Linearantrieb - Rotation in Translation umwandeln

In einem Linearantrieb wird die Übertragung von Drehbewegungen in Linearbewegungen und umgekehrt realisiert. Linearantriebe sind Hauptkomponenten der Bewegungsrealisierung in vielen mechanischen Systemen und Maschinenbau. Oft wird diese Umwandlung benötigt, um entstehende Energie und Bewegung aus Motoren und anderen rotierenden Geräten in Translation (lineare Bewegung) umzuwandeln. Der Antrieb wird industriell über Motoren oder auch per Hand realisiert. Der Artikel stellt die häufigen und gängigen Konzepte vor und zählt die Auslegungskriterien auf. Zum Abschluss werden Anwendungsbeispiele in Maschinenbau vorgestellt.

Linearantrieb - Drehbewegung in lineare Bewegung umwandeln

Im Maschinenbau gibt es verschiedene Konzepte, um eine rotatorische Bewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Der Wirkungsgrad von Motoren in industriellen Umgebungen ist hoch und kann durch verschiedene Mechanismen in lineare Bewegungen umgewandelt werden. Die Rotation des Motors kann sowohl rotatorisch als auch translatorisch genutzt werden.

Die häufigsten Prinzipe sind:

• Schubkurbelmechanismus
• Spindelantrieb
• Kurvengetriebe
• Exzentermechanismus

Der Mechanismus der Schubkurbel besteht aus einer angetriebenen Kurbel, einer Koppel (auch Pleuel genannt) zur Kraftübertragung und einem linear geführten Schieber. Der Antrieb erfolgt durch eine rotatorische Bewegung, die die Kurbelwelle und damit Kurbel dreht. Das Pleuel ist an beiden Enden drehbar gelagert. Der Schieber kann nur translatorisch bewegt werden, Durch die gezwungene Bewegung aus Kurbel und Schieber entsteht ein Getriebe, das aus einer Rotation eine Translation erzeugt.

• 1 Spindel
• 2 Kugelgewindemutter mit Flansch
• 3 Lagerung / Lager
• 4 Schlitten
• 5 Motor mit Getriebe
• 6 Trapezgewindespindel
• 7 Spindelmutter (geschnitten)

Der Spindelantrieb ist ein Schraubgetriebe, das aus einer rotierenden Spindel und einem lineargeführten Schlitten besteht. Die Gewindespindel wird durch einen Motor angetrieben und durch die Steigung der Spindel bewegt sich der Schlitten translatorisch. Die geführte Bewegung und definierte, gleichmäßige Übersetzung ermöglichen eine sehr präzise und leicht zu regelnde Steuerung.

Spindelantriebe und andere Schraubgetriebe werden zum Justieren von Gegenständen häufig per Hand angetrieben.

Kurvengetriebe sind ungleichförmig übertragende Getriebe. Die Übersetzung der rotatorischen Bewegung erfolgt aus einer angetriebenen, definierenden Geometrie für die Übertragung (beispielsweise einer Kurvenscheibe) und einem Abtaster. Der Abtaster wird linear geführt.

Kurvengetriebe werden unter anderem nach der Schlussart unterteilt. Die Unterscheidung erfolgt in Kraftschluss und Formschluss.

• Die Getriebe mit Kraftschluss sind einfacher und kostengünstiger in der Herstellung, sind aber nicht so effizient im Betrieb und können durch Resonanzen zerstört werden.
• Konstruktive Lösungen mit Formschluss sind teurer in der Herstellung aufgrund der zusätzlichen Führungsfläche und der Genauigkeit. Dazu benötigen diese Getriebe in der Regel mehr Platz.

Der Exzentermechanismus besteht aus einer Steuerungsscheibe, die mit einer Exzentrizität (Versatz zur Rotationsachse) konstruiert wurde, und einer Pleuelstange. Der Exzentermechanismus ist ein Koppelgetriebe und funktioniert wie die Schubkurbel. Dabei ist die Steuerungsschreibe die Kurbel. Die Bauweise ermöglicht häufig einen geringeren Bauraum und ist durch höhere Massen laufruhiger.

Weitere Möglichkeiten der Umwandlung von Rotation in Translation

Antriebe mit rotatorischen Bewegungen können auch anderen Prinzipen folgen. Grundsätzlich transformieren auch Gurtförderer und Zugmitteltriebe Rotationen in Translationen. Diese Umsetzung sind aber nicht für die Übersetzung von Translation in Rotation geeignet und werden daher nicht weiter betrachtet.

Auslegungskriterien von Linearantrieben

Die Auslegung von Linearantrieben unterscheidet sich nach den verwendeten Mechanismen. Grundsätzlich handelt es sich bei Linearantrieben um Getriebe, die eine Übersetzung von einer rotatorischen Bewegung in eine Translation umsetzen.

• Hub: Der translatorische Bewegungsraum stellt neben dem Antrieb das Hauptmerkmal eines Linearantriebs dar. Der Hub ergibt sich aus der Geometrie der Übersetzung. Von der Geometrie und der Antriebsdrehzahl hängt die Geschwindigkeit der Translation und die Gleichmäßigkeit der Bewegung ab. Bei der Synthese des Linearantriebs spielen die Gewichte und Trägheiten ebenfalls eine Rolle, da Linearantriebe in der Regel mit Richtungswechseln am Hubende funktionieren.
• Antrieb: Der Antrieb durch eine Rotation, im Maschinenbau meistens durch einen Elektromotor eingeleitet, liefert ein Drehmoment und eine Drehzahl. Dieser Arbeitspunkt kann mit einem Getriebe oder einer Drehzahlregelung verändert werden. Bei der Auswahl des Antriebs ist auch zu beachten, ob es unter gewissen Umständen oder auf Grund des Prinzips notwendig ist, dass der Antrieb die Drehrichtung ändern können muss. Außerdem sind Drehzahländerungen durch verschiedene Arbeitspunkte oder ungleichmäßige Bewegungen bei der Synthese unter Berücksichtigung der Masseträgheiten des Systems zu beachten.
• Randbedingungen: Die Umgebungsbedingungen sind bei der Auswahl von Linearantrieben ebenfalls zu berücksichtigen. Der Bauraum wird durch die Umgebung und Peripherie bestimmt und kann bestimmte Prinzipe ausschließen. Auch an dieser Stelle kann das Gewicht eine entscheidende Rolle spielen.

Anwendungsbeispiele für Linearantriebe im Maschinenbau

Die Anwendung von Linearantrieben im Maschinenbau ist vielfältig und es sind häufig mehrere Umsetzungen für einen Anwendungsfall realisierbar. Beispiele für Linearantriebe im Maschinenbau sind:

• Sortieranlagen: Eine Schubkurbel bewegt sich rechtwinklig zu einem Transportband und schiebt Komponenten vom Transportband zur Seite runter.
• 3D-Drucker: In industriellen 3D-Druckern werden Linearaktuatoren für die Positionierung verwendet.
• Fräsmaschine: Eine Gewindespindel je Achse bildet das Antriebssystem einer CNC-Maschine.
• Etikettierung: Kurvengetriebe oder Schubkurbelmechanismen etikettieren Flaschen in der Medizintechnik oder allgemeinen Verpackungstechnik.
• Robotik: Roboter in industriellen Umgebungen nutzen Kugelgewindespindeln, um eine präzise und reibungsarme Bewegung mit großen wirkenden Kräften zu realisieren.
• Justierung: Schraubgetriebe, wie Spindelantriebe, werden zum Arretieren von Bauteilen in Vorrichtungen genutzt.

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