Sehen Sie sich fünf Glieder in der Kette der Designelemente an, die für einen präzisen Betrieb so wichtig sind.

Ein Linearbewegungssystem ist nur so stark wie die kompromittierendsten Glieder seiner Kette mechanischer und elektromechanischer Elemente. Das Verständnis jeder Komponente und jedes Merkmals (und ihrer Auswirkungen auf das Designergebnis) verbessert Entscheidungen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das endgültige Design die Anwendungsanforderungen vollständig erfüllt. Schließlich lassen sich Systemspiel, Genauigkeit und andere Leistungsaspekte auf Elemente in der Konstruktion und Fertigung von Leitspindel, spielfreier Mutter, Kupplungen, Motor und Steuerungsstrategie zurückführen.

Die Zusammenarbeit mit Linearantriebslieferanten, die sich mit allen Designkomponenten auskennen, ist der beste Weg, um optimale Leistung zu erzielen. Optimierte Bewegungssteuerungssysteme sind letztlich wie ein Hochleistungssportwagen mit ausgewogenen Komponenten. Der richtige Motor, das richtige Getriebe, die richtigen Reifen und hervorragende Steuerungsfunktionen (wie Antiblockiersystem und Traktionskontrolle) ergeben zusammen optimale Leistung.

Betrachten wir einige Beispiele für Designs, die Höchstleistungen erfordern. Bei einigen 3D-Druckverfahren sinkt die Schichtauflösung auf bis zu 10 µm pro Schicht. In medizinischen Geräten müssen Dosiergeräte lebensrettende Medikamente ausgeben und die Dosierung auf Mikroliter genau kontrollieren. Ähnliche hohe Genauigkeiten sind bei optischen Geräten und Scan-Geräten, Chip- und Wafer-Verarbeitungsanlagen in der Halbleiterindustrie und in der Laborautomatisierung zu beobachten.

Nur Linearbewegungskonstruktionen, die mit einem ganzheitlichen Ansatz bei der Komponentenauswahl und -integration entwickelt wurden, können diese immer höheren Leistungsanforderungen erfüllen. Die beste Lösung hierfür ist oft eine motorgetriebene Spindel mit Mutter und entsprechender Steuerungsarchitektur. Betrachten wir daher die wichtigsten Aspekte und Leistungsmerkmale für jedes Glied in dieser Art von Linearbaugruppe.

Link eins: Qualität der Leitspindel und Mutter

Leitspindeln gibt es seit Jahrzehnten in verschiedenen Ausführungen, mit unterschiedlichen Mutterndesigns und Materialien. Lange Zeit wurden die Maschinen zur Herstellung von Leitspindeln manuell eingestellt – die Qualität hing von der Leistungsfähigkeit der Maschine und den Fähigkeiten des Bedieners ab. Die meisten Hersteller verwenden diese Geräte auch heute noch, doch moderne automatisierte Prozesse heben die Qualität von Leitspindeln auf ein neues Niveau.

Beispielsweise werden bei solchen Verfahren CNC-gesteuerte Zuführung, Schrägstellung und Druckregelung für das Rollgewindeverfahren eingesetzt, um die gleichmäßigsten Gewindeformen der Leitspindeln zu erzielen. Die Oberflächenbeschaffenheit dieser Leitspindeln ist durchgehend glatt und frei von Oberflächenabrieb, der Polymermuttern beschädigen könnte – für beispiellose Systemgenauigkeit und Lebensdauer.

Gleichzeitig ermöglichen moderne Mess- und Prüfverfahren zur Erfassung der Form und Gestalt von Leitspindelgewinden bis zu dreimal höhere Steigungsgenauigkeiten als herkömmliche manuelle Methoden. Dadurch wird eine Steigungsgenauigkeit von bis zu 0,003 Zoll/Fuß über die gesamte Spindellänge hinweg konstant gehalten.

Für Transportanwendungen, bei denen Objekte Punkt für Punkt entlang einer Achse bewegt werden, ist die herkömmliche Methode, die Steigungsgenauigkeit alle 300 mm bzw. 6 Zoll zu überprüfen, ausreichend. Für Anwendungen mit höchster Präzision ist jedoch die Genauigkeit jedes Wellengewindes relevant. Abweichungen von der geeigneten Gewindegeometrie werden als Gewindetrunkenheit bezeichnet.

Neue automatisierte CNC-Fertigungsanlagen, -prozesse und detaillierte Prüfmethoden sorgen für eine präzisere Kontrolle und Qualität, sodass die Hoch- und Tiefpunkte eines einzelnen Gewindes eine deutlich verbesserte Subrotationsgenauigkeit aufweisen – also weniger Drehschwankung. Dies wiederum trägt dazu bei, dass Leitspindeln die Positioniergenauigkeit über eine einzelne Umdrehung auf 1 µm genau halten. Dies ist ein besonders wichtiges Leistungsmerkmal bei Anwendungen wie der Verarbeitung teurer Wafer und Chips für die Halbleiterindustrie und der präzisen Medikamentendosierung in einer Spritzenpumpe.

Nach dem Gewindewalzen richten moderne Gewindeschneidmaschinen die Gewindespindeln automatisiert, um Fehler und Rundlauffehler zu minimieren, die Vibrationen, Lärm und vorzeitigen Verschleiß verursachen können. Die Geradheit der Gewindespindel ist entscheidend, da sich jeder Fehler bei der Montage mit dem Motor bemerkbar macht. Im Gegensatz dazu können herkömmliche (manuelle) Methoden des Gewinderichtens einen Schneekegeleffekt in der Gewindespindelgeometrie erzeugen – in Form eines einzelnen Bogens oder mehrerer Bögen, die sich korkenzieherartig um die Längsachse der Spindel drehen. Auch hier eliminieren automatisiertes Richten und Prüfen diese Fehler und sorgen für eine stabile Gewindespindelleistung.

Der letzte Schritt bei der Herstellung von Leitspindeln ist das Aufbringen einer PTFE-Beschichtung. Nur eine gleichmäßig glatte Oberfläche gewährleistet eine lange Lebensdauer und optimale Systemleistung. Ungleichmäßiges Auftragen des PTFE (aufgrund einer nicht optimalen Beschichtungsumgebung oder -ausrüstung) kann zu Lochfraß, Rissen, Blasen, Abplatzungen oder Oberflächenrauheit führen, die zu vorzeitigem Verschleiß der Mutter und einer verkürzten Lebensdauer der Baugruppe führen.

Verbindung zwei: Zusammenspiel von Mutter und Schraube

Herkömmliche spielfreie Muttern verfügen über eine mehrteilige Konstruktion, die eine Schraubenfeder erfordert, um eine Spannzange linear entlang der Mutter zu bewegen, die Finger zu schließen und den Sitz zwischen Schraube und Mutter zu kontrollieren.

Probleme, die bei diesen Konstruktionen zum Versagen beitragen, sind die unregelmäßige und variable Federkraft, das Ruckgleiten der Spannzange auf der Mutter und schwankender Druck durch Materialverschleiß. Im Gegensatz dazu verfügt eine alternative Mutter für konstante Kraft über eine vereinfachte zweiteilige Konstruktion, die radial Druck auf die Mutterfinger ausübt – die Richtung, die zur Kontrolle des Spiels zwischen Mutter und Schraube erforderlich ist.

Betrachten wir die konventionelle Schraubenfeder- und Spannzangenkonstruktion für eine spielfreie Leitspindelmutter. Hier erzeugt eine Schraubenfeder mit variabler Kraft eine axiale Kraft, die durch mechanische Beeinflussung in radiale Kraft umgewandelt wird. Die Konstruktion basiert auf Spritzgusskomponenten, um die Kraft gleichmäßig auf die Finger zu verteilen. Benchmarktests bestätigen, dass sich die Vorspannung in den ersten 1.000 Zyklen deutlich ändert.

Im Gegensatz dazu bieten bestimmte spielfreie Leitspindelmuttern mit konstanter Kraft ein zwei- bis viermal besseres Spielverhalten als herkömmliche Konstruktionen, wie FDA-Tests von Laborautomatisierungskunden bestätigen. Die Federkonstruktion mit konstanter Kraft gewährleistet eine gleichmäßige Vorspannung über die gesamte Lebensdauer der Achse. Selbstschmierendes Mutternmaterial mit PTFE sorgt für Schmierfähigkeit und verbesserte Effizienz.

Einer der größten Vorteile von spielfreien Leitspindelmuttern mit konstanter Kraft ist ihre Möglichkeit, sie durch Anpassung der Feder und anderer Parameter auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Diese Abstimmung ermöglicht die Optimierung von Vorspannung, Spiel, Widerstandskraft und Laufspiel, um die geforderten Spezifikationen zu erfüllen. Jede Spindel-Mutter-Kombination sowie jede komplette Motor- und Spindelbaugruppe kann während der Validierung und Endkontrolle auf jedes dieser Leistungsmerkmale geprüft werden.

Link drei: Gekoppelte oder direkte Verbindung zum Antrieb

Das nächste Glied in der Kette ist die Befestigung der Schraube am Motor. Dafür gibt es drei grundlegende Möglichkeiten.

Die erste ist die traditionellste Methode, bei der eine Kupplung als Komponente zwischen der Schraube und einem Motor mit verlängertem Bolzenschaft in die Baugruppe integriert wird. Diese Konstruktion erfordert mehr Platz für die Länge der Kupplung und des zugehörigen Anbaugehäuses und kann zudem zu Ausrichtungsproblemen führen. Aufgrund der erhöhten Anzahl an Komponenten ist es schwieriger, alles auf der Mittellinie zu halten. Sind eine oder mehrere Komponenten unrund oder unausgerichtet, kann dies zu einem Nockeneffekt führen, der die Leistung und Lebensdauer des Systems erheblich beeinträchtigt.

Bei der zweiten Methode wird die Schraube in eine konische Bohrung eingesetzt und dort (von hinten) mit einer Schraube mechanisch befestigt. Diese Montage ist bei Motoren üblich, die häufig gewartet werden müssen – und ermöglicht eine schnelle Demontage und Remontage. Der Nachteil besteht darin, dass die Ausrichtung schwer zu halten ist und ein sogenannter „Schneekegeleffekt“ entstehen kann, der Ungenauigkeiten über die gesamte Länge der Schraube verstärkt. Darüber hinaus entstehen durch dieses „Schneekegelwackeln“ in der Schraube Verschleißstellen, die Wartungsbedarf und vorzeitige Systemausfälle nach sich ziehen können.

Die dritte Methode besteht darin, die Schraube direkt auf eine Hohlwelle im Motor zu montieren und die Schraube mit einer Laserschweißnaht an der Rückseite des Motors zu befestigen. Diese Methode gewährleistet eine maximale Passung der Schraube mit dem Motor und führt so zu einer höchstmöglichen Ausrichtungsgenauigkeit. In manchen Fällen kann die Schweißnaht durch einen Industriekleber ersetzt werden, der eine dauerhafte Verbindung zwischen Schraube und Motor herstellt. Diese Montagemethode bietet zudem höchste Genauigkeit durch minimalen Rundlauf der Schraube, was zu einer längeren Lebensdauer und einem minimierten Wartungsbedarf führt.

Die Optimierung der Ausrichtung von Leitspindel, Mutter und Kupplung verlängert die Lebensdauer des gesamten Systems. Als Vergleichsgrundlage für andere Systemelemente dienen Tests in verschiedenen Ausrichtungen mit unterschiedlichen Steigungen sowie unterschiedlichen Lasten und Geschwindigkeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer des Hubs die Lebensdauer des Standard-L10-Lagers um das 40-Fache übersteigt.

Mit anderen Worten: Herkömmliche Motor-Leitspindel-Systeme bestehen aus mehreren Komponenten, die zusammengebaut werden müssen und schwer auszurichten sind. Sie führen zu Spiel und Toleranzen, die die Genauigkeit beeinträchtigen und das Ausfallrisiko erhöhen. Eine hohe Komponentenanzahl führt zudem zu höheren Gesamtmontagekosten. Integrierte Hybrid-Linearantriebe hingegen verfügen über eine direkt am Motor ausgerichtete und befestigte Leitspindel – und benötigen somit weniger Komponenten. Das sorgt für höhere Steifigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit … und steigert den Gesamtwert des Designs.

Link vier: Auswahl von Motortyp und -ausführung

Linearantriebe sind mit verschiedenen Motoroptionen erhältlich. Die gängigsten Motoroptionen sind ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis, eine Version mit geschlossenem Regelkreis (mit platinenmontierter Steuerung oder industriell gekapseltem Smart-Stepper) und schließlich ein bürstenloser Gleichstrommotor (BDC). Jeder Motor bietet unterschiedliche Leistungs-, Geschwindigkeits- und Belastungseigenschaften und bringt zudem Vor- und Nachteile hinsichtlich Kosten, Integration, Steuerung und weiteren Aspekten mit sich, die wir später erläutern.

Um die Linearbewegungsleistung eines Motors optimal zu beeinflussen, ist ein Blick hinter die Kulissen seines Innendesigns erforderlich. Typische Allzweckmotoren verwenden eine gewellte Unterlegscheibe, um Lager und Baugruppe an Ort und Stelle zu halten. Dies ist in der Regel für Rotationsanwendungen ausreichend und lässt sich oft auch auf Linearanwendungen übertragen. Allerdings sorgen gewellte Unterlegscheiben für eine gewisse Nachgiebigkeit im Motor, die zu geringem axialen oder linearen Spiel führen kann, das zu Ungenauigkeiten der linearen Position führt.

Um dies zu beheben, können ein oder beide Elemente im Design modifiziert werden. Größere Lager können eingesetzt werden, um die Axiallastfähigkeit der Baugruppe zu erhöhen. Außerdem kann eine Spannmutter hinzugefügt und auf ein vorgegebenes Drehmoment eingestellt werden, um das Spiel aus dem System zu entfernen.

Link fünf: Auswahl der Steuerungsoptionen

Das letzte Bindeglied, das alle Elemente zusammenführt, ist die Steuerung und Kontrolle der physikalischen Linearbewegung. Traditionell wären hierfür mehrere separate Komponenten erforderlich, darunter ein Verstärker und ein Controller. Jedes dieser Komponenten benötigt ein Gehäuse sowie die zugehörige Hardware, Verkabelung, einen Encoder und Sensoren für die Rückmeldung. Installation, Fehlerbehebung und Bedienung dieser Systeme können kompliziert und aufwändig sein.

Die Einführung serienmäßiger intelligenter Motorlösungen vereinfacht die Verkabelung und reduziert die Anzahl der Steckverbinder und Sensoren, um die Leistung und Steuerung eines Schrittmotors zu erreichen. Dies führt zu Kosteneinsparungen durch weniger Komponenten sowie zu einem geringeren Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Installation. Diese Motoren werden außerdem in vormontierten Industriegehäusen geliefert, die Platine und Steuerung gemäß Schutzart IP65 oder IP67 vor Missbrauch und Verschmutzung schützen.

Wenn eine Anwendung spezifische, kundenspezifische Funktionen erfordert, Platz und Größe minimiert werden müssen oder niedrige Kosten entscheidend sind, ist eine kundenspezifische, ungekapselte, motormontierte Platinensteuerung mit IP20-Schutz eine sinnvolle Option. Dies gilt insbesondere für großvolumige Anwendungen in formschönen Gehäusen oder Geräten. Solche Aktuatoren bieten die Vorteile intelligenter Motoren (in der Regel bei erheblichen Kosteneinsparungen) und die Steuerung erfolgt direkt am Motor, was eine einfachere und schnellere Kommunikation mit dem Master oder der SPS ermöglicht.