Einbau einer Verdrehschutzführung für Schrittmotor-Linearantriebe

Die Kombination von Gewindetrieben mit Schrittmotoren ist eine einfache und kosteneffiziente Methode, präzise Linearbewegungen zu erzeugen. Für diese Präzision ist jedoch eine Vorrichtung als Verdrehschutz erforderlich, die entweder extern vom Anwender hinzugefügt oder bereits vom Gerätehersteller integriert werden muss. Um zu entscheiden, welche Variante sinnvoll ist, müssen Sie die Notwendigkeit eines Führungssystems analysieren und die Vor- und Nachteile der einzelnen Möglichkeiten gegeneinander abwägen.

Die Notwendigkeit einer Verdrehschutzführung
Die Hauptkomponenten eines klassischen Motor-Linearantriebs sind ein Schrittmotor, eine Gewindespindel und eine in unterschiedlicher Weise mit der Last gekoppelten Mutter. Sobald der Motor die Spindel dreht, bewegt sich die Mutter mit der gekoppelten Last vorwärts oder rückwärts, um die gewünschte Position anzufahren. Ist diese Mutter jedoch nicht gesichert, dreht sie sich mit der Spindel, sodass keine Bewegung entlang der Linearachse stattfindet.

Um dieses Problem zu beheben, bieten sich zwei Hauptverfahren zur Fixierung der Mutter an: Entweder Sie konstruieren selbst ein externes Führungssystem oder Sie kaufen ein System mit einer herstellerseitig integrierten Fixierung der Mutter.

Konstruktion Ihrer eigenen externen Führung
Wenn Sie bereits einen motorisierten Linearantrieb verwenden und über die erforderlichen technischen Kenntnisse sowie Ressourcen verfügen, können Sie eine Verdrehschutzvorrichtung selbst konstruieren und einbauen. Wenn Ihre Anwendung Hublängen von mehr als 64 mm, Lasten über 890 N und Geschwindigkeiten über 500 mm/s erfordert, ist ein externes System vermutlich die beste Lösung. Die Konstruktion Ihrer eigenen Führungsvorrichtung kann jedoch ein zeitraubendes und gewissermaßen auch riskantes Unterfangen sein.

Das wahrscheinlich wichtigste Kriterium bei der Entscheidung zwischen externer und interner Führung ist der verfügbare Platz für eine externe Konstruktion. Gängige Lösungen für eine externe Führung enthalten zumeist eine Kombination aus Profilschienen, Linearschienen oder sonstigen verankerten Baugruppen, die mit der Mutter verbunden sind, um deren Bewegungen präzise zu führen (Abbildung 1). Je nach Art Ihrer Konstruktion enthält Ihre Stückliste Befestigungsmaterial, Kupplungen und weitere Komponenten. Die Art und Weise, wie Sie Ihr System montieren, die Last koppeln und die korrekte Ausrichtung sicherstellen, ist ein weiterer Erfolgsfaktor.

Abbildung 1: Für Fluidpumpen eignen sich Systeme mit externer Führung, in denen ein motorbetriebener Linearantrieb den Pumpendruck steuert, mit weniger Platz auskommt und die Flüssigkeit exakt ausgibt (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thomson Industries, Inc.).

Wenn Sie die genannten Punkte korrekt angehen, erhalten Sie mit Ihrer eigenen Führungsvorrichtung möglicherweise etwas mehr Flexibilität bei der Abstimmung auf Ihre Anwendung und sparen zudem ein wenig an den Bauteilekosten – insbesondere, wenn Sie Zeitaufwand und langfristige Wartung nicht mit einberechnen. Bei kleineren Anwendungen kommt man in der Regel mit einer vom Hersteller integrierten Verdrehschutzführung günstiger weg, da die Gesamtkosten, einschließlich Planungszeit und weiterer Punkte häufig geringer ausfallen.

Die Vorteile einer eingebauten Verdrehschutzführung
Abbildung 2 zeigt ein Pipettiersystem, basierend auf einem Aktuator mit eingebauter Verdrehschutzführung. Die Integration der gesamten Führungsmimik in den Antrieb ergibt ein deutlich einfacheres System. Die meisten Hersteller realisieren die erforderliche Führung, indem sie die Gewindespindel mit einem Außenrohr umgeben, das die Mutter daran hindert sich zu verdrehen, während es gleichzeitig eine sanfte Linearbewegung erlaubt.

Abbildung 2: Für eine exakte Pipettierung sind winzige, präzise, wiederholgenaue Bewegungen erforderlich. Durch die Integration motorisierter Gewindetrieb-Aktuatoren vereinfachen Sie Ihre Z-Achse, während motorbetriebene Gewindetriebe präzise Horizontalbewegungen gewährleisten (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thomson Industries, Inc.).

Im Schrittmotor-Linearaktuator von Thomson Industries besteht das Außenrohr beispielsweise aus Aluminium und ist am Motor befestigt, der fest auf einer stabilen Unterlage montiert wird (Abbildung 3). In der Innenwand des Rohrs eingelassene Kerben führen die Mutter, sodass sie sich nicht verdrehen kann und eine lineare Bewegung entlang der Gewindespindel ausführt. Die Mutter ist mit einem Schubrohr aus Edelstahl verbunden, an das wiederum die Last montiert ist, um sie – ganz wie ein herkömmlicher Aktuator – hin- und herzubewegen.

Abbildung 3: Bei der Konfiguration des Aktuators wählen Sie einfach ein Produkt anhand des gewünschten Hubs je Motorumdrehung aus. Da der Verdrehschutz serienmäßig integriert ist, kann die externe Führung entfallen (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thomson Industries, Inc.).

Beim Zukauf von motorbetriebenen Schrittmotor-Linearaktuatoren mit eingebautem Verdrehschutz sparen Sie gegenüber dem Eigenbau Zeit, Kosten und Wartung. Darüber verkleinern Sie Ihre Stückliste genauso wie die langfristigen Betriebskosten der Aktuatoren. Außerdem werden diese Aktuatoren bereits im Werk präzise ausgerichtet, was eine dauerhafte Zuverlässigkeit der Einheiten begünstigt.

Viele hochpräzise Anwendungen mit relativ kurzen Hublängen können von diesem Konzept überdurchschnittlich profitieren. Neben Anwendungen in vertikaler Position zur Probennahme und/oder Dosierung von Chemikalien – wie die abgebildete Pipettiervorrichtung – gehören dazu die Ansteuerung von Proportionalventilen, die Justierung von Mikroskop-Objektträgern oder die Neigung von Computerbildschirmen.

Auswahl der optimalen eingebauten Technologie
Im Allgemeinen sind Schrittmotor-Linearantriebe für Standard-Schrittmotorgrößen erhältlich (NEMA-Baugrößen 8, 11, 14, 17 und 23), mit 1- oder 2-Stack, einer Vielzahl an Motorwicklungsoptionen sowie linearen Auflösungen von 0,002 bis 0,191 µm Linearhub pro Schritt. Die erhältlichen Lösungen variieren jedoch häufig in Bezug auf ihre Radial- und Momentlastfestigkeit, die Integrationsmöglichkeit anderer Geräte, die Sichtbarkeit rotierender Bauteile, ihre Montageoptionen und Anpassbarkeit – Sie sollten Ihre Anforderungen in diesen Bereichen also vor dem Kauf bedenken.

• Radial- und Momentlasten. Wenngleich die meisten in Frage kommenden Anwendungen hauptsächlich Axiallasten aufweisen, sollte ein korrekt montiertes System in der Lage sein, Radial- oder Momentlasten in der Größenordnung von fünf bis zehn Prozent der Axiallast aufzunehmen. Wenn Ihre Anwendung eine höhere Radial- und Momentbelastbarkeit erfordert, sollten Sie Aktuatoren mit integrierten Lagerbuchsen oder anderen Vorrichtungen bevorzugen, die diese „Seitenbelastbarkeit“ sicherstellen.
• Integration externer Geräte. Wir erleben ohne Frage einen Trend zur Integration mehrerer Geräte in ein Produkt, um bessere Steuerungsmöglichkeiten zu erhalten oder die Wartungskosten zu reduzieren. So kann es z.B. sinnvoll sein, Linear-Encoder an der Rückseite des Schrittmotors anzubringen. Wollen Sie sich diese Möglichkeit offenhalten, sollten Sie von Einheiten absehen, bei denen die Spindel aus der Motorrückseite ragt.
• Einbau. Wollen Sie vorhandene Motoren ersetzen, können Sie sich einigen Ärger ersparen, wenn Sie einen Motor mit Lochbildern im NEMA-Standard kaufen. Die Position der Bohrungen kann zwar grundsätzlich angepasst werden, aber der NEMA-Standard verhindert Probleme sowohl beim Erstkauf als auch bei späteren Umrüstungen.
• Sonderausführungen. Neben kundenspezifischen Lochbildern zählen hierzu die Endenbearbeitung sowie spezielle Verdrahtung, Verkabelung und Anschlussstecker.

Wenn Sie über eigene Ressourcen verfügen, kann die Konstruktion einer eigenen Verdrehschutzführung für Ihren integrierten motorbetriebenen Linearantrieb gewisse kurzfristige Kostenvorteile bieten. Auf der anderen Seite gelangen Sie jedoch mit dem Zukauf eines integrierten Schrittmotor-Linearaktuators schneller zur Produktionsreife, erhalten in der Regel präzisere und zuverlässigere Bewegungen, während die Wartungs- und Betriebskosten langfristig geringer ausfallen dürften.