Dieser Artikel erläutert die Grundlagen der Konstruktion linearer Systeme, einschließlich Tragkonstruktion, Führungstechnik, Antriebstechnik sowie Abdichtung, Schmierung und Zubehör. Zunächst werden die Vor- und Nachteile verschiedener Technologien wie Gewindespindelantriebe, Kugelgewindetriebe, Riemenantriebe, Kugel-, Gleit- und Radführungen erörtert. Anschließend werden die Vor- und Nachteile der Eigenkonstruktion linearer Systeme im Vergleich zur Konfiguration eines Systems aus Standardbausteinen betrachtet. Abschließend wird ein schrittweiser, webbasierter Prozess zur Dimensionierung und Auswahl eines linearen Systems auf Basis wirtschaftlicher Standardkomponenten beschrieben.

Die Bausteine ​​eines Linearsystems sind das Tragsystem, das Antriebssystem, das Führungssystem, die Dichtung, die Schmierung und das Zubehör. Hauptbestandteil des Tragsystems ist typischerweise ein Aluminiumprofil, das in Längen bis zu 12 Metern erhältlich ist. Die Montagefläche des Sockels kann für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Positionierung bearbeitet werden. Sockelprofile für Transportanwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen werden üblicherweise nicht bearbeitet. Sockel für Transportanwendungen sind hinsichtlich Biegefestigkeit unter Last und Verformungsbeständigkeit während des Extrusionsprozesses optimiert, sodass das System nur an den Enden gelagert werden kann.

Die wichtigsten Führungsarten sind Kugel-, Rad- und Gleit- bzw. Prismenführungen. Kugelführungen ermöglichen hohe Nutzlasten bis zu 38.000 Newton (N) und hohe Biegemomente bis zu 27,60 Newtonmeter (Nm). Weitere Vorteile sind geringe Reibung und hohe Steifigkeit. Kugelführungen sind als Ein- oder Zweischienenführungen erhältlich. Zu ihren Nachteilen zählen die relativ hohen Kosten und der hohe Geräuschpegel. Ein wesentlicher Vorteil von Radführungen ist ihre Fähigkeit, mit extrem hohen Geschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Sekunde (m/s) zu arbeiten. Radführungen bieten zudem geringe Reibung und sehr hohe Steifigkeit. Allerdings weisen Radführungen eine relativ geringe Stoßfestigkeit auf. Gleitführungen nutzen prismenförmige Polymerbuchsen, die direkt auf der Profiloberfläche laufen und so einen sehr leisen Betrieb sowie hohe Stoßfestigkeit gewährleisten. Ein wesentlicher Vorteil von Gleitführungen ist ihre Eignung für den Einsatz in verschmutzten Umgebungen. Gleitführungen haben eine geringere Geschwindigkeit und Tragfähigkeit als Kugel- oder Radführungen.

Die gängigsten Antriebstechnologien sind Kugelgewindetriebe, Trapezgewindetriebe und Riemenantriebe. Der Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelmutter mit Kugelumlauflagern. Geschliffene und vorgespannte Kugelgewindetriebe bieten eine außergewöhnlich hohe Positioniergenauigkeit. Die Last der Kugelgewindespindel verteilt sich auf eine große Anzahl von Kugellagern, sodass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Das Ergebnis ist eine hohe absolute Genauigkeit bis zu 0,005 mm, eine hohe Schubkraft bis zu 40 kN und eine hohe Steifigkeit. Die absolute Genauigkeit ist definiert als die maximale Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position. Kugelgewindetriebe erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von 90 %, sodass ihre höheren Kosten oft durch den geringeren Energiebedarf kompensiert werden. Die kritische Drehzahl einer Kugelgewindespindel wird durch den Spindelfußdurchmesser, die freie Länge und die Endlagerung bestimmt. Kugelgewindetriebe ermöglichen den Einsatz von Spindelantrieben mit bis zu 12 Metern Hub und 3.000 U/min Eingangsdrehzahl. Trapezgewindetriebe erreichen zwar nicht die absolute Positioniergenauigkeit von Kugelgewindetrieben, bieten aber eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit von 0,005 mm. Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Positioniersystems, während des Betriebs bei Anfahrt aus derselben Richtung mit gleicher Geschwindigkeit und Verzögerung wieder die Ausgangsposition zu erreichen. Kugelgewindetriebe werden in Positionieranwendungen mit niedriger bis mittlerer Auslastung eingesetzt und arbeiten geräuscharm. Riemenantriebe kommen in Hochgeschwindigkeits- und Hochdurchsatzanwendungen mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 40 m/s² zum Einsatz. Sowohl das Führungssystem als auch das Antriebssystem benötigen in der Regel Schmierung. Der einfache Zugang zu den Schmiernippeln vereinfacht die vorbeugende Wartung. Eine effektive Methode ist die Verwendung von Schmiernippeln am Schlitten, die ein Schmiernetz speisen, über das Kugelgewindetrieb und Linearführungssystem bei der Installation und in regelmäßigen Wartungsintervallen geschmiert werden. Das Prismenführungssystem ist wartungsfrei. Zusätzlich zur inhärenten Schmierfähigkeit des Polymers sorgen geschmierte Filzabstreifer dafür, dass bei jedem Hub Schmierstoff nachgeliefert wird. Dichtungstechnik ist in vielen Anwendungen wichtig. Eine Magnetstreifendichtung besteht aus einem federbelasteten Magnetband aus Edelstahl, das die Spannung aufrechterhält. Die beiden Enden sind an den Endplatten des Systems befestigt, und das Abdeckband bzw. der Dichtungsstreifen wird durch eine Aussparung im Schlitten geführt. Während die Schlitten die Systemlänge durchlaufen, wird der Streifen von den Magneten abgehoben, um die Durchfahrt des Schlittens zu ermöglichen.

Eine alternative Dichtungstechnologie sind Kunststoff-Abdeckbänder mit einem nachgiebigen Gummistreifen, der sich mit dem Basisprofil verzahnt und ähnlich wie ein Ziploc-Beutel funktioniert. Die passgenauen Nut- und Federprofile bilden eine Labyrinthdichtung, die das Eindringen von Partikeln äußerst effektiv verhindert. Flexible Motorhalterungen vereinfachen die Integration von Linearsystemen in automatisierte Baugruppen. Anwender können einfach eine Standard-NEMA-Motorhalterung anfordern oder motorspezifische Montageinformationen bzw. den Namen und die Teilenummer des Motorherstellers angeben. Gehäuse und Kupplung werden aus Standardrohlingen gefertigt und an die wichtigsten Merkmale des Kundenmotors angepasst: Schraubengröße und Lochkreisdurchmesser am Motorflansch, Zentrierdurchmesser des Motors sowie Wellendurchmesser und -länge. Dadurch lassen sich Schlitten horizontal, vertikal, geneigt oder über Kopf an nahezu jedem Motor montieren – mit garantierter Ausrichtung.

Nicht jede Kombination aus Antriebs- und Führungstyp ist sinnvoll. Die sieben in der Praxis eingesetzten Technologiegruppen umfassen Gewindespindelantrieb und Kugelführung, Gewindespindelantrieb und Gleitführung, Kugelgewindespindelantrieb und Kugelführung, Kugelgewindespindelantrieb und Gleitführung, Riemenantrieb und Kugelführung, Riemenantrieb und Gleitführung sowie Riemenantrieb und Radführung. Spinnendiagramme veranschaulichen die jeweiligen Stärken und Schwächen dieser Technologien. Die Kugelgewindespindel- und Kugelführungstechnologie bietet hohe Wiederholgenauigkeit, hohe Steifigkeit und die Fähigkeit, hohe Kräfte und Momente aufzunehmen. Sie wird in Präzisionspositionierungsanwendungen mit hohen Lasten und hohen Betriebszyklen eingesetzt, beispielsweise in Linearsystemen zum Be- und Entladen von Zahnradrohlingen an Werkzeugmaschinen. Riemengetriebene, kugelgeführte Einheiten sind für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei hohen Nutzlasten und hohen Momenten ausgelegt. Diese Technologiegruppe eignet sich für Anwendungen, die eine Lücke überbrücken und entweder an den Enden oder intermittierend abgestützt sind. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Palettierung von Dosen. Riemengetriebene, gleitende Linearsysteme bieten eine moderate Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfähigkeit. Gleitführungen können Stoßbelastungen aufnehmen, sind jedoch in ihren Lineargeschwindigkeiten etwas eingeschränkt. Diese Kombination bietet eine kostengünstige, geräuscharme und wartungsarme Lösung. Durch Hinzufügen eines magnetischen Abdeckbandes eignet sie sich ideal für Umgebungen mit hohem Partikelanteil und häufigen Reinigungsanforderungen, wie beispielsweise bei der Blechspritzlackierung. Riemengetriebene, radgeführte Einheiten bieten hohe Lineargeschwindigkeiten und Beschleunigungen bei moderaten Kosten, geringem Geräuschpegel und relativ niedrigem Wartungsaufwand. Ein typisches Anwendungsgebiet sind Verpackungs- und Abfüllmaschinen.

Eigenfertigung oder Fremdbezug? Bei der Entscheidung zwischen Eigenfertigung und Fremdbezug eines Linearsystems ist der Entwicklungsaufwand und die erforderliche Expertise entscheidend. Die Systementwicklung umfasst Berechnungen wie die Lebensdauer von Linear- und Radiallagern, Kugelgewindetrieben, die kritische Drehzahl des Kugelgewindetriebs, die Durchbiegung des Stützprofils, die Wahl des Schmierstoffs, die Gehäusekonstruktion usw. Die Überdimensionierung des Linearsystems zur Reduzierung der Entwicklungszeit birgt den Nachteil steigender Kosten und eines größeren Platzbedarfs. Zudem ist eine umfassende Grundlagenentwicklung erforderlich, um sicherzustellen, dass keine grundlegenden Aspekte übersehen wurden. Beim Zukauf von Linearsystemen kann es vorkommen, dass Standardprodukte aus dem Katalog die Anwendungsanforderungen nicht erfüllen. In diesem Fall sind umfangreiche Modifikationen an Standardprodukten oder individuelle Konstruktionszeichnungen sinnvolle Alternativen. Ein Partner mit einem breiten Produktportfolio und umfassenden Entwicklungskompetenzen kann Sie bei der Lösung Ihres Problems unterstützen, Zeit und Kosten sparen und den Entwicklungszyklus beschleunigen.