Die Herausforderung für mechanische Automatisierungssysteme bestand in der Vergangenheit darin, die Rotationsbewegung elektrischer oder mechanischer Motoren erfolgreich in nutzbare lineare Bewegungen umzuwandeln. Ein Durchbruch in dieser Hinsicht war das Förderbandsystem, eine der ersten sinnvollen Anwendungen zur Umwandlung von Rotations- in Linearbewegungen im Produktionsumfeld. Diese Systeme können eine Vielzahl von Rohstoffen und Werkstücken deutlich effizienter transportieren, als dies bisher mit rein mechanischer Kraft möglich war, und sind daher in Produktionsumgebungen äußerst nützlich.

Dank bedeutender Ingenieursarbeit im Bereich der Drehbewegungsumwandlung ist heute eine breite Palette linearer mechanischer Aktuatoren entstanden, die für eine breite Palette anspruchsvoller Automatisierungsanwendungen geeignet sind. Die Herausforderung besteht darin, den passenden Aktuator für die gewünschte Funktion auszuwählen, sei es die einfache Bewegung von Rohmaterial in einer Fertigungsumgebung oder die Konstruktion komplexerer Bewegungssysteme, die Werkzeuge präzise positionieren.

Bei der Auswahl des richtigen Linearantriebs sind wichtige Aspekte wie die gewünschte Tragkraft bzw. Schubkraft und der erforderliche Hub zu berücksichtigen. Dies sind zwar die wichtigsten Aspekte, aber auch andere, wie beispielsweise der Wartungsaufwand, spielen eine wichtige Rolle.

Zwei weit verbreitete Arten mechanischer Linearantriebe unterscheiden sich durch ihren Antriebsmechanismus: Riemen- und Kugelumlaufspindelantriebe. Beide Typen werden in ähnlichen Anwendungen eingesetzt, unterscheiden sich jedoch erheblich in der Funktion. Jeder Typ besitzt einzigartige Stärken und wichtige Einschränkungen, die bei der Auswahl eines Antriebs sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Riemengetriebene Aktuatoren

Der riemengetriebene Aktuator arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Förderbandsystem. Der Riemenantrieb wandelt Drehbewegungen über einen zwischen zwei kreisförmigen Riemenscheiben geschalteten Zahnriemen in eine Linearbewegung um. Der Zahnriemen besteht üblicherweise aus einem faserverstärkten Elastomer, für anspruchsvollere Anwendungen sind jedoch auch viele andere Riemenmaterialien erhältlich. Der Riemen verfügt über Zähne, die mit den Rotorscheiben interagieren, um das Drehmoment effizient zu übertragen und ein Durchrutschen zu verhindern. Der Riemenantrieb ist in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, während der Schlitten oben läuft. Die Antriebswellenschnittstelle befindet sich typischerweise senkrecht zur Seite des Aktuators.

Kugelumlaufspindelantriebe

Das Grundprinzip des Kugelumlaufspindelantriebs stellt im Wesentlichen eine Verbesserung gegenüber einem Leitspindelantrieb dar. Bei Kugelumlaufspindelantrieben treibt die Rotation der Kugelumlaufspindel die Kugelmutter/den montierten Schlitten an, da die Schnittstelle zwischen Bolzen und Kugelumlaufspindel im Wesentlichen ein Kugellagersystem ist, bei dem gehärtete Stahlkugeln in der Mutter entlang der Laufbahn des Bolzens rollen. Ähnlich wie beim Riemenantrieb sind die Antriebskomponenten des Kugelumlaufspindelantriebs in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, während sich der Schlitten darüber bewegt. Im Gegensatz zu Riemenantrieben befindet sich die Antriebswellenschnittstelle in einer Linie mit der Kugelumlaufspindel, außerhalb des Antriebsendes.

Stärken und Schwächen der einzelnen

Riemengetriebene Antriebe werden im Allgemeinen für Anwendungen mit langen Verfahrwegen bevorzugt, da diese kostengünstiger realisiert werden können als mit einem Kugelumlaufspindelantrieb ähnlicher Länge. Darüber hinaus sind riemengetriebene Antriebe in der Regel effizienter, da sie weniger kritische bewegliche Teile aufweisen und daher weniger wartungsintensiv sind. Dennoch ist eine ausreichende Riemenspannung entscheidend, um eine einwandfreie Drehmomentübertragung zu gewährleisten. In der Regel ist daher eine Nachspannung des Riemens bei regelmäßigen Wartungsarbeiten erforderlich.

Alternativ ähnelt die Kugelumlaufspindel einem Kugellagersystem und kann daher höhere Lasten tragen und eine höhere Schubkraft erzielen. Aus diesem Grund eignen sich Kugelumlaufspindelantriebe ideal für Anwendungen, bei denen große, schwere Lasten mit hoher Präzision positioniert werden müssen. Je nach Antriebskonstruktion kann eine regelmäßige Schmierung der Kugelumlaufspindel erforderlich sein.

Ein weiterer Vergleich der beiden Aktuatortypen offenbart trotz seiner Einfachheit und Effizienz weitere Nachteile des riemengetriebenen Aktuators. Für höhere Last-/Schubanforderungen sind deutlich dickere Riemen erforderlich. Die Riemen sind außerdem anfällig für Stoßbelastungen, obwohl dieses Problem bis zu einem gewissen Grad durch die sorgfältige Auswahl der Riemenmaterialien gemildert werden kann, wodurch die Festigkeit auf Kosten der Elastizität erhöht werden kann. Aufgrund der Dehnungsanfälligkeit des Riemens ist die Positioniergenauigkeit von Kugelumlaufspindelaktuatoren tendenziell höher als die von riemengetriebenen Aktuatoren. Aus diesem Grund werden Kugelumlaufspindelaktuatoren für Anwendungen bevorzugt, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit über längere Zeiträume erfordern. Kugelumlaufspindelaktuatoren sind die bevorzugte Wahl bei hohen Beschleunigungs- und Schubanforderungen, da die Riemenscheibe bei solchen wiederholten Belastungen dazu neigt, am Rotor durchzurutschen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kugelumlaufspindelantriebe die bessere Wahl für Anwendungen sind, bei denen hohe Belastungs- und/oder Schubkräfte sowie eine hochpräzise Positionierung erforderlich sind. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und Einfachheit sind riemengetriebene Antriebe jedoch weiterhin die bessere Wahl für Anwendungen mit geringeren Lasten, insbesondere wenn höhere Geschwindigkeiten erforderlich sind. Riemengetriebene Antriebe können auch eine kostengünstige Lösung für Anwendungen mit großem Hub sein. Die Entscheidung zwischen riemengetriebenen und kugelumlaufgetriebenen mechanischen Antrieben mag zwar entmutigend erscheinen, doch auf den ersten Blick bieten die Stärken und Schwächen der einzelnen Designs klare Entscheidungen für jede einzelne Anwendung.