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Wählen Sie das beste lineare Positioniergerät für Ihre Anwendung

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Kartesisches Handhabungs- und Bestückungssystem

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Ein Überblick über die Grundlagen der gängigsten linearen Positioniervorrichtungen hilft Anwendern dabei, diese für ihre Anwendungen richtig auszuwählen.

Linearantriebssysteme werden bereits seit Jahrtausenden eingesetzt – schon die alten Ägypter nutzten Baumstämme, um schwere Steinblöcke zu bewegen, und legten damit den Grundstein für lineare Bewegungslösungen wie Kugelumlaufspindeln und Rollenradsysteme. Heute wird die Lineartechnik eingesetzt, um Maschinenkomponenten in einer Vielzahl von Anwendungen unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau, in der Medizintechnik, in der Fabrikautomation und in der Verpackungsindustrie zu stützen, zu positionieren, zu führen und zu bewegen. Während die grundlegenden Anforderungen an die Lineartechnik in der Tragfähigkeit und der Bewegungsgenauigkeit bestehen, sind in vielen Fällen auch andere Anforderungen von Bedeutung.

Die in einem Produkt eingesetzte Linearantriebstechnik spielt eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung von Funktionalität, Leistung, Langlebigkeit, Energieverbrauch und anderen Eigenschaften, die es dem Produkt ermöglichen, sich gegenüber der Konkurrenz zu behaupten. Ingenieure können aus einer Reihe von Linearantriebstechnologien wählen, darunter Gewindespindeln, Kugelumlaufspindeln, Zahnstangen- und Ritzel-Systeme, Riemenantriebe, Linearmotoren und Rollenritzel-Systeme. Es ist entscheidend, alle Optionen sorgfältig abzuwägen, um häufige Probleme wie geringe Genauigkeit, Spiel/Vibrationen, hohe Kosten, verschmutzungsanfälligen Betrieb, hohen Wartungsaufwand, geringe Tragfähigkeit, übermäßige Geräuschentwicklung, niedrige Drehzahl und so weiter zu vermeiden. Ein systematischer Auswahlprozess kann sicherstellen, dass die Linearantriebstechnik so ausgewählt wird, dass sie den Anforderungen der Anwendung entspricht. Die Wahl der richtigen Technologie kann zudem die Komplexität der Konstruktion verringern, die Leistung verbessern und die Gesamtkosten der Montage senken.

1. Gewindespindeln
Gewindespindeln nutzen den Steigungswinkel eines Gewindes, um eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln. Die große Gleitkontaktfläche zwischen den Gewindeelementen (Außen- und Innengewinde) führt zu relativ hohen Reibungsverlusten. Das hat zur Folge, dass Gewindespindeln weniger effizient und nicht so präzise sind wie Kugelumlaufspindeln. Gewindespindeln bieten eine relativ hohe Tragfähigkeit, wenn auch in der Regel geringer als bei Kugelumlaufspindeln. Ein wesentlicher Vorteil von Gewindespindeln sind die niedrigen Kosten – sie kosten in der Regel nur ein Zehntel des Preises vergleichbarer Kugelumlaufspindeln. Leitspindeln sind in verschiedenen Steigungsgrößen erhältlich, sodass die Steigung so gewählt werden kann, dass ein optimales Verhältnis zwischen Positioniergenauigkeit und Geschwindigkeit erzielt wird. Leitspindeln erzeugen im Allgemeinen nur minimale Geräusche, solange eine ausreichende Schmierung gewährleistet ist. Bei Bewegungen über große Wege können sie jedoch schwierig einzusetzen sein, da die Spindel zwischen den beiden Enden in der Regel nicht abgestützt ist.

2. Kugelumlaufspindeln
Der Kugelumlaufspindelantrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelmutter mit umlaufenden Kugeln, die in den von Spindel und Mutter gebildeten Nuten rollen. Die Kugelumlaufspindel verteilt die Last auf eine große Anzahl von Wälzkörpern, was zu einer hohen Tragfähigkeit führt. Der Einsatz einer großen Anzahl präziser Wälzkörper sorgt zudem für eine hohe Genauigkeit. Darüber hinaus zeichnen sich Kugelumlaufspindeln durch geringe Reibung aus. Dies führt zu einem hohen mechanischen Wirkungsgrad und einem reduzierten Leistungsbedarf. Der Einschaltdauerbetrieb von Kugelumlaufspindeln ist recht hoch, da sie relativ wenig Reibungswärme erzeugen. Im Vergleich zu anderen linearen Antriebstechnologien sind Kugelumlaufspindeln jedoch tendenziell teuer und erfordern eine regelmäßige Schmierung, um eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten. Schließlich neigen Kugelumlaufspindeln zu Geräuschentwicklung, die in erster Linie durch den Kugelumlauf verursacht wird.

3. Riemenantriebssysteme
Linearantriebssysteme mit Riemenantrieb und Kugelführung werden in der Regel gewählt, wenn hohe Geschwindigkeiten, hohe Beschleunigungswerte und lange Hubwege die wichtigsten Kriterien sind. Riemengetriebene, gleitgeführte Linearantriebe bieten etwas geringere Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte bei entsprechend geringeren Kosten. Die lineare Positioniergenauigkeit von Riemenantrieben ist, wie zu erwarten, nicht so hoch wie bei Gewindespindeln oder Kugelumlaufspindeln. Die Tragfähigkeit sowohl von kugelführenden als auch von gleitgeführten Riemenantrieben ist etwas geringer als bei Kugelumlaufspindeln. Riemendehnung und Steifigkeit sind weitere Nachteile. Riemengetriebene Linearantriebe sind im Allgemeinen für hohe Einschaltdauern geeignet, da sie Probleme durch Reibungswärmeentwicklung in den Lagern von Gewindespindeln oder Kugelumlaufspindeln vermeiden. Zu den weiteren Vorteilen von Riemenantrieben gehört, dass sie relativ geräuscharm sind und nur wenig Wartung erfordern.

4. Kettenantriebe
Kettenantriebe wandeln eine Drehbewegung durch eine Reihe von Kettengliedern, die in ein Zahnrad und eine lineare Führungsschiene eingreifen, in eine lineare Bewegung um. Da sie aus Metall bestehen, haben Kettenantriebe gegenüber Riemenantrieben einen Vorteil. Außerdem benötigen sie weniger Platz als Riemenantriebe und sind unempfindlich gegenüber Schäden durch Öl, Fett, Sonnenlicht oder Alterung. Im Gegensatz zu Riemenantrieben können Kettenantriebe auch unter nassen Bedingungen betrieben werden. Andererseits erzeugen Kettenantriebe in der Regel mehr Geräusche und neigen stärker zu Vibrationen als Riemenantriebe; zudem weisen sie eine geringere Belastbarkeit und Lebensdauer auf als Zahnradantriebe.

5. Linearmotoren
Linearmotoren basieren auf dem Konzept, einen herkömmlichen rotierenden Servomotor „auszurollen“, wobei der Stator zum Antriebselement und der Rotor zu einer Spule oder Magnetschiene wird. Linearmotoren ermöglichen eine direkte lineare Bewegung ohne rotatorische Übertragungsvorrichtungen. Gebürstete Linearmotoren verwenden Spulen in der Linearschiene und Magnete im Antriebselement. Bürsten im Antriebselement berühren eine über die gesamte Länge des Motors verlaufende Leiste, um die Kommutierung zu gewährleisten. Sowohl die Wicklungen als auch das Antriebselement sind im Antriebselement eines linearen Schrittmotors untergebracht. Zu den Vorteilen von Linearmotoren zählen hohe Drehzahlen, hohe Genauigkeit und schnelle Ansprechzeiten. Zu den Einschränkungen dieses Ansatzes zählen hohe Kosten, große Baugrößen und die Erzeugung beträchtlicher Wärmemengen. Linearmotoren weisen zudem eine geringe Tragfähigkeit auf, ähnlich wie beim Vergleich von Motoren mit Direktantrieb und Motoren mit Getriebe – der Motor mit Direktantrieb muss deutlich größer sein, um die gleiche Tragfähigkeit zu erreichen.

6. Zahnstangen- und Ritzelgetriebe
Zahnstangen- und Ritzelgetriebe bestehen aus einem kreisförmigen Zahnrad, dem sogenannten Ritzel, das in die Zähne eines linearen Zahnstangenprofils eingreift, um Drehbewegung in Linearbewegung umzuwandeln. Zahnstangen- und Ritzelgetriebe werden häufig als Linearantriebe in einer Vielzahl von Maschinen eingesetzt. Beispielsweise dienen sie zur Bewegung der Achsen von CNC-Werkzeugmaschinen wie Bearbeitungszentren. Schrägverzahnte Zahnstangen bieten aufgrund des höheren Zahnkontaktanteils einen leiseren Lauf bei hohen Geschwindigkeiten und eine höhere Tragfähigkeit. Die Schmierung ist wichtig, um eine lange Lebensdauer der Zahnstangen- und Ritzelgetriebe zu gewährleisten. Da Zahnstangen- und Ritzelgetriebe relativ wenige Bauteile aufweisen, tragen sie zur Zeitersparnis bei der Montage bei und erhöhen die Zuverlässigkeit. Außerdem bieten sie auch über große Verfahrwege hinweg ein hohes Maß an Genauigkeit. Zu den Nachteilen von Zahnstangen- und Ritzel-Sätzen gehört ihre relativ hohe Reibung, die den Wirkungsgrad verringert, den Energieverbrauch erhöht und ihre Lebensdauer einschränkt. Zudem müssen Zahnstangen- und Ritzelantriebe mit Spiel betrieben werden, sodass das Spiel ein wesentlicher Nachteil sein kann.

Alle diese linearen Antriebssysteme bieten ihre eigene, einzigartige Kombination aus Vor- und Nachteilen. Um die richtige Art der Lineartechnik in einer bestimmten Anwendung einzusetzen, sollte der Konstrukteur die spezifischen Eigenschaften jeder Alternative sorgfältig abwägen. Die Wahl der richtigen Technologie kann die Leistung verbessern, eine lange Lebensdauer gewährleisten und die Gesamtkosten der Baugruppe senken.