22.02.2006

Ersatz für Hydraulik- und Pneumatik-Zylinder
Linearstellzylinder mit Planetenrollengewindetrieb

Der Marktanteil für elektrische Linearstellzylinder in unterschiedlichen Ausführungen wächst überproportional. Ausgelöst durch steigende Anforderungen an moderne Maschinenkonstruktionen sind geregelte Linearbewegungen bei maximaler Flexibilität ein Muss für den erfolgreichen Maschinenbauer. Immer mehr Pneumatik- und Hydraulikzylinder werden durch elektrische Aktoren ersetzt. Der folgende Beitrag erläutert die Entwicklung und die technischen Details des Linearstellzylinders mit invertiertem Planetenrollengewindetrieb.


bei Einsatzfällen mit kurzen Verfahrwegen (100 bis 300mm) bei gleichzeitig hohen Vorschubkräften haben bereits heute in der Automobilindustrie elektrische Systeme Pneumatik und Hydraulik vollständig ersetzt. Gründe sind u.a. strengere Umweltbestimmungen und gestiegene Prozessanforderungen. Die mechatronische Lösung setzt in Kombination mit Motortechnologie Standards im Bereich Kraftdichte, Gewicht, Regelverhalten, Emissionsarmut und Wartungsfreundlichkeit. Der elektrische Linearstellzylinder ist mit seiner guten Regelbarkeit die bessere Alternative in allen Anwendungen, bei denen hohe Kräfte bei minimalen Abmessungen erforderlich sind. Der Einsatzbereich liegt im Kraftbereich von 1 bis 100kN. Im Bereich hoher Vorschubkräfte >100kN ist der Linearstellzylinder kein Ersatz für konventionelle Aktuatoren. Für die Bereiche mit mittleren Vorschubkräften jedoch bietet er Optimierungspotenziale, die es ermöglichen, neue und flexiblere Maschinenkonzepte zu entwickeln. Typische Applikationen sind: - Verpackungsmaschinen - Kleinpressen - Prüfstände für den Automotive-Bereich - Glasbearbeitungsindustrie - Montageautomaten - Maschinen für Halbleiterfertigung - Medizintechnik - Holzverarbeitungsindustrie - Schweißtechnik

Die Alternativen


Kostengünstige Druckluft- oder Hydraulikzylinder besitzen folgende beschränkende Eigenschaften: - Nur stufige Einstellung des Verfahrwegs möglich - ohne Einsatz aufwändiger Linearmesssysteme - meistens wird mit einem oder mehreren Endschaltern gearbeitet. - Bei Druckluftzylindern zeitlich (z.T. stark) verzögerter Kraftanstieg. Eine exakte Regelung der verschiedenen Kraftstärken ist hierdurch nur schwer möglich, bzw. fast unmöglich (Hysterese). - Die stufenlose Einstellung der Verfahrgeschwindigkeit wird schwierig, da oft nur mit Vor- und Haupthub gearbeitet wird und eine kontinuierliche Positionsüberwachung fehlt. - Hohe Betriebskosten - die Antriebsmedien (Druckluft/ Hydrauliköl) müssen mit speziellen Geräten aufbereitet bzw. hergestellt werden und sind kosten- und wartungsintensiver als elektrische Energie. - Das Antriebsmedium Hydrauliköl ist durch nie ganz zu vermeidende Leckagen im System eine "unsaubere" Lösung (Reinigung, Wartung, Arbeitsplatzsicherheit). - Hoher Wartungsaufwand durch schleifende Dichtungen im Zylinder und Energiebereitstellung (Kompressor, Filter). - Geräuschbelästigung an Arbeitsplätzen. Die Eigenschaften reduzieren die Verfügbarkeit der Maschinen und die Flexibilität.

Entwicklung der Linearstellzylinder


Die Kraftausnutzung von Druckluft-/Hydraulikzylindern konnte bislang von keinem elektrischen Lineardirektantrieb bei nahezu gleichem Bauraum erreicht werden, wie z.B. einem tubularen Linearmotor. Erklärung hierfür sind die unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und der bei einem elektrischen Direktantrieb erreichbaren maximalen Flächenkraftdichte von ca. 8 bis 10N/cm2. Der Linearstellzylinder schließt diese Lücke im Produktspektrum elektrischer Direktantriebe durch die mechatronische Umsetzung von Rotations- in Linearbewegung. Exlar begann 1990 mit der Entwicklung einer Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern. Ziel war es, die positiven Eigenschaften von Hydraulik- und Pneumatiksystemen zu erreichen und mit den Eigenschaften wartungsarm, zuverlässig, umweltfreundlich und präzise zu ergänzen. Elektrische Linearstellzylinder bestehen immer aus zwei Hauptelementen: - elektrischer Antrieb mit integriertem Rotorlagegeber und - Gewindespindel zur Umsetzung von Rotationsbewegung in Linearbewegung. Aufgrund der Eigenschaften ist der Planetenrollengewindetrieb für einen zuverlässigen Einsatz in rauer Industrieumgebung geeignet. Die hohe Zahl der Kontaktpunkte, die geführten Rollen und das Planetenprinzip ergeben einen steifen Präzisionsantrieb mit hoher Beschleunigung und Geschwindigkeit. Trotz der höheren Kosten im Vergleich zu Kugelgewindetrieben war dies auch der Grund für die Wahl des Systems für alle Aktoren des Herstellers. In Tabelle 1 sind die charakteristischen Eigenschaften der verschiedenen Systeme zusammengefasst.

Eigenschaften der Planetenrollen


Planetenrollen haben folgende Vorteile gegenüber Kugelgewindetrieben: - mehr Kontaktpunkte bei gleicher Baulänge, - hohe Beschleunigung durch geführte Rollen, - Drehzahlen bis 5000rpm möglich - gute Schockbelastung, - keine empfindliche Umlenkung. Hieraus entstand der klassische Linearstellzylinder mit Gewindespindel, Kolbenstange und axial oder parallel angebautem Antrieb. Durch die hohe Anzahl von Kontaktpunkten wird sowohl Tragzahl als auch Steifigkeit erhöht und damit die Lebensdauer. Der Antrieb ist dadurch nahezu wartungsfrei. Bei den klassischen elektrischen Aktuatoren wurden aber folgende Problempunkte festgestellt: - Mangelnde Kompaktheit - oft sind die Antriebsmotoren an eine Spindeleinheit axial oder seitlich angebaut. - Externe Führung der Spindel zentrisch zur Mutter - der Gedanke des integralen Linearstellzylinders geht damit verloren. - Keine Führung der Spindel vorhanden - schon kleinste Radialkräfte auf die Spindel-Mutter-Ein- heit bedingen eine starke Lebensdauerverkürzung. Dies führte zur Entwicklung des invertierten Planetenrollengewindetriebes. Hier werden die Vorzüge der Planetenrollentechnik mit einer kompakten Bauform vereint. Der Hohlwellenrotor mit Innengewinde ist gleichzeitig das Außenteil der mechatronischen Umlenkung. Die Kolbenstange wird über die Planeten linear bewegt. Die Regeleigenschaften entsprechen denen eines Direktantriebes. Die T-Lam-Technologie, die seit 2000 in allen Stellzylindern eingesetzt wird, sorgt für hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad. Das achtpolige Motordesign ist an die Anforderungen der Stellzylinder angepasst. Durch den segmentierten Stator entstehen Einzelelemente, die ohne teure Werkzeuge gewickelt werden können. Die Wickelköpfe verschwinden fast vollständig im Statorpaket. Dadurch wird die Leistung gegenüber konventionellen Servomotoren um 35% erhöht. Außerdem verbessert sich die Isolationsfestigkeit des Stators auch für Zwischenkreisspannungen von 850VDC. Und durch die reduzierte Wärmeentwicklung verlängert sich die Lebensdauer der mechatronischen Einheit. Mit der Integration aller notwendigen Funktionsteile in einer kompakten Motoreinheit entsteht ein Aktor, der sich in Leistung und Abmessungen den klassischen Pneumatik- bzw. Hydraulikzylindern stark angenähert hat und dadurch die Nachrüstung vieler Maschinen erleichtert.

Eigenschaften des Linearstellzylinders


Herz des Stellzylinders der Baureihe SR ist der patentierte invertierte Planetenrollengewindetrieb mit folgenden Leistungsmerkmalen: - überdimensionierte Lagerung zur Aufnahme von Axialkräften und Stoßbelastungen, - achtpoliger Servomotor mit hohem Wirkungsgrad, - geführte und geschützte Kolbenstange, - hohe Schutzart der Konstruktion - integrierter Anschlag/die Freilaufeinrichtung, - modulare Wellenverlängerung mit Endgehäuse zur Aufnahme der unterschiedlichen Gebersysteme, - die sichere Konstruktion mit Zugankern für kontrollierte Elastizität , - Flexibilität der Konstruktion mit vielfältigen Optionen zur mechanischen Anbindung Optional ist der Linearstellzylinder mit Ölkühlung verfügbar (Ein- und Auslassöffnung zum Anschluss des Ölkreislauf). Die Dauervorschubkraft lässt sich damit verdoppeln, und die Lebensdauer wird erhöht.

Kompaktes IP65-Gehäuse


Gemeinsames Merkmal der mittlerweile drei Baugrößen ist der kompakte Aufbau durch die Integration aller wichtigen Basiselemente in einem IP65-Gehäuse, so u.a. Stütz- und Axiallager, Rückführsystem für Position, Geschwindigkeit und Kommutierung sowie die Spindeleinheit und der Servoantrieb selbst. Der Kunde bekommt somit eine integrale mechatronische Einheit, die ein in sich abgegrenztes Antriebssystem mit genau definierten Schnittstellen und Anwendungsparametern darstellt. Der Anwender kann sich auf die Maschinenkonstruktion konzentrieren und muss keine antriebstechnischen Detailprobleme lösen.

Krafterzeugung


Im Bereich der Krafterzeugung ist hauptsächlich die drei- bis fünffache Überlastbarkeit des Servoantriebs zu nennen, die es ermöglicht, kurzfristig extrem hohe Spitzenkräfte bis zur dynamischen Tragzahl der Spindel bzw. der Auslegungsgrenze der Aktuatormechanik selbst zu erzeugen, ohne einen größeren Linearaktuator einsetzen zu müssen. Die Formel

F = P x A (Kraft = Druck x Fläche) (1)


zeigt, dass z.B. für eine vierfache Krafterhöhung bei den konventionellen Systemen ein entsprechender Flächenzuwachs (=doppelter Durchmesser) oder eine Erhöhung des Drucks um Faktor 4 (Schläuche, Aggregate, Mechanik müssen hierfür dimensioniert sein) notwendig ist. Ein Druckluft- oder Hydrauliksystem muss für die Spitzenkraft ausgelegt sein, ein Linearaktuator hingegen nur für die Effektivkraft einer Applikation. Auch der quasi ohne Verzögerung erreichbare Kraftanstieg bis zur notwendigen Prozesskraft, im Vergleich zu dem "(1-e-x)-förmigen" Kraftanstieg von Druckluftzylindern, bietet Zeiteinsparungspotenziale.

Energieversorgung


Hinsichtlich der Energieversorgung ist es leicht möglich, Maschinen komplett elektrifiziert zu automatisieren. Aufwändige Zusatzaggregate zur Erzeugung von Hilfsmedien können entfallen. Vorhandene Produktionsflächen können gut ausgenutzt und Maschinen kompakt gebaut werden.

Kommunikation/Überwachung


Durch die immer tiefer reichende Vernetzung der einzelnen Maschinenkomponenten mittels moderner Feldbustechniken werden intelligente Antriebseinheiten notwendig. Servoverstärker, wie sie zur Steuerung der Linearstellzylinder benötigt werden, sind im Normalfall mit mindestens einem gängigen Feldbussystem (CAN, Profibus, Interbus, Sercos, Ethernet) ausgestattet. Das ermöglicht eine Kontrolle hinunter bis zur Ebene des Aktuators hinsichtlich Motortemperatur, Stromaufnahme, Positionierung, Geschwindigkeitsverlauf etc. und eröffnet alle Möglichkeiten zur beispielsweise präventiven Diagnose, Planung von Wartungsintervallen oder kurzfristiger Taktzahlsenkung gegen ungewollten Maschinenstillstand.

Fazit


Der Vergleich in Tabelle 2 geht von ungefähr gleicher Baugröße (Volumen) der eingesetzten Zylinder aus. Er zeigt, dass die Zukunftsaussichten für innovative Antriebslösungen positiv sind. Im globalen Wettbewerb müssen sich Maschinenbauer zunehmend durch Spezialmaschinen abheben. Zudem konzentrieren sich alle mehr und mehr auf ihre Kernkompetenz. Damit wächst der Bedarf an OEM-Partnern, die schnell innovative Antriebslösungen liefern.

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