Vorbei sind die Zeiten, in denen Maschinenbauer und -konstrukteure sich entscheiden mussten, ob sie ihr Linearsystem von Grund auf selbst entwickeln oder sich mit einer begrenzten Auswahl an vorgefertigten Systemen begnügen sollten, die in den meisten Fällen nicht optimal auf ihre Anwendung zugeschnitten waren. Hersteller bieten heute Systeme mit einer Vielzahl von Antriebsmechanismen an – Kugelgewindetriebe, Riemen, Zahnstangenantriebe, Linearmotoren und Pneumatik – mit verschiedenen Führungs- und Gehäuseoptionen für nahezu jede Anwendung, Umgebung und räumliche Gegebenheit. Die Herausforderung für Ingenieure besteht nun weniger darin, ein System zu finden, das für ihre Anwendung geeignet ist, sondern vielmehr darin, aus der breiten Palette verfügbarer Konfigurationen die beste Lösung auszuwählen.

Zur Unterstützung dieses Auswahlprozesses wurden zahlreiche Hilfsmittel entwickelt. Diese bestehen typischerweise aus einer Tabelle, die wichtige Anwendungsparameter dem jeweiligen Systemtyp gegenüberstellt und Symbole zur Bewertung der Eignung jedes Systems für die einzelnen Parameter verwendet. Obwohl diese Darstellung einen schnellen, visuellen Überblick bietet, werden einige Feinheiten der Stärken und Schwächen der einzelnen Systeme nicht erfasst. Um tiefer in die Materie einzutauchen, werden im Folgenden die spezifischen Stärken und Schwächen der gängigsten vormontierten linearen Systeme näher betrachtet.

【Riemengetriebene Systeme】

Riemenantriebe sind vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, große Strecken zurückzulegen. Da sie keine rollenförmigen Elemente verwenden, erreichen sie auch hohe Geschwindigkeiten. In Kombination mit nicht-rollenden Führungen wie Kurvenrollen oder -rädern können Riemen typischerweise Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s erzielen. Riemenantriebe eignen sich zudem hervorragend für raue Umgebungen, da keine Wälzkörper vorhanden sind, die durch Schmutz beschädigt werden könnten, und das Polyurethan-Riemenmaterial den meisten gängigen chemischen Verunreinigungen standhält.

Der größte Nachteil von Riemenantrieben liegt in der Riemendehnung. Selbst stahlverstärkte Riemen, die von den meisten Herstellern verwendet werden, dehnen sich mit der Zeit, was die Wiederholgenauigkeit und die Verfahrgenauigkeit beeinträchtigt. Riemenantriebe weisen aufgrund der Riemenelastizität zudem eine höhere Resonanz auf als andere Antriebsarten. Zwar lässt sich dies durch eine geeignete Antriebseinstellung kompensieren, doch können Anwendungen mit hohen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten und/oder hohen Lasten unerwünschte Einschwingzeiten aufweisen.

【Kugelgewindetriebsysteme】

Für hohe Schubkräfte und hohe Positioniergenauigkeit sind Kugelgewindetriebe in der Regel die erste Wahl. Und das aus gutem Grund. Dank vorgespannter Muttern ermöglichen Kugelgewindetriebe spielfreie Bewegungen und erzielen eine sehr hohe Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Steigungen von 2 mm bis über 40 mm erlauben es Kugelgewindetrieben zudem, ein breites Spektrum an Drehzahlanforderungen zu erfüllen und ein Rückdrehen in vertikalen Anwendungen zu verhindern.

Die Hublänge ist die grundlegende Begrenzung von Kugelgewindetrieben. Mit zunehmender Gewindelänge sinkt die zulässige Drehzahl, da das Gewinde unter seinem Eigengewicht zum Durchhängen neigt und ein Peitschenverhalten zeigt.

【Zahnstangenantriebe】

Zahnstangenantriebe erzeugen hohe Schubkräfte und ermöglichen nahezu unbegrenzte Verfahrwege. Ihre Konstruktion erlaubt zudem den Einsatz mehrerer Schlitten im selben System, was für Anwendungen mit unabhängig voneinander beweglichen Schlitten, wie beispielsweise große Portalsysteme in der Verpackungs- und Automobilindustrie, von Vorteil ist.

Hochwertige Zahnstangenantriebe mit geringem Spiel sind zwar erhältlich, weisen aber im Allgemeinen eine geringere Positioniergenauigkeit als andere Antriebsoptionen auf. Abhängig vom Zahnprofil und der Bearbeitungsqualität können Zahnstangenantriebe zudem im Vergleich zu anderen Linearantrieben ein hohes Geräuschniveau erzeugen.

【Linearmotorgetriebene Systeme】

Linearmotoren, die traditionell für die meisten Anwendungen als zu teuer galten, werden heute in Branchen wie der Verpackungs- und Montageindustrie für Positionier- und Handhabungsaufgaben eingesetzt. Geringe Kosten haben zu diesem Trend beigetragen, doch für Ingenieure liegen die attraktiven Eigenschaften von Linearmotoren in ihrer hohen Geschwindigkeit, ihrer hohen Positioniergenauigkeit und ihrem geringen Wartungsaufwand. Wie Zahnstangenantriebe ermöglichen Linearmotoren zudem die Integration mehrerer unabhängiger Schlitten in ein System.

Da Linearmotoren keine mechanischen Bauteile besitzen, die ein Herabfallen der Last bei Stromausfall verhindern, sind sie generell nicht für vertikale Anwendungen geeignet. Ihre offene Bauweise und die Verwendung starker Magnete machen sie zudem anfällig für Verschmutzungen und Ablagerungen, insbesondere Metallspäne und -abrieb.

【Pneumatisch angetriebene Systeme】

Wenn Druckluft als bevorzugte Kraftübertragungsquelle dient, sind pneumatische Linearsysteme die ideale Lösung. Für einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen sind pneumatisch angetriebene Systeme oft die wirtschaftlichste und am einfachsten zu integrierende Option. Die meisten pneumatischen Linearsysteme sind in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, wodurch Enddämpfer und Schutzabdeckungen integriert werden können.

Pneumatische Systeme weisen die geringste Präzision und Steifigkeit der hier besprochenen Systeme auf, ihre größte Einschränkung besteht jedoch in der Unfähigkeit, in Zwischenpositionen anzuhalten.

【Wichtige Tipps】

Unabhängig von Ihrem Anwendungsfall sollten Sie bei der Auswahl vormontierter Linearsysteme zunächst die vier primären Anwendungsparameter berücksichtigen: Hub, Last, Geschwindigkeit und Präzision. Sobald die Bedeutung dieser Kriterien feststeht, können weitere Parameter wie Geräuschentwicklung, Steifigkeit und Umgebungsfaktoren die Auswahl eingrenzen und die endgültige Dimensionierung und Auswahl beschleunigen.