{"id":1602,"date":"2021-09-30T15:14:51","date_gmt":"2021-09-30T13:14:51","guid":{"rendered":"https:\/\/linmot.com\/de\/?p=1602"},"modified":"2024-08-12T16:05:08","modified_gmt":"2024-08-12T14:05:08","slug":"massen-zum-schweben-bringen-mit-magspring","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/linmot.com\/de\/blog\/massen-zum-schweben-bringen-mit-magspring\/","title":{"rendered":"Massen zum Schweben bringen mit MagSpring"},"content":{"rendered":"

Sollen bei vertikaler Einbaulage von Direktantrieben schnelle Zykluszeiten erreicht werden oder ein Abst\u00fcrzen einer Achse bei Stromausfall vermieden werden, ist eine Kompensation des Eigengewichts erforderlich. Bisher kommen hier vornehmlich mechanische Federn oder pneumatische Systeme zum Einsatz, die aber mit einigen Nachteilen behaftet sind. Eine \u201amagnetische Feder\u2018 von MagSpring ist in vielen F\u00e4llen daher die bessere Alternative. Zu den gro\u00dfen Vorteilen dieser L\u00f6sung geh\u00f6rt, dass sie als passives Bauteil keinen Stromanschluss ben\u00f6tigt, wartungsfrei ist und \u00fcber den gesamten Arbeitsbereich hinweg eine konstante Kraft liefert.<\/strong><\/p>\n

Immer wieder kommt es bei Werkzeugmaschinen und anderen Anlagen mit federbasierten oder pneumatischen Gewichtsausgleichsystemen an vertikal eingebauten Achsen zu Problemen, wie auch entsprechende Kommentare in Internet-Foren zeigen. Betroffene berichten von pl\u00f6tzlich absackenden Achsen und daraus entstandenen hohen Sch\u00e4den an Werkzeugen und Maschinen. Als Ursachen werden in den Posts fehlerhaft angesteuerte Achsen, Stromausf\u00e4lle und Probleme mit dem Gewichtsausgleichsystem durch Federbruch bzw. Undichtigkeiten genannt. Die verschiedenen Gewichtsausgleichssysteme unterscheiden sich dabei aber nicht nur in ihrer Zuverl\u00e4ssigkeit, sodass sich ein differenzierterer Blick lohnt:<\/p>\n

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Eine Kompensation der Gewichtskraft ist bei vertikaler Einbaulage von Linearmotoren f\u00fcr dynamische Bewegungen bzw. hohe Energieeffizienz unverzichtbar (v.l.n.r. mechanische Feder, pneumatisches System, MagSpring) (Grafik: M. Furler)<\/p>\n

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Einsatzgebiete<\/strong><\/p>\n

Werden elektrische Linear- oder Servomotoren genutzt, um vertikale Bewegungen auszuf\u00fchren, m\u00fcssen sie sowohl w\u00e4hrend der Bewegung als auch im Stillstand eine konstante Kraft aufbringen, um der Gewichtskraft entgegen zu wirken. Wird diese Masse \u00fcber ein geeignetes System ausgeglichen, reduziert sich die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs. In der Regel kann als positiver Nebeneffekt der Antrieb kleiner ausgelegt werden \u2013 mit entsprechend positiver Wirkung auf die zu installierende Anschlussleistung. Dar\u00fcber hinaus bewirkt ein Gewichtsausgleichssystem, dass das Anfahren und Abbremsen der bewegten Masse (z.B. die Gewichte der auf und ab bewegten Teile der Z-Achse einer Werkzeugmaschine einschlie\u00dflich Werkzeughalter und Werkzeug) sanfter ausgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen, Lager weniger belastet sind, keine asymmetrischen Lastverh\u00e4ltnisse beim Hoch- und Runterfahren der Achse auftreten und die Bewegungen nicht zuletzt dynamischer gestaltet werden k\u00f6nnen. In vielen F\u00e4llen werden Gewichtsausgleichssysteme zudem genutzt, um gef\u00e4hrliche Situationen f\u00fcr Werkst\u00fcck, Maschine und Bediener durch pl\u00f6tzlich absackende Achsen wirksam zu verhindern. Derzeit wird je nach Anwendung eines von folgenden vier Prinzipien eingesetzt, um einen Gewichtsausgleich zu realisieren:<\/p>\n

Gegengewicht<\/strong>
\nBei gro\u00dfen Werkzeugmaschinen erfolgt der Gewichtsausgleich vielfach mit Hilfe von Gegengewichten, die \u00fcber Rollenketten oder Seile mit den zu bewegenden Maschinenteilen verbunden sind. In Anbetracht immer kompakterer Bauweisen fehlt allerdings oft der Platz f\u00fcr die Gegengewichte und F\u00fchrungen. Zudem ist das System anf\u00e4llig gegen\u00fcber mechanischem Verschlei\u00df und ist daher wartungsintensiv. \u00c4ndert sich das auszugleichende Gewicht, ist zudem ein Umbau erforderlich. F\u00fcr dynamische Anwendungen ist diese Methode v\u00f6llig ungeeignet, da die Tr\u00e4gheit durch die doppelte bewegte Ma\u00dfe massiv erh\u00f6ht wird.<\/p>\n

Mechanische Feder<\/strong>
\nDie mechanische Feder ist ein sehr preiswertes Konstruktionselement, um die Gewichtskompensation bei vertikaler Einbaulage zu realisieren. Die lineare Kraftzunahme im Arbeitsbereich der Feder gestattet jedoch keine ideale Kompensation der Schwerkraft im ganzen Hubbereich. Zus\u00e4tzlich unterliegen mechanische Federn einem vergleichsweise hohen Verschlei\u00df. Zum Teil alternativ eingesetzte Federpakete erlauben es zwar, \u00fcber einen gr\u00f6\u00dferen Arbeitsbereich eine konstante Kraft zu erzeugen, auch minimieren sie die Folgesch\u00e4den beim Bruch einer Feder, sind aber daf\u00fcr wieder teurer und ben\u00f6tigen viel Platz. \u00c4ndert sich das auszugleichende Gewicht, sind auch bei diesem Ansatz Umbauten erforderlich.<\/p>\n

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Aufbau der magnetischen Feder MagSpring von LinMot (Rendering: LinMot)<\/p>\n

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Pneumatischer Gewichtsausgleich<\/strong>
\nAnders als im Falle der mechanischen Federn k\u00f6nnen mit einem Pneumatikzylinder konstante und vergleichsweise hohe Kr\u00e4fte \u00fcber einen gro\u00dfen Hubbereich realisiert werden. Damit eignen sich Pneumatikzylinder prinzipiell gut f\u00fcr eine Kompensation der Gewichtskraft. Wird ein Ansteuerventil vorgeschaltet, l\u00e4sst sich die Kraft zudem stufenlos einstellen und so auf sich \u00e4ndernde Gewichtskr\u00e4fte reagieren. Erforderlich ist daf\u00fcr allerdings eine zus\u00e4tzliche Steuereinheit.<\/p>\n

Da Pressluft zu den teuersten \u201eEnergietr\u00e4gern\u201c in einer Produktion geh\u00f6rt, schlagen die Energiekosten bei pneumatischen Gewichtsausgleichssystemen deutlich zu Buche und verschlechtern die Wirtschaftlichkeit. Druckluftsysteme sind zudem h\u00e4ufig von Leckagen betroffen, so dass Undichtigkeiten zu einem unerwarteten Absenken der vertikalen Achse f\u00fchren k\u00f6nnen. Druckluftsysteme sind au\u00dferdem wartungsaufw\u00e4ndig und k\u00f6nnen nur dort genutzt werden, wo ein entsprechender Anschluss zur Verf\u00fcgung steht bzw. sie schr\u00e4nken die Mobilit\u00e4t der Maschinen und Anlagen ein.<\/p>\n

Magnetische Feder<\/strong>
\nDie vom Spezialisten f\u00fcr Linearmotoren LinMot entwickelte \u201emagnetische Feder\u201c MagSpring nutzt dagegen die magnetische Absto\u00dfung zur Krafterzeugung und ist damit wartungsfrei und besonders zuverl\u00e4ssig. Durch eine spezielle Ausf\u00fchrung der flussf\u00fchrenden Komponenten sowie der Magnete werden die deutlich nichtlinearen Zusammenh\u00e4nge zwischen Kraft und Weg von Magnet-Eisen-Anordnungen in einen konstanten Kraftverlauf \u00fcbergef\u00fchrt. Je nach St\u00e4rkeklasse der MagSpring befinden sich die Permanentmagnete entweder im Stator (Eisen, Nickel-beschichtet), im L\u00e4ufer oder in beiden Komponenten (Bild 2). Die Lagerung des L\u00e4ufers aus Chrom-Nickel-Stahl (1.4301) erfolgt \u00fcber eine integrierte Gleitf\u00fchrung, sodass die magnetischen Federn von LinMot konstruktiv \u00e4hnlich wie Gasdruckfedern eingesetzt werden k\u00f6nnen, aber eine wesentlich h\u00f6here Lebensdauer bieten. Da die MagSprings passive Komponenten sind, ben\u00f6tigen sie keine Energiezufuhr und k\u00f6nnen daher auch in sicherheitstechnisch-relevanten Anwendungen problemlos verwendet werden. Aufgrund der wegunabh\u00e4ngigen Krafterzeugung eignen sich MagSprings nicht nur vorz\u00fcglich f\u00fcr die Kompensation von Gewichtskr\u00e4ften in vertikalen Antriebsanordnungen. Dank der konstanten Kraft-Wegkennlinie bieten sich f\u00fcr die magnetischen Federn vielf\u00e4ltige weitere Einsatzf\u00e4lle an, wie etwa die lageunabh\u00e4ngige Erzeugung einer konstanten Anpresskraft, das Aufbringen einer konstanten Haltekraft \u00fcber einen gro\u00dfen Hubbereich oder die einseitige Kraftunterst\u00fctzung in Antriebsaufgaben. Als passives Element k\u00f6nnen MagSprings auch eingesetzt werden, um Maschinenachsen oder andere Komponenten wie Greifer oder Schieber im stromlosen Zustand in einer definierten Lage zu halten bzw. zu fahren.<\/p>\n

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Die Produktfamilie magnetischer Federn MagSpring umfasst derzeit \u00fcber 30 Varianten Photo: LinMot)<\/p>\n

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Arbeitsbereich der magnetischen Feder<\/strong><\/p>\n

Im entspannten Zustand befindet sich der L\u00e4ufer ungef\u00e4hr mittig im Stator, wobei das als Arbeitsende bezeichnete Ende des L\u00e4ufers etwas mehr aus dem Stator herausragt. Grunds\u00e4tzlich k\u00f6nnen aber beide Enden des L\u00e4ufers f\u00fcr die Lastbefestigung verwendet werden. Ausgehend von dieser Ruheposition kann der L\u00e4ufer in beide Richtungen aus dem Stator gezogen oder gedr\u00fcckt werden. Dabei wird die Kraft auf einer kurzen Wegstrecke von Null auf den Nennwert aufgebaut. Anschlie\u00dfend beginnt der Arbeitshub mit der konstanten Kraft. Die Startposition beschreibt die Distanz zwischen dem Arbeitsende des L\u00e4ufers und dem Statorende zu Beginn des konstanten Kraftbereichs. LinMot bietet zwei MagSpring-Serien f\u00fcr den Kraftbereich 11 bis 22 N und einem Hub bis 290 mm bzw. 40 bis 60 N und einem Hub bis 275 mm als Katalogware an (Bild 3). Eine noch st\u00e4rkere Variante mit bis zu 120 N Nennkraft ist in Entwicklung und wird ab 2014 lieferbar sein. Die effektive Kraft liegt aufgrund der Material- und Fertigungstoleranz im Bereich von +\/- 5% der Nennkraft. F\u00fcr die Montage der magnetischen Federn sind Montageflansche und Adapter lieferbar. Mit diesem Zubeh\u00f6r k\u00f6nnen die MagSprings direkt an der Linearf\u00fchrung H01 oder der Br\u00fcckenf\u00fchrung B01 des Unternehmens befestigt werden. Dank eines kleinen Durchmessers von nur 20 bzw. 37 mm lassen sich die magnetischen Federn auch bei beengten Platzverh\u00e4ltnissen einsetzen.<\/p>\n

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Anders als eine mechanische Feder bietet die MagSpring \u00fcber den ganzen Arbeitshubbereich eine konstante Kraft (SP = Startpunkt) (Grafik: LinMot)<\/p>\n

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Fazit<\/strong><\/p>\n

Mit einer MagSpring kann die Gewichtskraft bei einer vertikal angeordneten und von einem Servo- oder Linearmotor angetriebenen Achse passiv kompensiert werden. Die magnetische Feder generiert dazu eine \u00fcber den ganzen Hubbereich konstante Kraft, unabh\u00e4ngig von Position, Geschwindigkeit oder Einbaulage. Der Motor muss nur noch die dynamischen Kr\u00e4fte aufbringen und kann entsprechend schneller agieren und kleiner dimensioniert werden. Wird die Kraft der MagSpring gr\u00f6\u00dfer gew\u00e4hlt als die Gewichtskraft der Lastmasse ist, kann die Last bei einer Stromunterbrechung in eine sichere Position gebracht werden. MagSprings sind zudem wartungsfrei, unempfindlich gegen\u00fcber Verschlei\u00df und nehmen nur wenig Platz in Anspruch. Dank ihrer fast idealen Eigenschaften ist die magnetische Feder deshalb den anderen Gewichtsausgleichssystemen (Gegengewicht, mechanische Feder und pneumatischer Gewichtsausgleich) in vielen Anwendungen \u00fcberlegen.<\/p>\n

Mehr zu unseren magnetischen Federn<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Sollen bei vertikaler Einbaulage von Direktantrieben schnelle Zykluszeiten erreicht werden oder ein Abst\u00fcrzen einer Achse bei Stromausfall vermieden werden, ist eine Kompensation des Eigengewichts erforderlich. Bisher kommen hier vornehmlich mechanische Federn oder pneumatische Systeme zum Einsatz, die aber mit einigen Nachteilen behaftet sind. 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