Das Grundprinzip von elektrischen Zylindern besteht darin, durch Umwandlung der Drehbewegung eines Antriebselements in eine lineare Bewegung nutzbare Arbeit zu verrichten. Die verschiedenen Modelle elektrischer Zylinder unterscheiden sich hinsichtlich des Motortyps, der die Drehbewegung erzeugt, des Spindeltyps, der die lineare Bewegung ermöglicht, und der Verbindungsarten, die diese beiden Komponenten miteinander verbinden.
Elektrische Zylinder werden aufgrund ihrer Anwendungsbereiche häufig mit pneumatischen Zylindern verglichen. Dieser Vergleich lässt sich mitunter auch auf Hydraulikzylinder übertragen. Alle drei Systeme weisen je nach ihren Eigenschaften Vor- und Nachteile auf. Anwender sollten diese Aspekte bei der Produktauswahl für ihre Anwendung berücksichtigen. Elektrische Aktuatoren finden Anwendung im Maschinenbau, in der Automobilindustrie und deren Zulieferern, in der Lebensmittel-, Textil-, Verpackungs- und Medizintechnik, in Prüfgeräten, in der Robotik und in der Elektronik. Elektrische Zylinder unterscheiden sich von anderen Systemen durch ihre mechanische Struktur. Die Bewegung wird durch eine in einem Gehäuse befindliche Gewindespindel erzeugt. Die Kugelumlaufspindel ermöglicht die Kraftübertragung, indem sie die vom Motor erzeugte Drehbewegung in eine Linearbewegung umwandelt. Je nach den in elektrischen Zylindern verwendeten mechanischen Komponenten und dem Motortyp werden hohe Positioniergenauigkeit, Drehzahlregelung und Kraftregelung erreicht.

Elektrische Zylinderstruktur

Die elektrische Zylinderstruktur besteht im Wesentlichen aus drei Hauptelementen. Da der Zylinderteil separat betrachtet werden kann, wird der Motor im Allgemeinen als integriertes System angesehen.

1. Zylinder

Der Zylinder ist das Element, das die Arbeit verrichtet, indem er die vom Motor erzeugte Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt. Je nach verwendetem mechanischen Produkt variieren die maximale Belastbarkeit, die Positioniergenauigkeit, die maximale Drehzahl und der maximale Hub des Zylinders.

2. Motoranschlussadapter

Dies ist der Mechanismus, der die Motorbewegung auf den Zylinder überträgt. Er ist zwischen Zylinder und Motor angeschlossen. Je nach Anwendung kann der Motor entweder axial oder parallel zum Zylinder montiert sein.

3. Motor

Der Motor ist die Hauptenergiequelle des Zylinders. Er versetzt den Zylinder in Bewegung. Elektrische Zylinder können mit Servomotoren, Schrittmotoren, Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren kombiniert werden.
Die von einem Elektrozylinder mit integriertem Servomotor ausgeübte Kraft lässt sich ohne externe Geräte steuern. Mit einem Elektrozylinder in Kombination mit einem Servomotor ist eine hochpräzise Positionierung in mehreren Positionen möglich. Es kann eine Rückmeldung über die erreichte Position gegeben werden. Geschwindigkeit und Beschleunigung des Elektrozylinders lassen sich während des Prozesses anpassen. Alle diese Vorgänge können über eine SPS gesteuert werden. Für andere Antriebsarten sind diese Vorgänge durch den Einsatz externer Geräte (Sensoren, Linearmaßstab etc.) möglich.

Merkmale des elektrischen Zylinders

1. Positionssteuerung mit elektrischem Zylinder

Mit elektrischen Zylindern ist eine präzise Positionierung in mehreren Positionen möglich. Die Positioniergenauigkeit des elektrischen Zylinders hängt von der Präzision der verwendeten Kugelumlaufspindel und des Positionssensors ab. Der Zylinder durchfährt bei jeder Motorumdrehung den Schritt der Kugelumlaufspindel. Sobald die Bewegung stoppt, ist der Zylinder positioniert. Durch Steuerung des Vorschubs der Kugelumlaufspindel kann der Zylinder in die gewünschte Position gebracht werden.
Während mit Kugelgewindetrieben in elektrischen Zylindern eine Positioniergenauigkeit von 0,02 mm erreicht werden kann, liegt dieser Wert bei Verwendung von Trapezgewindetrieben in der Größenordnung von 0,1 mm. Die Wahl des Positionserfassungselements (Encoder, Linearmaßstab usw.) muss den gewünschten Positioniergenauigkeitswerten entsprechen.
Durch einen in einen Servomotor integrierten Elektrozylinder lassen sich Positionsinformationen ohne externe Komponenten erfassen. Diese Informationen können verarbeitet und ausgewertet werden. Der Zylinder fährt nach einer kurzen Verweildauer in der ersten Position in die zweite Position. Die Anzahl der Positionen ist nicht auf zwei beschränkt, sondern kann erhöht werden.
Werden elektrische Zylinder mit Motoren verwendet, die keinen internen Positionssensor besitzen, ist externe Ausrüstung zur Positionsregelung erforderlich. Die Positionierung erfolgt durch Steuerung der Zylinderbewegung mithilfe der von der externen Ausrüstung empfangenen Positionsinformationen.

2. Geschwindigkeitsregelung mit elektrischem Zylinder

Die Geschwindigkeit des elektrischen Zylinders hängt von der Steigung der Kugelumlaufspindel und der Motordrehzahl ab. Sie lässt sich durch die Änderung der Umdrehungszahl der Kugelumlaufspindel steuern. Durch die Anpassung der Motordrehzahl während der Bewegung kann die Geschwindigkeit verändert werden. Zeitverluste lassen sich durch die anwendungsspezifische Anpassung der Beschleunigung minimieren. Der Zylinder fährt zunächst mit geringerer Geschwindigkeit in seine Ausgangsposition und beschleunigt anschließend nach einer gewissen Zeit zur Zielposition.

3. Elektrische Zylinderbeschleunigungssteuerung

Durch die Anpassung der Beschleunigungs- und Verzögerungswerte des im Elektrozylinder integrierten Motors lässt sich die Zylinderbeschleunigung steuern. Dies verhindert riskante Anfahr- und Stoppvorgänge unter hoher Last. In Anwendungen, die kurze Zykluszeiten erfordern, können die gewünschten Zykluszeiten durch die Anpassung der Anfahr- und Stoppzeiten erreicht werden. Der Zylinder erreicht mit unterschiedlichen Beschleunigungswerten eine bestimmte Geschwindigkeit.

4. Kraftregelung mit elektrischem Zylinder

Die vom elektrischen Zylinder ausgeübte Kraft hängt von der eingesetzten Motorleistung und der mechanischen Konstruktion des Zylinders ab. Die Zylinderkraft lässt sich durch die Motorleistung steuern. Heutzutage werden mit elektrischen Zylindern Kräfte von bis zu 300 kN erreicht.
Die Kraft kann über den Drehmomentmodus des Motors im elektrischen Zylinder mit integriertem Servomotor gesteuert werden. Der Zylinder kann durch eine bestimmte Kraft fixiert werden und bleibt innerhalb dieses Bereichs konstant. Kraft- und Positionsinformationen können erfasst, verarbeitet und ausgewertet werden. Je nach gewünschter Empfindlichkeit der Kraftmessung kann ein Kraftsensor erforderlich sein. Diese Informationen können auch mithilfe des Kraftsensors gewonnen werden, wenn der Motor im elektrischen Zylinder ohne Drehmomentmodus betrieben wird.

Elektrische Zylinder sind ein Ergebnis der fortschreitenden Hochtechnologie und der vierten industriellen Revolution. Der weitverbreitete Einsatz intelligenter Systeme mit hohen Taktzahlen, die die Produktion verschiedener Produkte auf derselben Maschine ermöglichen und niedrige Betriebskosten verursachen, steigert den Bedarf an elektrischen Zylindern. Es wird erwartet, dass diese Produkte im Laufe der Zeit einen Großteil der herkömmlichen Zylinder ersetzen werden, da sie gegenüber hydraulischen Zylindern zahlreiche Vorteile bieten. Elektrische Zylinder sind von anderen Systemen getrennt und besitzen eine mechanische Struktur. Die Bewegung wird durch eine in einem Gehäuse befindliche Gewindespindel erzeugt. Die Kugelumlaufspindel ermöglicht die Kraftübertragung, indem sie die vom Motor erzeugte Drehbewegung in eine Linearbewegung umwandelt. Je nach den in elektrischen Zylindern verwendeten mechanischen Komponenten und dem Motortyp werden hohe Positioniergenauigkeit, Drehzahlregelung und Kraftregelung erreicht. Elektrische Zylinder sind umweltfreundliche Produkte und bieten dem Anwender viele Vorteile. Im Hinblick auf die Energieeffizienz, die heute eine unserer größten Verantwortungen darstellt, reagieren elektrische Zylinder im Vergleich zu anderen Systemen besonders sensibel. Nach 2000 Stunden Testzeit unter gleichen Bedingungen, Last und Geschwindigkeit erwies sich der elektrische Zylinder hinsichtlich des Energieverbrauchs als 11-mal effizienter als der pneumatische Zylinder.