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Wie man die Größe eines Linearaktuators verkleinert

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Lösung für X-Y-Tische und kleine Bearbeitungszentren, wie z.B. 3D-Drucker.

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Linearantriebe gibt es in einer Vielzahl von Größen, aber in den letzten Jahren haben die Hersteller immer mehr Wert auf kompakte Abmessungen gelegt. Aber egal, wie klein der Aktuator ist, durch die Hinzufügung eines Motors kann die Gesamtgröße des Gesamtsystems für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen zu groß werden. Einige Hersteller gehen dieses Problem an, indem sie einen Motor und eine Gewindespindel (oder Kugelumlaufspindel) in eine Baugruppe integrieren, was allgemein als Hybridaktuatoren bezeichnet wird.

Die gebräuchlichste Variante der Hybridkonstruktion ist ein Schrittmotor mit integrierter Leitspindel, da die beiden Komponenten ähnliche Spezifikationen für Last, Geschwindigkeit und Schubkraft haben. Und hier bietet das integrierte Layout wohl den größten Nutzen, da die in Leitspindelanwendungen erforderlichen Lasten und Kräfte typischerweise kleiner und besser für eine Konstruktion ohne externe Führung (d.h. keine Linearwellen oder Schienen zur Lastaufnahme) geeignet sind. Führungen können jedoch in Hybridaktuatoren integriert werden, wodurch diese vielseitiger in Anwendungen wie z.B. Präzisionspositioniersystemen eingesetzt werden können, bei denen eine Last während der Bewegung unterstützt werden muss.

Die Basis eines Hybridaktuators ist ein Hohlwellenmotor. Anstelle der üblichen Motorkonstruktion, bei der eine einfache Antriebswelle durch das Zentrum des Rotors verläuft, ist die Gewindespindel oder die Gewindemutter im Inneren des Rotors montiert. Wenn die Gewindespindel innerhalb des Rotors montiert ist, wird die Konfiguration manchmal als angetriebene Spindelanordnung bezeichnet, und wenn die Spindelmutter innerhalb des Rotors montiert ist, wird die Konfiguration allgemein als angetriebene Mutteranordnung bezeichnet.

Die Konfiguration der angetriebenen Spindel ähnelt in Bezug auf die Endbefestigung am meisten einer traditionellen Spindelanordnung, bei der ein Ende der Spindel durch ein oder zwei Axiallager abgestützt und mit dem Motor gekoppelt ist, während das gegenüberliegende Ende entweder "frei" (nicht abgestützt) oder durch ein oder zwei Axiallager abgestützt ist. Der Unterschied bei einem angetriebenen Schrauben-Hybrid-Stellantrieb besteht darin, dass das angetriebene Ende der Schraube direkt im Rotor des Motors montiert und durch Lager im Inneren des Rotors abgestützt ist. Es sind keine externen Lager oder eine Schrauben-Motor-Kupplung erforderlich. Wie bei einer herkömmlichen Spindelbaugruppe ist die Mutter außerhalb des Motors montiert, und die Rotation der Spindel bewegt die Mutter entlang der Spindelwelle.

Bei der Konfiguration mit angetriebener Mutter kann die Bewegung auf eine von zwei Arten erfolgen: Die Mutter/Motor-Kombination kann so eingeschränkt werden, dass sich die Gewindespindel hin und her bewegt, wenn der Motor die Mutter dreht; oder die Gewindespindel kann so eingeschränkt werden, dass sich die Motor/Mutter-Baugruppe entlang der stationären Spindel bewegt. Wenn die Gewindespindel eingeklemmt ist und sich nicht drehen darf, können in der Regel höhere Geschwindigkeiten erreicht werden, da "Peitschen" (der Springseil-Effekt, der auftritt, wenn eine Spindel sehr schnell gedreht wird) vermieden wird. Ein Axiallager wird normalerweise am Außenumfang der Schraubenmutter (innerhalb des Motorrotors) montiert, um Schubkräfte aufzunehmen.

Neben dem Vorteil der kompakten Größe kann die geringere Anzahl mechanischer Verbindungen im Vergleich zu ähnlichen Systemen, die einen extern an eine Schraube gekoppelten Motor enthalten, die Nachgiebigkeit des Gesamtsystems verringern. Bei Systemen ohne Linearführungen liegen die Hauptanwendungsgebiete für Hybridaktuatoren im Schieben oder Ziehen relativ leichter Lasten oder in der präzisen Positionierung, z. B. bei Fokussier- und Abtastanwendungen