In diesem Artikel werden die Grundlagen des Entwurfs eines Linearsystems erläutert, einschließlich des strukturellen Trägersystems, der Führungstechnologie, der Antriebstechnologie und der Dichtung, Schmierung und Zubehör. Zunächst werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Technologien wie Leitspindelantriebe, Kugelumlaufspindelantriebe, Riemenantriebe, Kugelführungen, Gleitführungen und Radführungen erörtert. Anschließend befasst sich der Artikel mit den Vor- und Nachteilen des Entwurfs und Aufbaus eines eigenen linearen Systems gegenüber der Konfiguration eines Systems aus Standardbausteinen. Abschließend beschreibt der Artikel Schritt für Schritt einen webbasierten Prozess zur Dimensionierung und Auswahl eines linearen Systems auf Basis kostengünstiger Standardkomponenten.

Die Bausteine ​​eines Linearsystems sind das Tragsystem, das Antriebssystem, das Führungssystem, die Dichtung, die Schmierung und das Zubehör. Die Hauptkomponente des strukturellen Stützsystems ist typischerweise ein Aluminium-Strangpressprofil, das in Längen von bis zu 12 Metern erhältlich ist. Die Montagefläche der Basis kann für Anwendungen bearbeitet werden, die eine genaue Positionierung erfordern. Basisprofile für Transportanwendungen mit geringerer Genauigkeit werden normalerweise nicht bearbeitet. Die in Transportanwendungen verwendeten Sockel sind hinsichtlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Biegung unter Last und Verformung während des Extrusionsprozesses optimiert, sodass das System nur an den Enden abgestützt werden kann.

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

Die gängigsten Antriebstechnologien sind Kugelgewindetriebe, Leitspindelantriebe und Riemenantriebe. Der Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelmutter mit Kugelumlauflagern. Geschliffene und vorgespannte Kugelumlaufspindeln sorgen für eine außergewöhnlich hohe Positioniergenauigkeit. Die Belastung des Kugelgewindetriebs wird auf eine Vielzahl von Kugellagern verteilt, so dass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Das Ergebnis ist eine hohe absolute Genauigkeit bis 0,005 mm, eine hohe Schubkraft bis 40 KN und eine hohe Steifigkeit. Die absolute Genauigkeit ist definiert als der maximale Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position. Kugelumlaufspindelantriebe bieten typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von 90 %, sodass ihre höheren Kosten oft durch einen geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die kritische Drehzahl einer Kugelumlaufspindel wird durch den Kerndurchmesser der Spindel, die nicht unterstützte Länge und die Endunterstützungskonfiguration bestimmt. Kugelumlaufspindelunterstützungen ermöglichen den Einsatz von spindelgetriebenen Einheiten mit einem Hub von bis zu 12 Metern und einer Eingangsgeschwindigkeit von 3.000 U/min. Leitspindelantriebe können nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit von Kugelgewindetrieben mithalten, bieten aber eine hervorragende Wiederholgenauigkeit von 0,005 mm. Unter Wiederholgenauigkeit versteht man die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs bei Annäherung aus derselben Richtung mit derselben Geschwindigkeit und Verzögerungsrate zu einem Standort zurückzukehren. Leitspindelantriebe werden in Positionieranwendungen mit niedrigem bis mittlerem Arbeitszyklus eingesetzt und arbeiten mit geringem Geräuschpegel. Riemenantriebe werden in Transportanwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hohem Durchsatz mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 40 m/s2 eingesetzt. Sowohl das Führungssystem als auch das Antriebssystem erfordern typischerweise eine Schmierung. Der einfache Zugang zu den Schmieranschlüssen vereinfacht die vorbeugende Wartung. Ein effektiver Ansatz ist die Verwendung von Zerk-Anschlüssen 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 Gleitfähigkeit des Polymers gibt es geschmierte Filzabstreifer, die bei jedem Hub Schmiermittel auffüllen. Dichtungstechnik ist in vielen Anwendungen wichtig. Eine Magnetstreifendichtung besteht aus einem Magnetband aus Edelstahl, das federbelastet ist, um die Spannung aufrechtzuerhalten. Die beiden Enden werden an den Endplatten des Systems befestigt und das Abdeckband bzw. Dichtungsband wird durch einen Hohlraum im Schlitten geführt. Während sich die Schlitten über die gesamte Länge des Systems bewegen, wird der Streifen von den Magneten abgehoben, damit der Schlitten passieren kann.

Als alternative Dichtungstechnologie verwenden Kunststoff-Abdeckbänder einen nachgiebigen Gummistreifen, der mit der Basisextrusion ineinander greift und so ähnlich wie ein Ziploc-Beutel wirkt. Die zusammenpassenden „Nut- und Feder“-Profile bilden eine Labyrinthdichtung, die das Eindringen von Partikeln äußerst wirksam verhindert. Flexible Motorhalterungen vereinfachen die Integration von Linearsystemen in automatisierte Baugruppen. Benutzer können einfach eine Standard-NEMA-Motorhalterung anfordern oder spezifische Montageinformationen für ihren Motor bereitstellen oder den Namen und die Teilenummer des Motorherstellers angeben. Das Gehäuse und die Kupplung werden aus gewöhnlichen Rohlingen gefertigt, um den wichtigsten Merkmalen des Motors des Kunden gerecht zu werden: Schraubengröße und Lochkreisdurchmesser am Motorflansch; Durchmesser des Motorpiloten; sowie Durchmesser und Länge der Motorwelle. Dies ermöglicht eine einfache horizontale, vertikale, geneigte oder umgekehrte Montage der Schlitten an nahezu jedem Motor mit garantierter Ausrichtung.

Nicht jede Kombination aus Antriebsart und Führungsart ist sinnvoll. Zu den sieben Technologiegruppen, die in der Praxis zum Einsatz kommen, gehören Spindeltrieb und Kugelführung, Spindelantrieb und Schlittenführung, Kugelgewindetrieb und Kugelführung, Kugelgewindetrieb und Schlittenführung, Riemenantrieb und Kugelführung, Riemenantrieb und Schlittenführung sowie Riemenantrieb und Radführung. Spinnendiagramme zeigen die relativen Stärken und Schwächen jeder dieser Technologien. Der Kugelumlaufspindelantrieb und die Kugelführungstechnologie bieten eine hohe Wiederholgenauigkeit, hohe Steifigkeit und die Fähigkeit, hohe Kräfte und Momente zu bewältigen. Es wird in Präzisionspositionierungsanwendungen mit hohen Lasten und hohen Arbeitszyklen eingesetzt, beispielsweise im Linearsystem zum Be- und Entladen von Zahnradrohlingen an einer Werkzeugmaschine. Riemengetriebene, kugelgeführte Einheiten sind für Hochgeschwindigkeits- und Beschleunigungsanwendungen mit hoher Nutzlast und hohen Momentbelastungen konzipiert. Diese Technologiegruppe eignet sich für Anwendungen, die eine Lücke überbrücken und entweder an den Enden oder intermittierend unterstützt werden. Eine typische Anwendung ist die Palettierung von Dosen. Riemengetriebene, schlittengeführte Linearsysteme bieten eine moderate Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfähigkeit. Gleitführungen können Stoßbelastungen bewältigen, sind jedoch in ihren linearen Geschwindigkeiten etwas begrenzt. Diese Kombination bietet eine kostengünstige, geräuscharme Lösung mit geringem Wartungsaufwand. Durch die Hinzufügung eines magnetischen Abdeckbandes eignet sich diese Lösung ideal für Umgebungen mit hohem Partikelgehalt und Abwaschanforderungen, wie z. B. eine Blechsprühbehandlungsanwendung. Riemengetriebene, radgeführte Einheiten bieten hohe lineare Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfähigkeiten bei moderaten Kosten, geringem Geräuschpegel und relativ geringem Wartungsaufwand. Eine typische Anwendung ist die Verpackungs- und Abfüllmaschine.

Machen oder kaufen? Wenn man darüber nachdenkt, ob man ein lineares System herstellen oder kaufen soll, ist es wichtig, die technische Zeit und das Fachwissen zu berücksichtigen, die für den Entwurf eines linearen Systems erforderlich sind. Das Entwerfen eines Systems umfasst technische Berechnungen wie die Lebensdauer des linearen und radialen Lagers, die Lebensdauer der Kugelumlaufspindel, die kritische Geschwindigkeit der Kugelumlaufspindel, die Durchbiegung des Stützprofils, die Auswahl der Schmierung, das Design der Abdeckung usw. Der Ansatz, das lineare System zu überdimensionieren, um zu reduzieren Die Entwurfszeit hat den Nachteil, dass sich die Kosten und der Bauraum erhöhen und weiterhin eine grundlegende Technik erforderlich ist, um sicherzustellen, dass nichts Grundlegendes übersehen wird. Beim Kauf von Linearsystemen kann es vorkommen, dass Standardkatalogprodukte nicht den Anforderungen der Anwendung entsprechen. In diesem Fall sind deutliche Modifikationen an Standardprodukten oder White-Sheet-Designs sinnvolle 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 und den Entwicklungszyklus zu beschleunigen.