besten geeignet sind.

Geschwindigkeitskontrolle
In den meisten Fällen, wenn ein elektromechanischer Aktuator verwendet wird, ist es bevorzugt, eine Art Geschwindigkeitssteuerung zu haben. Solche Steuerungen variieren die an den Motor angelegte Spannung, was wiederum die Geschwindigkeit ändert, mit der sich die Leitspindel dreht. Das Einstellen der Getriebeübersetzung ist eine weitere Möglichkeit, die Geschwindigkeit anzupassen.Einige Stellantriebe sind mit verschiedenen Getriebeoptionen erhältlich.

Auslastungsgrad
Der Arbeitszyklus eines Motors bezieht sich auf die Zeit, die der Stellantrieb betrieben werden kann, bevor er sich abkühlen muss. Die Einhaltung dieser Richtlinie beim Betreiben eines Stellantriebs ist der Schlüssel zu Langlebigkeit und Leistung. Wenn die Einschaltdauer überschritten wird, besteht die Gefahr von Überhitzung, Leistungsverlust und eventueller Verbrennung des Motors.

Linearmotoren
Ein Linearmotor ist funktionell der gleiche wie ein rotierender Elektromotor, wobei die kreisförmigen Magnetfeldkomponenten des Rotors und des Stators in einer geraden Linie angeordnet sind. Wo ein Drehmotor sich drehen und die gleichen Magnetpolflächen wieder verwenden würde, wiederholen sich die Magnetfeldstrukturen eines Linearmotors über die Länge des Stellglieds.

Da sich der Motor linear bewegt, ist keine Leitspindel erforderlich, um die Drehbewegung in eine lineare umzuwandeln. Während eine hohe Kapazität möglich ist, werden die Material- und / oder Motorbeschränkungen bei den meisten Konstruktionen relativ schnell überschritten, da sie sich ausschließlich auf magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte verlassen. Die meisten Linearmotoren haben im Vergleich zu anderen Arten von Linearantrieben eine geringe Tragfähigkeit.Linearmotoren haben in Außenbereichen oder in schmutzigen Umgebungen den Vorteil, dass die beiden Hälften nicht miteinander in Kontakt treten müssen. Daher können die elektromagnetischen Antriebsspulen wasserdicht und gegen Feuchtigkeit und Korrosion abgedichtet werden, was eine sehr lange Lebensdauer ermöglicht.

Teleskop-Linearantrieb
Teleskop-Linearantriebe sind spezialisierte Linearantriebe, die bei beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden. Ihr Bewegungsbereich ist um ein Vielfaches größer als die nicht ausgedehnte Länge des Betätigungselements.

Eine gebräuchliche Form besteht aus konzentrischen Rohren von ungefähr gleicher Länge, die sich wie Hülsen wie ein Teleskopzylinder ineinander erstrecken und einfahren.

Andere spezialisierte Teleskopaktuatoren verwenden Betätigungselemente, die im ausgefahrenen Zustand als starre lineare Wellen wirken, diese Linie jedoch brechen, indem sie gefaltet, in Stücke zerlegt und / oder sich beim Zurückziehen abwickeln. Beispiele für Teleskop-Linearantriebe sind:

Helical Band Aktuator
Starrer Riemenantrieb
Starre Kettenbetätigung
Segmentierte Spindel

Vorteile und Nachteile

Stellgliedtyp Vorteile Nachteile
Mechanisch Billig. Wiederholbar. Keine Stromquelle erforderlich. In sich geschlossen.Identisches Verhalten beim Ausfahren oder Einfahren. Nur manuelle Bedienung. Keine Automatisierung
Elektromechanisch Billig. Wiederholbar. Der Betrieb kann automatisiert werden. In sich geschlossen. Identisches Verhalten beim Ausfahren oder Einfahren.Gleichstrom- oder Schrittmotoren.Positionsrückmeldung möglich. Viele bewegliche Teile neigen zum Verschleiß.
Linearmotor Einfaches Design. Minimum beweglicher Teile. Hohe Geschwindigkeiten möglich.In sich geschlossen. Identisches Verhalten beim Ausfahren oder Einfahren. Geringe bis mittlere Kraft.
Piezoelektrisch Bei hohen Geschwindigkeiten sind sehr kleine Bewegungen möglich. Verbraucht kaum Strom. Kurzer Weg, sofern nicht mechanisch verstärkt.Hohe Spannungen erforderlich, typischerweise 24 V oder mehr. Teuer und zerbrechlich. Nur in der Kompression gut, nicht in der Spannung.Wird normalerweise für Einspritzventile verwendet.
Verdrehtes und aufgewickeltes Polymer (TCP) leicht, einfach Niedriger Wirkungsgrad, hohe Temperatur, nur Kontraktion
Hydraulisch Sehr hohe Kräfte möglich. Relativ hohes Verhältnis von Leistung zu Größe (oder Leistungsdichte). Kann lecken. Erfordert Positionsrückmeldung zur Wiederholbarkeit. Externe Hydraulikpumpe erforderlich. Einige Designs sind nur in der Komprimierung gut.
Pneumatisch Stark, leicht, einfach, schnell. Präzise Positionskontrolle nur bei Vollstopps möglich
Wachsmotor Reibungslosen Betrieb. Nicht so zuverlässig wie andere Methoden.
Segmentierte Spindel Sehr kompakt Bewegungsbereich größer als Stellgliedlänge. Sowohl lineare als auch drehende Bewegungen.
Bewegliche Spule Kraft, Position und Geschwindigkeit sind steuerbar und wiederholbar. Hohe Geschwindigkeiten und präzise Positionierung möglich. Lineare, rotierende und lineare + rotierende Aktionen möglich. Erfordert Positionsrückmeldung, um wiederholbar zu sein.
MICA (beweglicher Eisenantrieb) Hohe Kraft und kontrollierbar. Höhere Kraft und weniger Verluste als sich bewegende Spulen. Verluste leicht zu zerstreuen. Elektronischer Treiber, einfach zu entwerfen und einzurichten. Hub auf wenige Millimeter begrenzt, weniger Linearität als sich bewegende Spulen.