Aktor

Ein Aktuator ist eine Komponente einer Maschine, die einen Mechanismus oder ein System bewegt und steuert, z. B. durch Öffnen eines Ventils. Einfach ausgedrückt, ist er ein "Beweger". ⓘ

Ein Aktuator benötigt ein Steuergerät (gesteuert durch ein Steuersignal) und eine Energiequelle. Das Steuersignal ist relativ energiearm und kann elektrische Spannung oder Strom, pneumatischer oder hydraulischer Flüssigkeitsdruck oder sogar menschliche Kraft sein. Die Hauptenergiequelle kann ein elektrischer Strom, hydraulischer Druck oder pneumatischer Druck sein. Das Steuergerät ist in der Regel ein Ventil. Wenn es ein Steuersignal empfängt, reagiert ein Stellglied, indem es die Energie der Quelle in mechanische Bewegung umwandelt. Im elektrischen, hydraulischen und pneumatischen Sinne handelt es sich um eine Form der Automatisierung oder automatischen Steuerung. ⓘ

Betätigung eines Absperrschiebers per Handrad (links) oder pneumatischem Ventilantrieb (rechts) ⓘ

Als Aktor, auch Aktuator (englisch: actuator), werden meist antriebstechnische Baueinheiten bezeichnet, die ein elektrisches Signal (vom Steuerungscomputer ausgegebene Befehle) in mechanische Bewegungen bzw. Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur umsetzen und damit aktiv in den gesteuerten Prozess eingreifen. ⓘ

Die zugehörige technische Disziplin ist die Aktorik. ⓘ

Geschichte

Die Geschichte des pneumatischen und hydraulischen Antriebssystems reicht bis in die Zeit des Zweiten Weltkriegs (1938) zurück. Sie wurde von Xhiter Anckeleman entwickelt, der sein Wissen über Motoren und Bremssysteme nutzte, um eine neue Lösung zu finden, die sicherstellt, dass die Bremsen eines Fahrzeugs die maximale Kraft bei geringstmöglichem Verschleiß ausüben. ⓘ

Arten von Aktuatoren

Weicher Aktuator

Ein weicher Aktuator ist ein Aktuator, der seine Form als Reaktion auf mechanische, thermische, magnetische und elektrische Stimuli ändert. Weiche Aktoren werden hauptsächlich in der menschlichen Robotik eingesetzt und nicht in der Industrie, wo die meisten Aktoren verwendet werden. Die meisten Aktuatoren sind mechanisch robust, haben aber im Vergleich zu weichen Aktuatoren keine Anpassungsfähigkeit. Die weichen Aktuatoren werden vor allem in der Sicherheit und Gesundheitsfürsorge für Menschen eingesetzt, weshalb sie sich an die Umgebung anpassen können, indem sie ihre Teile demontieren. Aus diesem Grund wird die Energie, die hinter den weichen Aktoren steckt, durch flexible Materialien wie bestimmte Polymere und Flüssigkeiten angetrieben, die für den Menschen unschädlich sind. ⓘ

Hydraulisch

Der hydraulische Aktuator besteht aus einem Zylinder oder einem Flüssigkeitsmotor, der die hydraulische Kraft nutzt, um eine mechanische Bewegung zu ermöglichen. Die mechanische Bewegung wird in Form einer linearen, rotierenden oder oszillierenden Bewegung ausgegeben. Da sich Flüssigkeiten kaum komprimieren lassen, kann ein hydraulischer Aktuator eine große Kraft ausüben. Der Nachteil dieses Ansatzes ist seine begrenzte Beschleunigung. ⓘ

Der Hydraulikzylinder besteht aus einem hohlen zylindrischen Rohr, in dem ein Kolben gleiten kann. Der Begriff einfachwirkend wird verwendet, wenn der Flüssigkeitsdruck nur auf einer Seite des Kolbens anliegt. Der Kolben kann sich nur in eine Richtung bewegen, wobei häufig eine Feder verwendet wird, um dem Kolben einen Rückhub zu ermöglichen. Von doppelt wirkenden Antrieben spricht man, wenn der Druck auf beiden Seiten des Kolbens anliegt; jeder Kraftunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens bewegt den Kolben zur einen oder anderen Seite.

Pneumatische Zahnstangenantriebe für die Ventilsteuerung von Wasserleitungen ⓘ

Pneumatisch

Mit pneumatischen Stellantrieben lassen sich aus relativ kleinen Druckänderungen große Kräfte erzeugen. Pneumatische Energie ist für die Steuerung von Hauptmotoren wünschenswert, weil sie beim An- und Abfahren schnell reagieren kann, da die Energiequelle für den Betrieb nicht in Reserve gehalten werden muss. Außerdem sind pneumatische Aktuatoren billiger und oft leistungsfähiger als andere Aktuatoren. Diese Kräfte werden häufig bei Ventilen eingesetzt, um Membranen zu bewegen und so den Luftstrom durch das Ventil zu beeinflussen. ⓘ

Der Vorteil der pneumatischen Antriebe besteht gerade in der hohen Kraft, die auf relativ kleinem Raum zur Verfügung steht. Der Hauptnachteil dieser Technologie besteht darin, dass ein Druckluftnetz aus mehreren Komponenten wie Kompressoren, Behältern, Filtern, Trocknern, Luftaufbereitungsanlagen, Ventilen, Schläuchen usw. erforderlich ist, was die Technologie energieineffizient macht und zu Energieverlusten von bis zu 95 % führen kann ⓘ

Elektrischer Ventilantrieb zur Steuerung eines ½-Nadelventils. ⓘ

Elektrisch

Seit 1960 wurden verschiedene Stellantriebstechnologien entwickelt. Elektrische Stellantriebe können in die folgenden Gruppen eingeteilt werden: ⓘ

Elektromechanischer Stellantrieb (EMA)

Er wandelt die Rotationskraft eines elektrischen Drehmotors in eine lineare Bewegung um, um die gewünschte lineare Bewegung durch einen Mechanismus zu erzeugen, entweder durch einen Riemen (Riemenantriebsachse mit Schrittmotor oder Servoantrieb) oder durch eine Spindel (entweder eine Kugel- oder eine Leitspindel oder eine Planetenrollspindel). ⓘ

Die Hauptvorteile der elektromechanischen Aktuatoren sind ihre relativ gute Genauigkeit im Vergleich zur Pneumatik, ihre mögliche lange Lebensdauer und der geringe Wartungsaufwand (ggf. muss geschmiert werden). Es ist möglich, relativ hohe Kräfte in der Größenordnung von 100 kN zu erreichen. ⓘ

Die Haupteinschränkungen dieser Antriebe sind die erreichbare Geschwindigkeit, die großen Abmessungen und das Gewicht, das sie erfordern. Die Hauptanwendung dieser Aktuatoren ist hauptsächlich in Geräten des Gesundheitswesens und der Fabrikautomation zu sehen. ⓘ

Elektrohydraulischer Stellantrieb

Ein anderer Ansatz ist ein elektrohydraulischer Aktuator, bei dem der Elektromotor die Hauptantriebskraft bleibt, aber ein Drehmoment zum Betreiben eines Hydraulikspeichers bereitstellt, der dann zur Übertragung der Betätigungskraft verwendet wird, ähnlich wie Dieselmotor/Hydraulik typischerweise in schweren Geräten eingesetzt werden. ⓘ

Elektrische Energie wird zur Betätigung von Geräten wie Drehklappen oder elektrisch betriebenen Bau- und Aushubmaschinen verwendet. ⓘ

Bei der Steuerung des Flüssigkeitsdurchflusses durch ein Ventil wird in der Regel eine Bremse über dem Motor installiert, um zu verhindern, dass der Flüssigkeitsdruck das Ventil zwangsweise öffnet. Wenn keine Bremse installiert ist, wird der Antrieb aktiviert, um das Ventil wieder zu schließen, das dann langsam wieder geöffnet wird. Dadurch entsteht eine Oszillation (öffnen, schließen, öffnen ...), und der Motor und das Stellglied werden schließlich beschädigt. ⓘ

Linearmotor

Linearmotoren unterscheiden sich von elektromechanischen Stellantrieben, sie arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie elektrische Drehmotoren, man kann sie sich wie einen Drehmotor vorstellen, der auf- und abgerollt wurde. Anstatt eine Drehbewegung zu erzeugen, erzeugen sie eine lineare Kraft entlang ihrer Länge. Da Linearmotoren geringere Reibungsverluste verursachen als andere Geräte, können einige Linearmotorprodukte über hundert Millionen Zyklen halten. ⓘ

Linearmotoren werden in 3 grundlegende Kategorien unterteilt: flache Linearmotoren (klassisch), U-Kanal-Linearmotoren und röhrenförmige Linearmotoren. ⓘ

Die Linearmotortechnologie ist die beste Lösung im Zusammenhang mit einer geringen Last (bis zu 30 kg), da sie das höchste Niveau an Geschwindigkeit, Kontrolle und Genauigkeit bietet. ⓘ

Sie ist in der Tat die am meisten gewünschte und vielseitigste Technologie. Aufgrund der Einschränkungen der Pneumatik ist die derzeitige elektrische Antriebstechnologie eine praktikable Lösung für spezifische Industrieanwendungen und wurde erfolgreich in Marktsegmenten wie der Uhren-, Halbleiter- und Pharmaindustrie eingeführt (bis zu 60 % der Anwendungen). Das wachsende Interesse an dieser Technologie lässt sich durch die folgenden Merkmale erklären:

• Hohe Präzision (gleich oder kleiner als 0,1 mm);
• Hohe Zyklusrate (mehr als 100 Zyklen/min);
• Möglicher Einsatz in sauberen und hochregulierten Umgebungen (kein Austritt von Luft, Feuchtigkeit oder Schmiermitteln erlaubt);
•  Bedarf an programmierbarer Bewegung bei komplexen Vorgängen ⓘ

Die Hauptnachteile von Linearmotoren sind:

• Sie sind teuer im Vergleich zu Pneumatik und anderen elektrischen Technologien.
• Sie sind aufgrund ihrer Größe und ihres hohen Gewichts nicht leicht in Standardmaschinen zu integrieren.
• Sie haben eine geringe Kraftdichte im Vergleich zu pneumatischen und elektromechanischen Antrieben.

Rotationsmotor ⓘ

Rotationsmotoren sind Aktuatoren, die ein Stück Energie nutzen, um eine oszillierende Bewegung in einem bestimmten Bewegungswinkel zu erzeugen. Drehantriebe können eine Drehung von bis zu 360 Grad ausführen. Dadurch unterscheidet er sich von einem Linearmotor, da der Linearmotor im Gegensatz zum Drehmotor an eine bestimmte Strecke gebunden ist. Drehmotoren können in jedem beliebigen Winkel in einem Feld eingestellt werden, so dass das Gerät einfacher einzurichten ist und dennoch eine lange Lebensdauer und ein bestimmtes Drehmoment aufweist. ⓘ

Drehmotoren können mit 3 verschiedenen Techniken angetrieben werden: elektrisch, mit Flüssigkeit oder manuell. Bei den flüssigkeitsbetriebenen Drehantrieben gibt es jedoch 5 Untergruppen von Antrieben wie Scotch Yoke, Vane, Rack-and-Pinion, Helical und Elektrohydraulik. Alle Formen haben ihr eigenes spezifisches Design und ihren eigenen Verwendungszweck, der die Möglichkeit bietet, mehrere Winkelgrade zu wählen. ⓘ

Die Anwendungsmöglichkeiten für Drehantriebe sind schier endlos, aber man findet sie vor allem in Geräten und Industrien, die unter hydraulischem Druck stehen. Drehantriebe werden sogar im Bereich der Robotik eingesetzt, wenn man Roboterarme in Industrieanlagen sieht. Alles, was Sie sehen, das mit Bewegungssteuerungssystemen arbeitet, um eine Aufgabe in der Technik zu erfüllen, ist mit großer Wahrscheinlichkeit ein Drehantrieb. ⓘ

Thermisch oder magnetisch

Aktoren, die durch die Zufuhr von thermischer oder magnetischer Energie zu einem Festkörpermaterial betätigt werden können, wurden in kommerziellen Anwendungen eingesetzt. Thermische Aktuatoren können durch Temperatur oder Erwärmung durch den Joule-Effekt ausgelöst werden und sind in der Regel kompakt, leicht, wirtschaftlich und haben eine hohe Leistungsdichte. Diese Aktuatoren verwenden Formgedächtnismaterialien wie Formgedächtnislegierungen (SMA) oder magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA). ⓘ

Mechanisch

Ein mechanischer Aktuator führt eine Bewegung aus, indem er eine Art von Bewegung, z. B. eine Drehbewegung, in eine andere Art von Bewegung, z. B. eine lineare Bewegung, umwandelt. Ein Beispiel dafür ist eine Zahnstange mit Ritzel. Die Funktionsweise mechanischer Aktuatoren basiert auf Kombinationen von Bauteilen, wie Zahnrädern und Schienen oder Riemenscheiben und Ketten. ⓘ

3D-gedruckte weiche Aktuatoren

Die meisten der vorhandenen weichen Aktoren werden in mehrstufigen Verfahren mit geringer Ausbeute hergestellt, wie z. B. Mikroformen, Freiformherstellung und Maskenlithografie. Diese Methoden erfordern jedoch die manuelle Herstellung von Bauteilen, Nachbearbeitung/Montage und langwierige Iterationen, bis die Herstellung ausgereift ist. Um die mühsamen und zeitaufwändigen Aspekte der derzeitigen Herstellungsverfahren zu vermeiden, suchen Forscher nach einem geeigneten Fertigungsansatz für die effektive Herstellung von weichen Aktoren. Daher werden spezielle weiche Systeme, die in einem einzigen Schritt durch Rapid-Prototyping-Methoden, wie z. B. 3D-Druck, hergestellt werden können, eingesetzt, um die Lücke zwischen dem Design und der Implementierung weicher Aktoren zu schließen und den Prozess schneller, kostengünstiger und einfacher zu gestalten. Sie ermöglichen auch die Integration aller Aktuatorkomponenten in eine einzige Struktur, wodurch externe Verbindungen, Klebstoffe und Befestigungselemente überflüssig werden. ⓘ

Aktoren aus Formgedächtnispolymeren (SMP) sind unseren Muskeln am ähnlichsten und reagieren auf eine Reihe von Reizen wie Licht, Strom, Magnetismus, Wärme, pH-Wert und Feuchtigkeitsänderungen. Sie weisen einige Schwächen auf, wie z. B. Ermüdung und lange Reaktionszeiten, die durch die Einführung intelligenter Materialien und die Kombination verschiedener Materialien mit Hilfe fortschrittlicher Fertigungstechnologien verbessert werden konnten. Das Aufkommen von 3D-Druckern hat einen neuen Weg für die Herstellung kostengünstiger und reaktionsschneller SMP-Aktuatoren eröffnet. Der Prozess, bei dem SMP auf äußere Reize wie Wärme, Feuchtigkeit, elektrische Impulse, Licht oder Magnetfelder reagiert, wird als Formgedächtniseffekt (SME) bezeichnet. SMP weist einige vorteilhafte Eigenschaften auf, wie z. B. eine geringe Dichte, hohe Dehnungserholung, Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit. ⓘ

Photopolymere/lichtaktivierte Polymere (LAP) sind eine weitere Art von SMP, die durch Lichtreize aktiviert werden. Die LAP-Aktuatoren können ferngesteuert werden und reagieren sofort und ohne physischen Kontakt, nur durch die Veränderung der Lichtfrequenz oder -intensität. ⓘ

Der Bedarf an weichen, leichten und biokompatiblen weichen Aktoren in der Soft-Robotik hat die Forscher dazu veranlasst, pneumatische weiche Aktoren zu entwickeln, da sie von Natur aus nachgiebig sind und eine Muskelspannung erzeugen können. ⓘ

Polymere wie dielektrische Elastomere (DE), ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe (IPMC), ionische elektroaktive Polymere, Polyelektrolytgele und Gel-Metall-Verbundwerkstoffe sind gängige Materialien zur Bildung von 3D-Schichtstrukturen, die für den Einsatz als weiche Aktuatoren maßgeschneidert werden können. EAP-Aktuatoren werden als 3D-gedruckte weiche Aktuatoren kategorisiert, die auf elektrische Erregung mit einer Verformung ihrer Form reagieren. ⓘ

Beispiele und Anwendungen

In der Technik werden Aktuatoren häufig als Mechanismen verwendet, um Bewegungen zu erzeugen oder ein Objekt zu fixieren, um Bewegungen zu verhindern. In der Elektrotechnik sind Aktoren ein Teilbereich der Wandler. Sie sind Geräte, die ein Eingangssignal (meist ein elektrisches Signal) in eine Bewegung umwandeln. ⓘ

Beispiele für Aktuatoren

• Kammantrieb
• Digitale Mikrospiegelvorrichtung
• Elektromotor
• Elektroaktives Polymer
• Hydraulischer Zylinder
• Piezoelektrischer Aktor
• Pneumatischer Aktor
• Spindelhubgetriebe
• Servomechanismus
• Magnetspule
• Schrittmotor
• Formgedächtnis-Legierung
• Thermischer Bimorph
• Hydraulische Antriebe ⓘ

Umwandlung von Kreisbewegungen in lineare Bewegungen

Motoren werden meist eingesetzt, wenn kreisförmige Bewegungen erforderlich sind, können aber auch für lineare Anwendungen verwendet werden, indem die kreisförmige Bewegung mit einer Spindel oder einem ähnlichen Mechanismus in eine lineare Bewegung umgewandelt wird. Andererseits gibt es Aktoren, die von Natur aus linear sind, wie z. B. piezoelektrische Aktoren. Die Umwandlung zwischen kreisförmiger und linearer Bewegung erfolgt in der Regel über einige einfache Mechanismen:

• Spindel: Spindelhubgetriebe, Kugelumlaufspindeln und Rollenumlaufspindeln funktionieren alle nach dem Prinzip einer einfachen Maschine, der Schraube. Durch Drehen der Mutter des Stellantriebs bewegt sich die Spindelwelle in einer Linie. Wird die Spindelwelle bewegt, dreht sich die Mutter.
• Rad und Achse: Hebezeuge, Winden, Zahnstangen und Ritzel, Kettenantriebe, Riemenantriebe, starre Ketten und starre Riemen funktionieren nach dem Prinzip von Rad und Achse. Durch die Drehung eines Rades/einer Achse (z. B. Trommel, Zahnrad, Riemenscheibe oder Welle) bewegt sich ein lineares Element (z. B. Seil, Zahnstange, Kette oder Riemen). Durch die Bewegung des linearen Elements dreht sich das Rad/die Achse. ⓘ

Virtuelle Instrumentierung

Bei der virtuellen Instrumentierung sind Aktoren und Sensoren die Hardware-Ergänzungen der virtuellen Instrumente. ⓘ

Leistungsmetriken

Zu den Leistungskennzahlen von Aktuatoren gehören Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft (alternativ Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und Drehmoment) sowie Energieeffizienz und Faktoren wie Masse, Volumen, Betriebsbedingungen und Haltbarkeit, um nur einige zu nennen. ⓘ

Kraft

Bei der Betrachtung der Kraft in Aktuatoren für Anwendungen sollten zwei Hauptmetriken berücksichtigt werden. Dabei handelt es sich um statische und dynamische Belastungen. Die statische Belastung ist die Kraftfähigkeit des Aktuators, wenn er sich nicht bewegt. Umgekehrt ist die dynamische Belastung des Aktuators die Kraftfähigkeit während der Bewegung. ⓘ

Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit sollte in erster Linie bei unbelastetem Zustand betrachtet werden, da sie mit zunehmender Belastung unweigerlich abnimmt. Die Geschwindigkeit, mit der sie abnimmt, steht in direktem Zusammenhang mit der Höhe der Kraft und der Ausgangsgeschwindigkeit. ⓘ

Betriebsbedingungen

Stellantriebe werden in der Regel nach dem Standard-IP-Code eingestuft. Stellantriebe, die für gefährliche Umgebungen ausgelegt sind, haben eine höhere Schutzart als Stellantriebe für den privaten oder allgemeinen industriellen Gebrauch. ⓘ

Langlebigkeit

Dies wird von jedem einzelnen Hersteller in Abhängigkeit von der Verwendung und Qualität festgelegt. ⓘ

Anwendungsgebiete

Aktoren sind in der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik signalwandlerbezogen das Gegenstück zu Sensoren und bilden die Stellglieder in einem Regelkreis. Sie setzen bei einem Regelungsvorgang die Signale in Wirkungen – durch mechanische Arbeit bei Bewegungsregelung – um, mit denen die Regelgröße beeinflusst wird. Ein Beispiel ist das Öffnen und Schließen eines Ventils oder einer Lüftungsklappe. ⓘ

In der Robotik wird anstelle von Aktor oft gleichbedeutend der Ausdruck Effektor gebraucht. So wird dann das letzte Element einer kinematischen Kette auch als Endeffektor bezeichnet. Bei einem Roboter dient dieser Aktor bzw. Effektor beispielsweise zum Ergreifen und Bearbeiten von Gegenständen und erzeugt so einen Effekt. ⓘ

In Teilgebieten der Mechatronik, wie der Aktorik oder Lineartechnik, finden elektromechanische Antriebe, etwa für Hub- und Verstellsysteme, ihren Einsatz, die im Allgemeinen als Aktoren bezeichnet werden. Auch der Schrittmotor des Schreib/Lese-Kopfs einer Festplatte oder der ausgleichende Wagen bei einem stehenden Pendel stellen einen Aktor dar. Bei der Steuerung des Prozesses wird zwischen einem offenen und einem geschlossenen Regelkreis unterschieden. ⓘ

Aktor eines Festplattenlaufwerkes ⓘ

Aktorprinzipien

• induktiv arbeitende Elektromotoren
• Bimetall-Aktoren
• Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren
  • z. B. Integrated Power Actuator (IPA)
• Zylinder (Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder, Elektrozylinder)
• Elektrochemische Aktoren
• Elektromechanische Aktoren
  • Scotch-Yoke-Aktoren (Aktoren nach dem Prinzip der Kurbelschlaufe)
• Piezoaktor
• Magnetostriktiver Aktor
• Rheologischer Aktor
• Formgedächtnislegierungs-Aktoren
• Elektroaktive Polymeraktoren ⓘ

Aus dem Bereich der Neuen Materialien stammen Entwicklungen von Aktoren, die auf Änderungen bestimmter Umgebungsgrößen mit definierten Aktorwirkungen reagieren. Sie können damit elektrische Regelstrecken durch ein einziges Element ersetzen. Aktoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen und Dehnstoffelementen sind temperatursensitiv und kommen beispielsweise in Temperaturreglern zum Einsatz. Formgedächtnislegierungs-Aktoren schaffen neue Möglichkeiten und bieten Vorteile u. a. im Hinblick auf Bauraum und Gewicht, z. B. können flächige Biegeaktoren, bei denen Formgedächtnislegierungs-Drähte in einen Faserkunststoffverbund integriert werden, je nach Größe eine Auslenkung im Bereich von wenigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern erreichen. ⓘ

Smarte Hydrogele werden unter anderem für Chemostate verwendet, die pH-Wert, Ionen- oder Stoffmengenkonzentrationen automatisch regulieren. ⓘ