Dieser Artikel erläutert die Grundlagen der Konstruktion eines Linearsystems, einschließlich der strukturellen Unterstützung, der Führungs- und Antriebstechnik sowie der Dichtung, Schmierung und des Zubehörs. Zunächst werden die Vor- und Nachteile verschiedener Technologien wie Gewindetriebe, Kugelumlaufspindeln, Riementriebe, Kugelführungen, Gleitführungen und Radführungen erläutert. Anschließend werden die Vor- und Nachteile der Konstruktion und des Baus eines eigenen Linearsystems gegenüber der Konfiguration eines Systems aus Standardbausteinen untersucht. Abschließend wird ein schrittweiser webbasierter Prozess zur Dimensionierung und Auswahl eines Linearsystems auf Basis kostengünstiger Standardkomponenten beschrieben.

Die Bausteine ​​eines Linearsystems sind das strukturelle Trägersystem, das Antriebssystem, das Führungssystem, die Dichtung, die Schmierung und das Zubehör. Die Hauptkomponente des strukturellen Trägersystems ist typischerweise ein Aluminium-Strangpressprofil, das in Längen bis zu 12 Metern erhältlich ist. Die Montagefläche der Basis kann für Anwendungen, die eine genaue Positionierung erfordern, bearbeitet werden. Basis-Strangpressprofile für Transportanwendungen mit geringerer Genauigkeit werden in der Regel nicht bearbeitet. Die in Transportanwendungen verwendeten Basen sind auf Biegefestigkeit unter Last und Verformung während des Strangpressprozesses optimiert, sodass das System nur an den Enden gestützt wird.

Die wichtigsten Führungsarten sind Kugelführungen, Radführungen und Gleit- oder Prismenführungen. Kugelführungen unterstützen hohe Nutzlasten bis zu 38.000 Newton (N) und hohe Momentbelastungen bis zu 27,60 Newtonmeter (Nm). Weitere Vorteile von Kugelführungen sind geringe Reibung und hohe Steifigkeit. Kugelführungen sind in Einzel- oder Doppelschienenkonfigurationen erhältlich. Die Schwächen von Kugelführungen sind die relativ hohen Kosten und der hohe Geräuschpegel. Ein Hauptvorteil von Radführungen ist ihre Fähigkeit, bei außergewöhnlich hohen Geschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Sekunde (m/s) zu laufen. Radführungen bieten außerdem geringe Reibung und sehr hohe Steifigkeit. Andererseits haben Radführungen eine relativ geringe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen. Gleitführungen verwenden prismenförmige Polymerbuchsen, die direkt auf der Profiloberfläche laufen, um einen sehr leisen Betrieb zu gewährleisten und hohen Stoßbelastungen standzuhalten. Ein Hauptvorteil von Gleitführungen ist ihre Fähigkeit, in verschmutzten Umgebungen zu laufen. Gleitführungen haben eine geringere Geschwindigkeit und Tragfähigkeit als Kugel- oder Radführungen.

Die gängigsten Antriebstechnologien sind Kugelumlaufspindeln, Leitspindeln und Riemenantriebe. Kugelumlaufspindeln bestehen aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelmutter mit Kugelumlauflagern. Geschliffene und vorgespannte Kugelumlaufspindeln bieten eine außergewöhnlich hohe Positioniergenauigkeit. Die Last der Kugelumlaufspindel wird auf eine große Anzahl von Kugellagern verteilt, sodass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Das Ergebnis ist eine hohe absolute Genauigkeit von bis zu 0,005 mm, eine hohe Schubkapazität von bis zu 40 kN und eine hohe Steifigkeit. Die absolute Genauigkeit wird als maximaler Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position definiert. Kugelumlaufspindeln bieten typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von 90 %, sodass ihre höheren Kosten oft durch den geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die kritische Drehzahl einer Kugelumlaufspindel wird durch den Kerndurchmesser der Spindel, die freitragende Länge und die Endlagerkonfiguration bestimmt. Kugelumlaufspindeln ermöglichen den Einsatz von spindelgetriebenen Einheiten mit bis zu 12 Metern Hub und 3.000 U/min Eingangsdrehzahl. Leitspindeln können zwar nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit von Kugelumlaufspindeln mithalten, bieten aber eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit von 0,005 mm. Unter Wiederholgenauigkeit versteht man die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs zu einer Position zurückzukehren, wenn es sich aus derselben Richtung mit derselben Geschwindigkeit und Verzögerung nähert. Gewindetriebe werden in Positionierungsanwendungen mit niedrigem bis mittlerem Arbeitszyklus eingesetzt und arbeiten mit niedrigem Geräuschpegel. Riemenantriebe werden in Transportanwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und hohem Durchsatz mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 40 m/s2 verwendet. Sowohl das Führungssystem als auch das Antriebssystem müssen in der Regel geschmiert werden. Der einfache Zugang zu den Schmiernippeln vereinfacht die vorbeugende Wartung. Eine effektive Lösung ist die Verwendung von Schmiernippeln am Schlitten, die ein Netzwerk speisen, über das sowohl die Kugelumlaufspindel als auch das Linearlagersystem während der Installation und in regelmäßigen Wartungsintervallen geschmiert werden. Das Prismenführungssystem ist wartungsfrei. Zusätzlich zur inhärenten Schmierfähigkeit des Polymers gibt es geschmierte Filzabstreifer, die bei jedem Hub Schmiermittel nachfüllen. Die Dichtungstechnologie ist in vielen Anwendungen wichtig. Eine Magnetstreifendichtung besteht aus einem magnetischen Edelstahlband, das zur Aufrechterhaltung der Spannung federbelastet ist. Die beiden Enden sind an den Endplatten des Systems befestigt und das Abdeckband bzw. der Dichtungsstreifen wird durch einen Hohlraum im Schlitten geführt. Während die Schlitten das System durchlaufen, wird der Streifen von den Magneten angehoben, um die Durchfahrt des Schlittens zu ermöglichen.

Eine alternative Dichtungstechnologie sind Kunststoffabdeckbänder mit einem nachgiebigen Gummistreifen, der mit dem Basisprofil ineinandergreift und ähnlich wie ein Ziploc-Beutel funktioniert. Die ineinandergreifenden Nut- und Federprofile erzeugen eine Labyrinthdichtung, die das Eindringen von Partikeln äußerst wirksam verhindert. Flexible Motorhalterungen vereinfachen die Integration von Linearsystemen in automatisierte Baugruppen. Benutzer können einfach eine standardmäßige NEMA-Motorhalterung anfordern oder motorspezifische Montageinformationen bzw. den Namen und die Teilenummer des Motorherstellers angeben. Gehäuse und Kupplung werden aus gängigen Rohlingen gefertigt, um den wichtigsten Eigenschaften des Kundenmotors zu entsprechen: Bolzengröße und Lochkreisdurchmesser am Motorflansch, Motorführungsdurchmesser sowie Durchmesser und Länge der Motorwelle. Dadurch lassen sich Schlitten problemlos horizontal, vertikal, geneigt oder umgekehrt an fast jedem Motor montieren, mit garantierter Ausrichtung.

Nicht jede Kombination aus Antriebs- und Führungsart ist sinnvoll. Zu den sieben in der Praxis eingesetzten Technologiegruppen gehören Gewindetrieb und Kugelführung, Gewindetrieb und Gleitführung, Kugelgewindetrieb und Kugelführung, Kugelgewindetrieb und Gleitführung, Riementrieb und Kugelführung, Riementrieb und Gleitführung sowie Riementrieb und Radführung. Spinnendiagramme veranschaulichen die jeweiligen Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien. Die Kugelgewindetrieb- und Kugelführungstechnologie bietet hohe Wiederholgenauigkeit, hohe Steifigkeit und die Fähigkeit, hohe Kräfte und Momente zu verarbeiten. Sie wird in Präzisionspositionierungsanwendungen mit hohen Lasten und hohen Einschaltdauern eingesetzt, wie z. B. in Linearsystemen zum Be- und Entladen von Zahnradrohlingen an Werkzeugmaschinen. Riemengetriebene, kugelgeführte Einheiten sind für Hochgeschwindigkeits- und Beschleunigungsanwendungen mit hohen Nutzlasten und hohen Momentenbelastungen ausgelegt. Diese Technologiegruppe eignet sich für Anwendungen, die eine Lücke überbrücken und entweder an den Enden oder intermittierend gestützt werden. Eine typische Anwendung ist die Palettierung von Dosen. Riemengetriebene, gleitgeführte Linearsysteme bieten moderate Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Gleitführungen können Stoßbelastungen bewältigen, sind aber in ihrer Lineargeschwindigkeit etwas eingeschränkt. Diese Kombination bietet eine kostengünstige, geräuscharme und wartungsarme Lösung. Durch die Ergänzung eines magnetischen Abdeckbandes eignet sich diese Lösung ideal für Umgebungen mit hohem Partikelgehalt und hohen Waschanforderungen, wie z. B. bei der Blechspritzbehandlung. Riemengetriebene, radgeführte Einheiten bieten hohe lineare Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei moderaten Kosten, geringem Geräuschpegel und relativ geringem Wartungsaufwand. Eine typische Anwendung sind Verpackungs- und Abfüllmaschinen.

Selbst herstellen oder kaufen? Bei der Abwägung, ob ein Linearsystem selbst hergestellt oder gekauft werden soll, ist es wichtig, den Entwicklungsaufwand und das Fachwissen zu berücksichtigen, die für die Konstruktion eines Linearsystems erforderlich sind. Die Konstruktion eines Systems umfasst technische Berechnungen, beispielsweise zur Ermittlung der linearen und radialen Lagerlebensdauer, der Lebensdauer der Kugelumlaufspindel, der kritischen Drehzahl der Kugelumlaufspindel, der Durchbiegung des Stützprofils, der Schmierstoffauswahl, des Abdeckungsdesigns usw. Der Ansatz, das Linearsystem zu überdimensionieren, um die Entwicklungszeit zu verkürzen, hat den Nachteil, dass Kosten und Platzbedarf steigen und dennoch grundlegende Entwicklungsarbeiten erforderlich sind, um sicherzustellen, dass keine grundlegenden Details übersehen wurden. Beim Kauf von Linearsystemen kann es vorkommen, dass Standardkatalogprodukte die Anforderungen der Anwendung nicht erfüllen. In diesem Fall sind erhebliche Modifikationen an Standardprodukten oder White-Sheet-Designs praktikable Alternativen. Ein Partner mit einer breiten Produktpalette und technischen Fähigkeiten kann mit Ihnen zusammenarbeiten, um Ihr Problem zu lösen und dabei Zeit und Geld zu sparen sowie den Entwicklungszyklus zu beschleunigen.