Berücksichtigen Sie beim Entwurf eines Linearsystems Halterungen, Führungen, Antriebe und Dichtungen. Informieren Sie sich über Ihre Präzisions-, Wiederholgenauigkeits-, Belastungs- und Umgebungsanforderungen, bevor Sie mit der Konstruktion linearer Systeme beginnen.

Reibungsarme, hochsteife Kugelführungen stützen sich auf einer Schiene (oben) oder zwei (unten). Der Nachteil für diese Leistung sind höhere Kosten und mehr Lärm.

Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten ist eine Gerade. Wenn Sie jedoch ein lineares Bewegungssystem entwerfen, müssen Sie strukturelle Unterstützung, Führungen, Antriebe, Dichtungen, Schmierung und Zubehör zwischen den Punkten A und B berücksichtigen.

Unabhängig davon, ob Sie sich dafür entscheiden, Ihr System von Grund auf mit Standardteilen zu entwerfen und zu bauen oder ein System zu kaufen, das speziell für Sie entwickelt wurde, sollten Sie von Anfang an die richtigen Entscheidungen treffen, damit die Dinge langfristig am Laufen bleiben.

Unterstützung und Anleitung

Der Aufbau eines linearen Systems bedeutet im wahrsten Sinne des Wortes, von Grund auf neu zu beginnen – mit einem Struktur-Unterstützungssystem. Die Hauptkomponente des Trägersystems ist typischerweise ein Aluminium-Strangpressprofil.

Für Anwendungen, die eine genaue Positionierung erfordern, können Sie die Montagefläche des Basisprofils und die Oberfläche, auf der die Linearführung montiert wird, bearbeiten lassen. Für Transportanwendungen mit geringerer Genauigkeit optimieren Sie die Basen so, dass sie Biegungen unter Last standhalten und stattdessen Verformungen während der Extrusion verhindern.

Dank der robusten Basis ruht das System ausschließlich auf Endstützen. Leichtere Profile benötigen möglicherweise entlang ihrer Länge unterbrochene Stützen.
An der Basis sind Führungen angebracht, um die Bewegung zu erleichtern. Die Haupttypen sind Kugelführungen, Radführungen und Schlitten- oder Prismenführungen.
Kugelführungen tragen die schwersten Nutzlasten und weisen die höchste Steifigkeit auf. Ihre Einzel- oder Doppelschienenkonfigurationen bewegen sich mit geringer Reibung. Die Nachteile sind die höheren Kosten und der erzeugte Lärm.

Radführungen arbeiten mit bis zu 10 m/s bei geringer Reibung und hoher Steifigkeit. Stoßbelastungen können sie jedoch beschädigen.
Bei Gleitführungen laufen prismenförmige Polymerbuchsen auf der Profiloberfläche. Das Polymer sorgt dafür, dass sie sich leise bewegen und hohen Stoßbelastungen standhalten. Sie tolerieren Umgebungen, die durch Schmutz, Splitt, Staub, Öl und Chemikalien verunreinigt sind, arbeiten jedoch langsamer und unter geringeren Belastungen als Kugel- oder Radführungen, was durch ihre PV-Bewertung angegeben wird, das Produkt aus Druck und Geschwindigkeit, die sie tolerieren können.

Zu den Antriebstechnologien für Linearsysteme zählen Kugelumlaufspindeln und Riemen. Riemenantriebe sind leise und gut für Anwendungen mit hohem Durchsatz und geringerer Präzision geeignet. Teurere Kugelumlaufspindelantriebe bieten eine hohe Effizienz, Genauigkeit und Steifigkeit.

Treibende Kraft

Antriebe bewegen den Schlitten in die gewünschten Positionen. Die gebräuchlichsten Antriebstechnologien sind Kugelgewindetriebe, Leitspindelantriebe und Riemenantriebe.

Bei einem Kugelumlaufspindelantrieb bewegen sich Kugellager entlang der Nuten in einer Gewindewelle – der Kugelumlaufspindel – und zirkulieren durch eine Kugelmutter. Da Lager die Last teilen, verfügen Kugelgewindetriebe über eine relativ hohe Schubkapazität.

Das Ergebnis ist absolute Genauigkeit, definiert als der maximale Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position bis zu 0,005 mm. Am genauesten sind Systeme mit geschliffenen und vorgespannten Kugelumlaufspindeln.

Die Systeme verfügen über eine Schubkraft bis 40 kN und eine hohe Steifigkeit. Ihre kritische Geschwindigkeit wird durch den Schneckenfußdurchmesser, die nicht unterstützte Länge und die Endunterstützungskonfiguration bestimmt. Mit einer neuartigen Schneckenunterstützung können spindelgetriebene Einheiten bis zu 12 m weit fahren und Eingangsgeschwindigkeiten von 3.000 U/min aufnehmen. Kugelumlaufspindelantriebe bieten einen mechanischen Wirkungsgrad von 90 %, sodass ihre höheren Kosten häufig durch einen geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden.

Bei linearen Systemstützen handelt es sich in der Regel um extrudierte Aluminiumprofile, die für zusätzliche Präzision bearbeitet werden können.

Spindelantriebe können nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit von Kugelgewindetrieben mithalten, aber ihre Wiederholgenauigkeit – die Fähigkeit, während des Betriebs bei Annäherung aus derselben Richtung mit derselben Geschwindigkeit und Verzögerungsrate an eine Position zurückzukehren – beträgt 0,005 mm. Sie werden in Positionierungen mit niedriger bis mittlerer Einschaltdauer eingesetzt und arbeiten geräuscharm.

Riemenantriebe arbeiten bei Transportanwendungen mit hohem Durchsatz mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 40 m/s2.

Schmierung und Abdichtungs für lineare Geräte

Die meisten Führungssysteme und Antriebssysteme erfordern eine Schmierung. Sie können zukünftige vorbeugende Wartungsarbeiten vereinfachen, indem Sie einen einfachen Zugang zu den Schmieranschlüssen gewährleisten. Beispielsweise können am Schlitten installierte Zerk-Armaturen ein Schmiernetzwerk versorgen, das sowohl die Kugelumlaufspindel als auch das Linearlagersystem während der Installation und in regelmäßigen Wartungsintervallen versorgt.

Die Linearantriebseinheit verfügt über eine Magnetdichtung. Dank Magneten und federbelasteten Ankern an den Endkappen hebt sich der Edelstahlstreifen direkt vor dem Schlitten an und schließt sich direkt dahinter wieder.

Prismenführungen sind wartungsfrei. Das Polymermaterial des Schlittens verfügt über eine inhärente Gleitfähigkeit, und geschmierte Filzabstreifer füllen das Gleitmittel bei jedem Hub wieder auf.

Dichtungen halten Schmiermittel drinnen und Verunreinigungen draußen. Eine Art davon sind Magnetstreifendichtungen – magnetische Bänder aus rostfreiem Stahl, die von einem Ende des Kanals zum anderen reichen. Die Bänder sind an den Endkappen befestigt und federbelastet, um die Spannung aufrechtzuerhalten. Sie verlaufen durch einen Hohlraum im Schlitten, sodass der Streifen beim Durchlaufen des Systems direkt vor und hinter dem Schlitten von den Magneten abgehoben wird.
Eine alternative Dichtungstechnologie, Kunststoff-Abdeckbänder, verwendet nachgiebige Gummistreifen, die wie bei einem Gefrierbeutel mit Reißverschluss oben in das Basisprofil eingreifen. Zusammenpassende Nut-Feder-Profile erzeugen eine Labyrinthdichtung, die Partikel fernhält.

Eine weitere Überlegung betrifft die Art und Weise, wie Sie Ihren Motor montieren. Ein Motorgehäuse und eine Kupplung müssen mit der Schraubengröße und dem Lochkreisdurchmesser am Motorflansch, dem Durchmesser der Motorführung sowie dem Durchmesser und der Länge der Motorwelle übereinstimmen.

Viele Motoren haben Abmessungen, die den NEMA-Standards entsprechen, andere sind jedoch hersteller- und modellspezifisch. In beiden Fällen ermöglichen flexible Motorhalterungen, die aus herkömmlichen Rohlingen gefertigt sind, eine einfache Montage an nahezu jedem Motor mit garantierter Ausrichtung.

Nachgiebige Gummiverriegelungen halten Kunststoff-Abdeckbänder sicher und dichten Partikel ab.

Mischen und kombinieren

Nicht jede Kombination von Antrieben und Führungen ist sinnvoll. In praktischen Anwendungen sieht man am häufigsten Leitspindeln, die Kugel- oder Gleitführungen antreiben; Kugelumlaufspindeln gepaart mit Kugel- oder Gleitführungen; und Riemen, die Kugel-, Schlitten- oder Radführungen antreiben.

Ein Kugelumlaufspindelantrieb sorgt in Kombination mit einer Kugelführung für wiederholbare Bewegungen und ein steifes System, das hohe Kräfte und Momente bewältigen kann. Solche Systeme eignen sich gut für Präzisionspositionierungsanwendungen mit hohen Lasten und hohen Arbeitszyklen, beispielsweise beim Laden und Entladen von Zahnradrohlingen auf Werkzeugmaschinen.

Riemengetriebene, kugelgeführte Einheiten eignen sich für Hochgeschwindigkeits- und Beschleunigungsanwendungen mit hoher Nutzlast und hoher Momentbelastung. Diese Einheiten arbeiten auf Sockeln, die eine Lücke überbrücken und entweder an den Enden oder zeitweise abgestützt werden. Eine Anwendung ist das Palettieren von Dosen.
Riemengetriebene, schlittengeführte Linearsysteme sind kostengünstigere Einheiten, die leise sind und wenig Wartung erfordern. Sie arbeiten bei moderaten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, können aber Stoßbelastungen hervorragend bewältigen. Durch das Hinzufügen eines magnetischen Abdeckbandes eignet sich diese Art von System für Umgebungen mit hohem Partikelgehalt und Abwaschanforderungen wie der Sprühbehandlung von Blechen.

Da Radführungen weniger Wartung erfordern als Kugelführungen, aber mehr als Schlitten, sind durch Riemen angetriebene Räder eine weitere kostengünstige, geräuscharme und wartungsarme Option. Diese Systeme erreichen hohe Lineargeschwindigkeiten und Beschleunigungen und werden häufig in Verpackungs- und Abfüllmaschinen eingesetzt.