Elektrische Stellzylinder

Exakte Position

Elektro-Stellzylinder für viele Einsatzgebiete
Blick ins Detail: Elektro-Linearstellzylinder bieten optimale Kraftausnutzung bei kompaktem Bauraum. Ein weiterer Vorteil dieses Antriebs ist die glatte Schubstange. (Fotos: A-Drive)
Wirkungsgrad, Regelbarkeit und Umweltverträglichkeit sind Argumente für den elektrischen Antrieb, der viele Bereiche des Maschinenbaus bestimmt. Aktuelle Energie- und Umweltanforderungen forcieren den Einsatz in angestammten Hydraulik- und Pneumatik-Anwendungen.

Anwendungen in der Produktion im mittleren Kraftbereich bis 20 Kilonewton und begrenzten Verfahrwegen von 100 bis 500 Millimeter werden heute fast ausschließlich mit elektrischen Antrieben gelöst. Zusätzlich zur Umweltfreundlichkeit verbessert sich das Regelverhalten. Positionierung, Geschwindigkeits- und Kraftregelung sowie einstellbare Verfahrprofile sind elektronisch auswählbar. Die hohe Reproduzierbarkeit und Regelgüte dieser mechatronischen Einheiten – Linearstellzylinder oder Linearaktoren – verbessern die Qualität der Prozesse entscheidend.

Bei den elektrischen Stellzylindern wird die Rotation des Antriebsmotors durch einen Gewindetrieb in eine Linearbewegung umgewandelt. Die gebräuchlichen mechanischen Prinzipien sind Reibgewindetriebe, Kugelgewindetriebe und Rollengewindetriebe. Reibgewindetriebe wie die Trapezgewindespindel sind im modernen Maschinenbau fast vollständig verschwunden; nur noch für Antriebsleistungen weniger als 500 Watt spielen Gleitgewinde, meist zusammen mit Schrittmotoren, eine Rolle. Für höhere Antriebsleistungen werden heute fast ausschließlich Wälzgewindetriebe eingesetzt. Hier unterscheidet man analog zu den Wälzlagern zwischen Kugelgewinde- und Rollengewindetrieben.

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Kugelgewindetriebe sind in der Dynamik durch die Kugelrückführung und durch die gegenseitige Berührung der Kugeln begrenzt. Energieeffiziente Motoren machen die Synchrontechnik erforderlich, denn nur damit lassen sich zukünftige Energie-Effizienz-Klassen erreichen. Die hohe Dynamik dieser Motoren kann leicht zu einer Überlastung des Kugelgewindetriebs führen, und es entsteht ein hohes Risiko für die Zuverlässigkeit der Antriebseinheit. Außerdem sind die Bauteile nicht immer optimal aufeinander abgestimmt.

Eine Weiterentwicklung des Kugelgewindetriebs ist der Rollengewindetrieb; zwischen Mutter und Spindel ist hier eine definierte Anzahl von Gewinderollen gleichmäßig über den Umfang verteilt. Wird die Mutter gedreht, führen die Rollen eine Planetenbewegung um die Spindel aus. Die Gewinde von Spindel und Rollen haben den gleichen Steigungswinkel, wodurch die Rollen immer die gleiche axiale Position zur Spindel behalten. Durch die hohe Zahl an Kontaktpunkten erhöht sich die Tragzahl und damit die Lebensdauer. Durch das Planetenprinzip sowie die Führung der einzelnen Rollen verbessern sich die dynamischen Eigenschaften.

Besonders gut geeignet für ein möglichst kompaktes Bauvolumen ist der patentierte invertierte Rollengewindetrieb. Hier dreht sich das Außenrohr, und es wird eine Ausführung mit glatter Kolbenstange möglich. Außerhalb des Zylinders ist kein Gewinde sichtbar. Zusätzlich ist die Kolbenstange abgedichtet, was den Einsatz in rauen Umgebungen ermöglicht. Aus einer hohen Zahl von Kontaktpunkten, geführten Rollen und dem Planetenprinzip ergibt sich ein steifer Präzisionsantrieb, der bis zu 50 Mikrometer genau positioniert und gleichförmig verfährt. Welche Genauigkeit erreicht werden kann, hängt von dem Gesamtsystem aus Mechanik, Motor, Geber und Ansteuerung sowie von der elektronischen Integration in die Maschine ab. Durch diese neuen Qualitäten des elektrischen Stellzylinders werden immer neue Einsatzfelder erschlossen – etwa bei Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen, Montage- und Prüfautomaten sowie in der Holz- oder Glasverarbeitung, Medizintechnik und Halbleiterfertigung. pb

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