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Schrittmotor als Alternative zu Pneumatikzylindern

01  Die zweiphasigen Hybrid-Schritt­motoren mit externer Spindel und Mutter  (Typ E, external) gibt es von Koco Motion als Linearaktoren in den Flanschmaßen  Nema 8 (20 mm × 20 mm) bis Nema 34 (86 mm × 86 mm)

01  Die zweiphasigen Hybrid-Schritt­motoren mit externer Spindel und Mutter (Typ E, external) gibt es von Koco Motion als Linearaktoren in den Flanschmaßen Nema 8 (20 mm × 20 mm) bis Nema 34 (86 mm × 86 mm)

Die Gründe für den Einsatz von Linearaktoren sind einleuchtend: Während Pneumatikzylinder einen Kompressor und die benötigte Peripherie zur Erzeugung der Druckluft erfordert, reicht dem Linearaktor elektrische Energie zur Ausführung einer Bewegung. Üblicherweise wird im Stillstand der Haltestrom abgesenkt, was Energie spart. Außerdem lassen sich sämtliche Zwischenpositionen direkt anfahren, was die Umrüstzeiten minimiert. Zudem ist die Endlagendämpfung durch das Einstellen von Beschleunigungs- und Bremsrampen einfach realisierbar, während man für mit Druckluft betätigte Linearantriebe eventuell weitere Elemente zur Druckluftmengenreduzierung benötigt.

02  Olaf Kämmerling  ist Geschäftsführer der Koco Motion GmbH

02  Olaf Kämmerling ist Geschäftsführer der Koco Motion GmbH

03   Das aus einem Schrittmotor, Encoder und Steuerung bestehende Servosystem „KannMOTION“ kommuniziert über eine RS-232-Schnittstelle bei der Ausführung von Positionieraufgaben

03   Das aus einem Schrittmotor, Encoder und Steuerung bestehende Servosystem „KannMOTION“ kommuniziert über eine RS-232-Schnittstelle bei der Ausführung von Positionieraufgaben

04  Bei der Captive-K-Version der Hybrid-Schrittmotoren ist die Schubstange vorne genutet und damit verdrehgesichert geführt

04  Bei der Captive-K-Version der Hybrid-Schrittmotoren ist die Schubstange vorne genutet und damit verdrehgesichert geführt

Wenn bei einer Anwendung eine Kombination aus präziser Positionierung, schneller Bewegung und langer Lebensdauer gefordert wird, bietet das Systemhaus Koco Motion [1] mit Sitz in Dauchingen verschiedenste Linear­aktoren an (Bild 1). Während das Portfolio zahlreiche Standardausführungen beinhaltet, erhöht sich das Gesamtangebot durch kundenspezifische Lösungen auf eine enorme Anzahl an Varianten. Angepasste Spindel-, Motor- und Kabellängen sind ebenso möglich wie die Ausführung der Spindelenden, individuelle Spindelsteigungen, Stecker, Wicklungswiderstände sowie Schrittwinkel oder spezielle Mutter- und
Nuten-Geometrien.

Wer fragt, gewinnt

„Die kundenspezifischen Ausführungen werden bei uns zunehmend nachgefragt“, sagt Olaf Kämmerling (Bild 2), Geschäftsführer der Koco Motion GmbH. „Dadurch kommen wir auf unzählige Kombinationen, aus denen es für den Anwender wirklich schwer ist, die für ihn passendste Lösung auszuwählen. Daher raten wir unseren Kunden, sich mit seinen Anforderungen an uns zu wenden. Wir haben das Know-how, um ihm die für seine Anwendung optimale Lösung aus den uns zur Verfügung stehenden Möglichkeiten herauszuarbeiten.“

Auf Basis der Schrittmotortechnik werden die Linear­aktoren in den zwei Technologien „Permanentmagnet“ (PM) und „Hybrid“ angeboten. Gefertigt werden sie von der Firma Dings in China oder als „MDrive“ bzw. „Lexium MDrive“ von Schneider Electric Motion in den USA. Der dritte Basisantrieb kommt aus dem in Zusammenarbeit von Koco Motion und dem Liechtensteiner Ingenieurbüro Adlos entstandenen Baukastensystem „KannMOTION“ (Bild 3).

Für kleine Abmessungen

Beim PM-Motor besteht der Rotor aus einem radialmagnetisierten Permanentmagneten. Daher können nur begrenzte Zahlen von magnetischen Polen hergestellt werden, was einen größeren Schrittwinkel zur Folge hat. Diese Technologie ist kostengünstig und auch für kleinere Abmessungen realisierbar. Die PM-Schrittmotor-Linearaktoren haben eine runde Form und stehen mit Durchmessern von 20 mm, 25 mm und 36 mm zur Verfügung. Die Auflösung der Linearbewegung variiert von 6,5 µm/Schritt bis 333 µm/Schritt bei einer maximalen Schubkraft von 115 N – ab­hängig von Antriebsgröße, Spindelsteigung und Schrittauf­lösung.

Für hohe Polzahlen

Der Hybrid-Schrittmotor (Bild 4) ist eine Symbiose aus Reluktanz- und Permanentmagnetmotor. Auf den axialen Permanentmagneten werden gezahnte Metallkappen be­festigt. Der Versatz um eine halbe Zahnbreite sorgt dafür, dass sich die Nord- und Südpole abwechseln. Diese Technik gestattet hohe Polzahlen und somit sehr kleine Schritt­winkel.

Die Hybrid-Schrittmotor-Linearaktoren gibt es in den Baugrößen Nema 8, 11, 14, 17, 23, 24 und 34. Abhängig von Schrittwinkel und Spindelsteigung variiert die Auflösung der Linearbewegung von 1,5 µm/Schritt bis 127 µm/Schritt bei einer max. Schub-/Zugkraft von bis zu 2.400 N.

Die Bewegung ist entscheidend

„Anhand der genannten Daten ermitteln wir die Motor­größe und die Spindelsteigung sowie die Ausführung der Spindelmutter. Weitere wichtige Aspekte sind auch die mögliche Selbsthemmung, der zur Verfügung stehende Bauraum und die Ansteuerung des Antriebs. Die Antwort auf die Frage: ‚Was wird wie, in welcher Zeit, wohin, mit welchen Steuerungsparametern wie oft bewegt?‘ gibt im Wesentlichen alle Informationen zur Auswahl eines Antriebs wieder“, erläutert O. Kämmerling die Vorgehensweise, um die Qual der Wahl zu beenden.

Reicht die standardmäßig eingesetzte Trapezspindel für die Anwendung nicht aus, kann eine Kugelumlaufspindel die Performance noch erhöhen: Mit ihr lassen sich noch genauere Positionierungen, ein minimiertes Umkehrspiel, geringere Reibungen, eine besonders hohe Lebensdauer und starke Beanspruchungen umsetzen. Zudem werden durch die Vielzahl an Güteklassen, Steigungen, Bauarten, Längen usw. die meisten Kundenforderungen erfüllt.

Beide Technologien gibt es mit Wicklungsanschlüssen für unipolare oder bipolare Ansteuerung, wobei die bipolar angesteuerte Version inzwischen gängig ist. Die Linear­aktoren werden entweder mit Hohlwellen-Mutter und Spindel (ohne oder mit interner Verdrehsicherung) oder mit externer Spindel und Mutter angeboten. Daraus ergeben sich die vier Bauweisen External, Non-Captive, Captive C bzw. Captive K.

Vier Ausführungen für die Qual der Wahl

Bei der Ausführung External wird die Linearbewegung erreicht, indem die Mutter auf der als Motorwelle arbeitenden Spindel gegen Verdrehen gesichert ist. In dem zu bewegenden Schlitten wird die Mutter befestigt und durch die Drehbewegung der Spindel linear bewegt. Der Schlitten muss hierbei kundenseitig geführt werden. Um eine lange Lebensdauer zu erzielen und die Reibkräfte zu reduzieren, ist es wichtig, die Führung zur Drehachse genau anzupassen. Der Anwender muss sich hier selbst um die Verdrehsicherung kümmern, indem er beispielsweise eine Führungsschiene anbringt. Bei längeren Spindeln muss das freie Spindelende eventuell noch gegengelagert werden.

Bei der Non-Captive-Variante ist die Mutter in der Hohlwelle des Motors eingebracht. Ihre Drehung verursacht eine lineare Bewegung der Spindel. Wird hier die Spindel fixiert, bewegt sich der Motor hin und her. Ist der Motor fixiert, sitzt die Masse am Ende verdrehgesichert auf der Spindel.

Die Captive C-Ausführung (geschlossenes System) eignet sich für raue Umgebungsbedingungen. Hier entsteht die Linearbewegung durch die bereits intern verdrehgesicherte Schubstange. Diese hat ein Innengewinde sowie eine Verdrehsicherung und wird in einem speziell geformten Gehäuse geführt. Wenn sich der Rotor (Spindel) dreht, entsteht über dem Gewindetrieb eine Linearbewegung und die Schubstange fährt ein und aus. Da die Verdrehsicherung bereits integriert ist, hat der Kunde bei dieser Variante den geringsten konstruktiven Aufwand. Die Last wird am Ende der Schubstange fixiert.

Die Captive K-Version unterscheidet sich davon durch den Antrieb sowie die kleinere Bauform. Die Schubstange ist vorne genutet und damit verdrehgesichert geführt. Diese Ausführung bildet zusammen mit der Gewindespindel den Antrieb. Dreht sich der Rotor, fährt die Schubstange ein oder aus. Zu beachten ist hier, dass die Spindel auf der Rückseite in Abhängigkeit des Hubs ausfahren kann.

Breites Anwendungsspektrum

„Die möglichen Anwendungen für diese Linearaktoren sind so vielseitig, dass ich hier stellvertretend nur einige Beispiele nennen kann“, sagt O. Kämmerling. „Sie finden Einsatz in Verstellungen von Abfüllmaschinen für unterschiedliche Produktbreiten, für die Verstellung von Ventilen zur Durchflussmengenregelung von Abfüllgütern, in der Verschlusstechnik von Spritzwerkzeugen, zur Positionierung von Produkten in drei Ebenen wie an X-Y-Z-Tischen, als Antrieb für Kolbenpumpen, Dosiereinheiten und Greifer sowie in Manipulatoren, Bandstoppern, Dosier- und Positioniereinheiten – eben überall dort, wo eine lineare Positionierung stattfindet.“

Generell unterscheiden sich die Anwendungen nicht aufgrund der eingesetzten Bauart der Aktoren. Ihre Auswahl hängt vielmehr zum Teil von der Philosophie der Kunden und der Gegebenheiten im Unternehmen ab oder auch von Faktoren wie Preis bzw. zur Verfügung stehender Bauraum.

Vernetzt für die Zukunft

Wird der Linearaktor beispielsweise für Positionieraufgaben eingesetzt, möchte der Anwender ihn zunehmend auch in sein Netzwerk integrieren. „Für solche Applikationen können wir unsere Antriebe mit einer integrierten Steuerung ausstatten. Bei den PM-Linearaktuatoren ist die Netzwerkfähigkeit nur selten gewünscht. Hingegen steht die Anforderung bei den Hybrid-Linearaktuatoren schon eher auf der Wunschliste“, sagt der Geschäftsführer.

Für die Fabrik der Zukunft bzw. Industrie-4.0-Anwendungen stehen hierfür die „MDrive“ und „Lexium MDrive“-Antriebe mit den bekannten Schnittstellen RS-485/Modbus, CANopen, Ethernet und Profinet zur Verfügung. (no)


Literatur:
[1] Koco Motion GmbH, Dauchingen: www.kocomotion.de


Autorin:
Angela Struck, Presse Service Büro GbR in Langenpreising