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Die Umwandlung einer Drehbewegung in eine schiebende oder ziehende lineare Bewegung kann zum Heben, Senken, Bewegen oder Kippen verwendet werden. In diesem Artikel erfahren Sie, was ein Linearantrieb ist, welche Arten von Linearantrieben es gibt, wie ein Linearantrieb funktioniert und wie er aufgebaut ist.
Linearantrieb - was ist das?
Elektrische Linearaktuatorenverwenden einen Gleich- oder Wechselstrommotor mit einer Reihe von Zahnrädern und einer Zugschraube, um die Hauptwelle der Stange zu bewegen. Der Unterschied zwischen den Aktuatoren hängt von der Größe des Motors ab, der von 12 V DC bis 48 V DC reichen kann. Wichtige Begriffe sind statische und dynamische Tragfähigkeit – das sind die Variablen für die Tragfähigkeit von Linearaktuatoren.
Die dynamische Hubkraft ist die Kraft, die aufgebracht wird, wenn der Aktuator in Bewegung ist. Statische Hubkraft liegt vor, wenn der Aktuator stationär ist und die Last an Ort und Stelle hält. Diese Eigenschaften machen Linearaktuatoren zu einer immer beliebteren Lösung, und sie öffnen seit langem automatische Türen für uns, bewegen Autositze vor und zurück und öffnen und schließen Computerlaufwerke. Das Grundprinzip der Linearaktuatoren beruht auf dem Konzept der schiefen Ebene, auf der sich die Zugschraube des Aktuators mit einer geringen Drehkraft entlang einer Rampe bewegt.
Arten von Linearantrieben
Wir beginnen mit elektrischen Antrieben, und die einfachste Form von Antrieben, die eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandeln, sind mechanische Antriebe. Stellantriebe mit einer Kugelumlaufspindel, einem Gewindestift, einem Ritzel, einem Riemen und einer Nocke werden als mechanisch eingestuft.
Hydraulikzylinder sind hydraulische Zylinder mit einem Kolben, die eine inkompressible Flüssigkeit verwenden, um einen unausgewogenen Druck auf den Kolben zu erzeugen, der eine lineare Verschiebung bewirkt. Die unter Druck stehende Flüssigkeit tritt zum Beispiel durch einen Anschluss auf der linken Seite der Kammer ein und drückt gegen die Oberfläche des Kolbens. Wenn der Druck der Flüssigkeit nachlässt, bewegt sich der Kolben zurück nach links.
Pneumatische Aktuatoren erzeugen schnell eine geringe bis mittlere Kraft und werden als Servos verwendet. Pneumatische Linearaktuatoren verwenden Druckluft, um Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln. Sie bestehen aus einem Kolben, einem Zylinder und einem Ventil oder Anschluss, der eine lineare oder rotierende mechanische Bewegung erzeugen kann.
Die etwas seltener anzutreffenden Piezoaktoren nutzen den piezoelektrischen Effektd.h. elektrische Energie, die durch Druck und latente Wärme erzeugt wird, was zu einer elektromechanischen Interaktion zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen führt. Piezoelektrische Aktoren bestehen aus mehreren Schichten piezoelektrischer Elemente, wie z.B. Keramik, die die Wirkung der Ausdehnung der einzelnen Elemente kombinieren, um eine Bewegung zu erzeugen.
Recht ungewöhnliche Spulenaktoren haben Magnete, die ein Magnetfeld erzeugen, das einen Strom erzeugt, der eine Spule bewegt, um eine Wellen- oder Pendelbewegung zu erzeugen. Die Kraft der Bewegung ist proportional zur Anzahl der Windungen der Spule und dem magnetischen Fluss und Strom. Eine Erhöhung des Stroms erhöht die Kraft.
Erwähnenswert sind elektromechanische Aktuatoren, die programmierbar sind und deren Bewegungs- und Kraftprofil mehr von uns abhängt. Obwohl ein elektromechanischer Aktuator den mechanischen Aktuatoren recht ähnlich ist, unterscheiden sie sich natürlich durch die Verwendung von Antrieben wie bürstenlose DC-Motoren, Schrittmotoren oder Servos. Der Rest sind meist vereinfachte, standardisierte und kompakte Konstruktionen.
Wie funktioniert ein Linearantrieb?
Der Linearantrieb bewegt sich in einer … geraden Linie. Obwohl die Grundfunktion des Aktuators dieselbe ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Bewegung zu erreichen. Zu den Anwendungen für Linearaktuatoren gehören Rollstuhlrampen, Spielzeug und technische Instrumente für Raumfahrzeuge. Im Gegensatz dazu ist die Funktionsweise des Aktuators selbst recht einfach. Eine Schraube, wie z.B. eine Zugschraube, eine Kugelumlaufspindel oder eine Rollenumlaufspindel, wird je nach benötigter Leistung eingesetzt und erzeugt eine Bewegung. Sie erreicht dies, indem sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, wodurch sich die Mutter auf der Schraube bewegt und eine lineare Bewegung erzeugt. Kugelumlaufspindeln sind ideal für schnelle und dynamische Anwendungen, die eine präzise Positionierung erfordern, während Rollen am besten für hohe Kräfte geeignet sind.
Bewegung des Linearantriebs
Ein typischer Motor hat einen Spannungsbereich von 12 V DC bis 48 V DC. Bürsten-Gleichstrom-Stellantriebe haben einen Schalter, um die Polarität des Motors umzukehren, wodurch sich die Bewegung ändert. Servo– und Schrittmotoren erfordern eine Steuerelektronik, und es werden auch Hall-Effektoren (Hall-Sensoren) und Encoder verwendet.
Die Steuerelektronik des Aktuators kann extern verfügbar oder eingebaut sein. Die Geschwindigkeit und Kraft des Aktuators hängt von seinem Getriebe ab – ein Getriebe, das die Geschwindigkeit des Aktuators reduziert, sorgt natürlich für mehr Kraft, da es eine Korrelation zwischen Geschwindigkeit und Kraft gibt.
Einer der Hauptunterschiede zwischen Aktuatoren in Bezug auf die Bewegung ist ihr Hub, der durch die Länge der Schraube und der Welle definiert wird. Die Geschwindigkeit hängt von den Getrieben ab, die den Motor mit der Schraube verbinden. Der Mechanismus zum Stoppen des Aktuatorhubs umfasst Endschalter oder kleine Schalter, Encoder oder lineare Potentiometer.
Aufbau eines Linearantriebs
Ein AC- oder DC–Motor liefert die für den Antrieb eines Aktuators erforderliche Energie. Obwohl Elektrizität die häufigste Energiequelle ist, werden auch Luft- und Flüssigkeitsenergie verwendet – die Unterschiede sind nach der Lektüre des Abschnitts über Antriebsarten verständlich.
Ein Energiewandler liefert die Energie von der Quelle zum Aktuator unter Verwendung der Messwerte des Controllers. Beispiele für industrielle Leistungswandler sind hydraulische Proportionalventile und elektrische Wechselrichter. Die vom Aktuator angetriebene Last ist mit der Frage der Kapazität verbunden – diese wird durch eine mathematische Formel oder eine Kapazitätstabelle bestimmt. Die Lasten werden für vertikale und horizontale Konfigurationen sowie für die Bewegung entlang der X- und Y-Achse berechnet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Aktuator zwei Arten von Lasten aufweist – statische und dynamische. Statische Belastungen treten auf, wenn der Aktuator stillsteht, während dynamische Belastungen auftreten, wenn er sich in Bewegung befindet. Jede Form der Belastung hat ihren eigenen Leistungsbereich. Der korrekte Betrieb des Systems wird durch den Controller bzw. die verwendete Steuerungsschnittstelle gewährleistet, über die der Bediener Sollwerte eingeben kann.
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