Mehrachsige Bühnen und Tische

Vorbei sind die Zeiten, in denen Maschinenkonstrukteure und -bauer wählen mussten, ob sie ihr eigenes Linearsystem von Grund auf konstruieren oder sich mit einer begrenzten Auswahl vormontierter Systeme zufrieden geben wollten, die in den meisten Fällen nicht perfekt zu ihrer Anwendung passten. Hersteller bieten heute Systeme an, die auf einer Reihe von Antriebsmechanismen basieren – Kugelumlaufspindeln, Riemen, Zahnstangen und Ritzeln, Linearmotoren und Pneumatik – mit Führungs- und Gehäuseoptionen, die praktisch für jede Anwendung, Umgebung oder Platzbeschränkung geeignet sind. Das Dilemma für Ingenieure besteht heute weniger darin, ein System zu finden, das für ihre Anwendung geeignet ist, als vielmehr darin, aus der breiten Palette verfügbarer Konfigurationen die beste Lösung auszuwählen.

Zur Unterstützung dieses Auswahlprozesses wurden zahlreiche Hilfsmittel entwickelt. Diese haben typischerweise die Form einer Tabelle, die die wichtigsten Anwendungsparameter im Verhältnis zum Systemtyp zeigt, mit Symbolen zur Bewertung der Eignung jedes Systems für jeden Parameter. Dieses Layout bietet zwar einen schnellen, visuellen Überblick, lässt jedoch einige Feinheiten der Fähigkeiten und Schwächen jedes Systems außer Acht. In einem Versuch, etwas tiefer zu graben, befasst sich die folgende Übersicht mit den spezifischen Stärken und Einschränkungen der gängigsten Arten vormontierter Linearsysteme.

【Riemengetriebene Systeme】

Riemenantriebssysteme zeichnen sich wahrscheinlich vor allem durch ihre Fähigkeit aus, lange Strecken zurückzulegen. Sie können auch hohe Geschwindigkeiten erreichen, da Riemenantriebe keine Umlaufelemente verwenden. In Kombination mit nicht umlaufenden Führungen wie Nockenrollen oder Rädern können Bänder typischerweise Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s erreichen. Riemengetriebene Systeme eignen sich auch gut für raue Umgebungen, da keine Rollelemente vorhanden sind, die durch Schmutz beschädigt werden könnten, und das Polyurethan-Riemenmaterial den meisten gängigen Arten chemischer Verunreinigungen standhält.

Der Hauptnachteil von riemengetriebenen Systemen besteht darin, dass sich die Riemen dehnen. Sogar stahlverstärkte Bänder, die von den meisten Systemherstellern verwendet werden, erfahren irgendwann eine gewisse Dehnung, was die Wiederholbarkeit und Laufgenauigkeit beeinträchtigt. Riemengetriebene Systeme haben aufgrund der Elastizität des Riemens auch eine größere Resonanz als andere Antriebsarten. Während eine ordnungsgemäße Antriebsabstimmung dies ausgleichen kann, kann es bei Anwendungen mit hohen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten und/oder hohen Lasten zu unerwünschten Einschwingzeiten kommen.

【Systeme mit Kugelumlaufspindelantrieb】

Bei hohen Schubkräften und hoher Positioniergenauigkeit sind Kugelumlaufspindelsysteme in der Regel die erste Wahl. Und das aus gutem Grund. Mit vorgespannten Muttern sorgen Kugelumlaufspindeln für eine spielfreie Bewegung und können eine sehr hohe Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit erreichen. Steigungen im Bereich von 2 mm bis 40+ mm ermöglichen es Kugelumlaufspindelsystemen außerdem, ein breites Spektrum an Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen, und können ein Rückdrehen bei vertikalen Anwendungen verhindern.

Der Verfahrweg ist die grundlegende Einschränkung von Systemen mit Kugelumlaufspindelantrieb. Mit zunehmender Länge der Schnecke verringert sich die zulässige Drehzahl, da die Schnecke dazu neigt, unter ihrem Eigengewicht durchzuhängen und zu peitschen. Kugelumlaufspindelunterstützungen können diesem Effekt entgegenwirken, allerdings auf Kosten des Platzbedarfs und der Gesamtsystemkosten.

【Systeme mit Zahnstangenantrieb】

Zahnstangen-Ritzel-Systeme erzeugen hohe Schubkräfte und können dies bei praktisch unbegrenzten Verfahrwegen tun. Ihr Design ermöglicht außerdem die Verwendung mehrerer Schlitten auf demselben System, was für Anwendungen nützlich ist, bei denen sich die Schlitten unabhängig voneinander bewegen müssen, wie beispielsweise große Portalsysteme in der Verpackungs- und Automobilindustrie.

Es sind zwar qualitativ hochwertige Zahnstangen-Ritzel-Systeme mit geringem Spiel erhältlich, diese weisen jedoch im Allgemeinen eine geringere Positioniergenauigkeit auf als andere Antriebsoptionen. Und abhängig vom Zahnprofil und der Qualität der Bearbeitung können Systeme mit Zahnstangenantrieb im Vergleich zu anderen Linearsystemen einen hohen Geräuschpegel erzeugen.

【Systeme mit Linearmotorantrieb】

Linearmotoren, die traditionell für die meisten Anwendungen als zu teuer angesehen wurden, werden heute für Positionierungs- und Handhabungsaufgaben in Branchen wie Verpackung und Montage eingesetzt. Niedrigere Kosten haben zu diesem Trend beigetragen, aber für Ingenieure sind die attraktiven Eigenschaften von Linearmotoren ihre hohe Geschwindigkeitsfähigkeit, hohe Positionierungsgenauigkeit und ihr geringer Wartungsaufwand. Linearmotoren bieten ebenso wie Zahnstangen-Ritzel-Systeme die Möglichkeit, mehrere unabhängige Schlitten in einem System zu integrieren.

Da sie über keine mechanischen Komponenten verfügen, die verhindern, dass die Last bei einem Stromausfall herunterfällt, werden Linearmotoren im Allgemeinen nicht für den Einsatz in vertikalen Anwendungen empfohlen. Ihr offenes Design und die starken Magnete machen sie außerdem anfällig für Verunreinigungen und Ablagerungen, insbesondere Metallspäne und -späne.

【Pneumatisch angetriebene Systeme】

Wenn die bevorzugte Kraftübertragungsquelle Luft ist, sind pneumatische Linearsysteme genau das Richtige. Für einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen können pneumatisch angetriebene Systeme die wirtschaftlichste und am einfachsten zu integrierende Option sein. Die meisten pneumatischen Linearsysteme sind in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, das den Einbau von Enddämpfern und Schutzabdeckungen ermöglicht.

Pneumatiksysteme weisen von den hier besprochenen Typen die geringste Präzision und Steifigkeit auf, ihre größte Einschränkung besteht jedoch darin, dass sie nicht in Zwischenpositionen anhalten können.

Unabhängig von Ihrer Anwendung sollten Sie bei der Prüfung der Optionen vormontierter Linearsysteme mit den vier primären Anwendungsparametern beginnen: Hub, Last, Geschwindigkeit und Präzision. Sobald die Größe und Bedeutung dieser Kriterien bestimmt ist, können andere Parameter wie Lärm, Steifigkeit und Umgebungsfaktoren dazu beitragen, das Feld einzugrenzen und die endgültige Dimensionierung und Auswahl weniger zeitaufwändig zu machen.