Auf einen Blick:

• Geführte Antriebe haben die Kraft zum Heben, Drücken, Ziehen, Schieben, Klemmen, Anhalten, Halten, Schneiden und Trennen.
• Geführte Schlitten machen sich gut, wenn Präzision und Wiederholbarkeit gefragt sind.
• Geführte Schlitten und Antriebe können in einer Vielzahl von Pack-and-Place-Anwendungen eingesetzt werden.

Pneumatisch geführte Antriebe und Schlitten sind die Arbeitspferde der industriellen Automatisierung. Sie haben sich bewährt und lassen sich an eine wachsende Zahl von Anwendungen anpassen, bei denen eine zusätzliche Führung die Leistung verbessert. Sie sind außerdem kostengünstig und bieten viele Varianten und Konfigurationsoptionen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit gewährleisten.

Ein geführter Antrieb (links) umfasst Führungsstangen und erfordert keine Montage, aber viele Führungseinheiten wie dieser FENG-Aktuator und Standardzylinder von Festo (rechts) erfordern eine Montage.

Antriebe und Schlitten

Im Gegensatz zu Standardantrieben sorgen pneumatisch geführte Antriebe für vollständige Stabilität und pneumatisch geführte Schlitten für größere Stabilität und Präzision, was bei vielen Pick-and-Place-Funktionen entscheidend ist. Bei beiden Antriebsarten sorgt die zusätzliche Stabilisierung der Kolbenstange für eine bessere Leistung und eine längere Lebensdauer als bei den nicht stabilisierten Alternativen. Der Markt für geführte Antriebe und Schlitten wächst, da immer mehr Ingenieure erkennen, dass es einfacher und bequemer ist, ein einziges Produkt mit linearer Bewegung und Führung zu kaufen, als beide Funktionen separat zu erwerben.

In einem standardmäßigen pneumatischen Antrieb erzeugt die Kolbenstange eine lineare Bewegung und kann sich beim Ausfahren und Einfahren frei drehen. In vielen industriellen Anwendungen ist diese Drehung unerheblich; sie ist jedoch unerwünscht, wenn der Benutzer Stabilität benötigt, z. B. um ein Stanzwerkzeug perfekt parallel zu dem zu stanzenden Gegenstand zu halten. Wenn die Kolbenstange Kraft auf ein Objekt ausübt, kann der Widerstand, auf den sie trifft, außerdem eine seitliche Kraft oder ein Drehmoment auf die Aktuatorbaugruppe ausüben.

Wenn der Aktuator beispielsweise eine Kreissäge positioniert, die durch Holz schneidet, können äußere Kräfte auf den Aktuator wirken, wenn die Kolbenstange ausgefahren ist, was zu einem unvollkommenen Schnitt führt. Dies führt zu übermäßigem Verschleiß der Säge und des Zylinders.

Geführte Antriebe erfüllen häufig eine von drei einfachen Aufgaben: Anhalten, Heben oder Schieben.

Pneumatisch geführte Antriebe haben nur einen Kolben, dessen Stabilität durch zwei Führungsstangen gewährleistet wird. Diese Führungsstangen laufen in der Regel auf Buchsen oder Kugellagern, um die Stabilität zu gewährleisten. Die Führungsstangen und der Kolben sind an einem Joch befestigt, das die Werkzeuge hält und verhindert, dass sich der Kolben verdreht, wenn eine seitliche Kraft aufgebracht wird, um die Betriebsstabilität zu gewährleisten. Diese Antriebe werden zum Heben, Drücken, Ziehen, Schieben, Klemmen, Stoppen, Halten, Schneiden und Trennen eingesetzt. Es gibt sie in vielen Größen und Varianten, sie können fast jedes Werkzeug aufnehmen, liefern Hublängen bis zu 400 mm und können bei Bedarf große Kräfte aufbringen.

Geführte Schlitten eignen sich hervorragend für Aufgaben, bei denen ein hohes Maß an Präzision und Wiederholbarkeit erforderlich ist, wie z. B. bei der Montage von Elektronik oder kleinen Autoteilen, bei der Handhabung von Lebensmitteln und Getränken sowie bei Dosieranwendungen in anderen Prozessbereichen. Geführte Schlitten haben in der Regel eine einfache oder doppelte Kolbenstange und eine Führungsschiene, die auf Präzisionskugellagern im Schlittengehäuse läuft, um eine präzise Bewegung und wiederholbare Genauigkeit trotz seitlicher Lasten und Drehmomente zu gewährleisten.

Die Schlitten sorgen für die lineare Bewegung, egal ob sie horizontal oder vertikal fixiert sind. Sie eignen sich hervorragend als Werkzeuge, die an einem Portal angebracht sind, wie z. B. eine Zwei-Achsen-Konfiguration (X, Z) mit mehreren Schlitten, und können zu Pick-and-Place- und Huckepack-Konfigurationen hinzugefügt werden, bei denen ein Schlitten über einem anderen für längere Hübe mit Anschlägen auf dem Weg montiert ist, oft ohne Adapter.

In Duplex-Anwendungen liefert ein kompakter Mini-Schlitten, der an einem kleinen mechanischen Greifer oder einem Vakuumsauger angebracht ist, typischerweise eine Wiederholgenauigkeit von 0.01 mm und eine Linearität und Parallelität im Bereich von 1/100 mm 0,01 mm über Millionen von Zyklen.

Pneumatische Antriebe sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, darunter nicht rotierende (links), nicht geführte (Mitte) und geführte (rechts).

Geführte Schlitten gibt es in verschiedenen Größen mit unterschiedlichen Montageoptionen und vielen Dämpfungsmöglichkeiten, um kürzeste Zykluszeiten bei minimalen Vibrationen zu gewährleisten. Im direkten Vergleich zwischen geführten Schlitten und Antrieben und nicht rotierenden Zylindern mit identischer Kolbenbohrung und Hublänge sind geführte Schlitten dank ihrer breiten, flachen Führungen, die eine hochpräzise Bewegung ermöglichen, die größten und schwersten der Optionen mit integrierter Kolbenführung.

Bei gleichem Bohrungsdurchmesser (20 mm) für die Kolbenstange und gleicher Hublänge (50 mm) hat der geführte Schlitten das größte Profil (Stellfläche oder Länge, Höhe und Breite). Geführte Antriebe liegen dazwischen, da sie kleiner als ein geführter Schlitten und größer als ein nicht rotierender Zylinder sind.

Vergleicht man einen nicht rotierenden Zylinder, einen geführten Antrieb und einen geführten Schlitten, alle mit der gleichen Kolbenbohrung (20 mm), der gleichen Hublänge (50 mm) und einer ausgefahrenen Kraft von 188 N (siehe Grafik), so beträgt das Kraft-Gewicht-Verhältnis des nicht rotierenden Antriebs 65 %, das des geführten Antriebs 16 % und das des geführten Schlittens 15 %. Ein nicht rotierender Zylinder wäre also kleiner und preiswerter, aber für höhere Drehmomentbelastungen oder Präzision ist ein geführter Schlitten oder Antrieb erforderlich, der bei gleicher Bohrung/Hub größer ist. Das Hinzufügen einer Führung erhöht das Gewicht im Vergleich zum nicht rotierenden Antrieb, um mehr Stabilität zu gewährleisten.

Alternativen zu geführten Antrieben

Nicht rotierende Zylinder und Kombinationen aus externen Führungen und Standardzylindern werden oft als Alternativen zu pneumatisch geführten Antrieben und Schlitten betrachtet. Sie haben eine begrenzte Tragfähigkeit und eignen sich daher besser für Anwendungen, bei denen eine bestimmte Ausrichtung beibehalten werden muss, aber nur geringe Lasten zu bewältigen sind.

Nichtdrehende Antriebe und Zylinder mit nichtdrehenden Kolbenstangen sind preiswerter, aber geführte Antriebe und Schlitten sind haltbarer und präziser und können höhere seitliche Lasten und Drehmomente bewältigen. Bei gleicher Funktion, z. B. dem Heben einer Last oder dem Bewegen eines Greifers, hat der nicht drehende Antrieb die größte Durchbiegung durch Lagerspiel und Seitenkraft. Die Durchbiegung ist in diesem Fall der Weg, den der Kolben oder die Frontplatte aufgrund des Spiels mit den Lagern oder äußeren Kräften zurücklegt. Eine größere Durchbiegung bedeutet eine geringere Präzision.

Eine externe Führung kann mit einer größeren Auswahl an Zylindern kombiniert werden, um eine Vielzahl von Aufgaben und Situationen zu bewältigen, wie z. B. Spannen, einstellbare Luftkissen und Arbeiten bei hohen Temperaturen, aber die beiden müssen miteinander verbunden werden. Geführte Schlitten und Antriebe haben weniger Konfigurationsmöglichkeiten und einen begrenzteren Leistungsbereich, sind aber auch preiswerter. Bei Pick-and-Place-Anwendungen kann ein kompakter, nicht geführter Zylinder mit frei drehendem Kolben in Betracht gezogen werden, aber er gewährleistet nicht so gut wie ein geführter Minischlitten eine gleichmäßige Positionierung und Ausrichtung der zu bewegenden Teile.

Pneumatische und elektrische Führung

Pneumatische und elektrisch geführte Antriebe und Schlitten können ähnliche Aufgaben erfüllen, haben aber unterschiedliche Stärken. Mit einer richtig dimensionierten, gut gewarteten Druckluftquelle liefern pneumatische Antriebe höhere Kraftdichten und Geschwindigkeiten für geringere Installations- und Betriebskosten sowie eine längere Lebensdauer.

Vergleicht man die Antriebe in ähnlichen pneumatischen und elektrischen Minischlitten, so ist die pneumatische Version kürzer und hat kürzere Positionierzeiten. Elektrische Ausführungen bieten ein sanfteres Stoppen und Anfahren, ein programmierbares Antriebsprofil und konstante, präzise Geschwindigkeiten. Pneumatische Antriebe und Schlitten benötigen in der Regel weniger Platz. Energiemanagement und Druckluftdiagnose können heute den Luftverbrauch und ungeplante Wartungs- und Stillstandszeiten reduzieren, was sie zu einer wirtschaftlicheren Wahl macht.

Relative Effizienz ist ein Hauptkriterium bei der Auswahl der richtigen Konstruktion unter den potenziell geeigneten pneumatischen Antrieben mit Führung.

Pneumatische Minischlittenführungen sind nützlich für präzise Bewegungen in engen Räumen.

Das Beispiel (unten) vergleicht die Preise eines nicht rotierenden Zylinders, eines geführten Antriebs und eines geführten Schlittens (alle Basismodelle mit demselben 20-mm-Kolben und 50-mm-Hub sowie dem prozentualen Anteil der Führung bei identischen versetzten Belastungsbedingungen). In diesem Beispiel ist der nicht rotierende Zylinder zu 100 % mit der Führung belegt. Er stößt an seine Grenzen und ist im Hinblick auf seine Fähigkeit, Offset-Belastungen zu bewältigen, eine schlechte Wahl. Der geführte Schlitten ist der teuerste der drei, und mit nur 12 % Führungsnutzung ist er für diese Anwendung überdurchschnittlich leistungsfähig. Der geführte Antrieb erreicht 54 % Führungsnutzung, und obwohl er etwa das 2,5fache des nicht drehenden Zylinders kostet, bietet er das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis der drei Optionen.

Geführte Antriebe für alle Szenarien

Der zunehmende Einsatz von pneumatisch geführten Antrieben und Schlitten spiegelt ihre Nützlichkeit für eine außerordentliche Bandbreite von Aufgaben wider. Diese Antriebe sind sowohl als Standard- als auch als Spezial- oder kundenspezifische Modelle und in metrischen und zölligen Ausführungen erhältlich.

Standardmodelle machen die Hälfte des Marktes aus und sind für die meisten Anwendungen kostengünstig. Die meisten sind wartungsfrei und erfordern wenig oder gar keine Montage. Viele sind wahlweise mit Gleitlagerführungen für hohe Steifigkeit oder mit Kugelumlaufführungen für Anwendungen mit Drehmomentbelastung erhältlich. Die Basismodelle sind äußerst vielseitig und benötigen im Verhältnis zu den von ihnen aufgebrachten Kräften weniger Platz als die Alternativen. Diese Basisantriebe gibt es in vielen Größen und mit vielen Kombinationen von Kolbendurchmesser und Hublänge. Hublängen bis zu 200 mm gelten im Allgemeinen als Standardprodukte. Größere Ausführungen mit Hublängen von bis zu 400 mm sind erhältlich. Diese größeren Ausführungen umfassen eine Auswahl an Dämpfungs- und Endlagendämpfungsoptionen, einschließlich einer manuell einstellbaren und bei einigen Modellen selbsteinstellenden Luftdämpfung.

Es gibt auch spezielle Modelle und Varianten für trockene Lebensmittel und Spritzwasserzonen, Reinraum- und ATEX-Anwendungen sowie Varianten mit hitzebeständigen Ausführungen. Hygienische Antriebe für Lebensmittel- und Pharmaanwendungen bieten die gleiche einfache Reinigung und Korrosionsbeständigkeit wie hygienische Standardzylinder sowie eine NSF-H1-konforme Schmierung. Hygienisch geführte Antriebe haben ein glattes, sauberes Design, an dem sich kein Wasser, Schmutz oder Staub ansammeln kann.

Die DFM-Basisbaureihe von Festo ist ein beliebter pneumatischer geführter Antrieb.

Viele der Vorteile großer geführter Antriebe stehen auch bei kleinen geführten Antrieben zur Verfügung, wenn kurze Hublängen und weniger Kraft ausreichen und der Platz knapp ist. Besonders kompakte Modelle bieten Hublängen von nur 5-30 mm.

Zwei Festo DGSL-Mini-Schlitten sind auf einer elektrischen Achse in der Seitenladeeinheit einer Verpackungsmaschine montiert.

Geführte Schlitten bieten eine ähnliche Vielfalt mit Standard- und Spezialmodellen und Optionen, die für die meisten Anwendungen angepasst werden können. Die Palette umfasst Basismodelle mit Hublängen von bis zu 200 mm und mehreren Dämpfungsoptionen, flache und schmale Ausführungen sowie ultrakompakte Modelle mit einer Breite von nur 8 mm und Hublängen von 1 bis 10 mm. Letztere sind ideal für kleine Pick-and-Place- und andere Kurzhubanwendungen. Die Entwicklung immer kompakterer geführter Schlitten spiegelt den Trend der Industrie, insbesondere in der Elektronikmontage, zur Miniaturisierung wider, der von geführten Mini- und Mikroschlitten die gleiche Präzision, Wiederholgenauigkeit und lange Lebensdauer wie von größeren Aktuatoren verlangt.

Auswahl des richtigen Antriebs

Software wie das Pneumatik-Auslegungstool von Festo (zu finden im Online-Katalog des Unternehmens unter dem blauen Reiter „Engineering“) unterstützt Kunden bei der Auswahl und Konfiguration von Pneumatikprodukten. Kunden können ihre Anwendungsparameter eingeben, etwa die zu bewegende Last, den Weg und die Geschwindigkeit sowie den Betriebsdruck. Sie erhalten geeignete Produktempfehlungen sowie eine Vorstellung von der Art der Dämpfung, die ihren Anforderungen entspricht – von einem einfachen Stoßdämpfertyp oder Stoßdämpfer bis hin zu einer manuell einstellbaren oder selbsteinstellenden Luftdämpfung. Dieses Dimensionierungstool geht auch auf die Verwendung von Lagerführungen ein und gibt einen Hinweis darauf, ob Gleitlager oder Kugellager für ihre Betriebsanforderungen besser geeignet sind.

und für pneumatisch geführte Antriebe und Schlitten wächst stetig, was die weitere Ausdehnung der Automatisierung und Verbesserungen in der Antriebskonstruktion widerspiegelt. Diese Antriebe sind überall dort eine ausgezeichnete Wahl, wo Druckluftenergie verfügbar ist. Sie sind kostengünstig, einfach zu konfigurieren und zu installieren, oft wartungsfrei und robust, was eine lange Lebensdauer gewährleistet. Sie sind vielseitig einsetzbar und in einer großen Auswahl an Kolbengrößen und Hublängen erhältlich, mit Basismodellen für die meisten Anwendungen und Spezialvarianten für viele andere. Ihre Führungsfunktion ist bereits konstruiert und eingebaut, so dass, wenn überhaupt, nur minimale Montagearbeiten erforderlich sind. Es ist nicht übertrieben, dass es für die meisten Anwendungen, die Stabilität und/oder wiederholbare Präzision erfordern, einen geführten Antrieb oder Schlitten gibt.

Darren O’Driscoll, Michael Guelker und Julian Beckler sind Produktmanager und Thomas Martin leitet das Produktmanagement (Kolbenstangenantriebe) bei der Festo AG & Co.