Für die meisten linearen Bewegungsanwendungen eignen sich herkömmliche Systeme mit Riemen- oder Spindelantrieb gut. Bei längeren linearen Distanzen können jedoch Probleme auftreten.

Riemengetriebene Systeme bieten sich an, wenn lange lineare Bewegungen erforderlich sind. Diese relativ einfachen Systeme nutzen Riemenscheibenantriebe, um Spannung entlang des Riemens zu erzeugen, und können schnell auf hohe Geschwindigkeiten gebracht werden. Bei längeren Hüben können jedoch Probleme mit durchhängenden Riemen auftreten. Die Spannung kann nicht über die gesamte Länge des Systems aufrechterhalten werden.

Das System ist zudem durch die Gummi- oder Kunststoffbänder selbst stark nachgiebig. Diese Flexibilität über die gesamte Länge des Systems kann Vibrationen oder Federn verursachen, die einen Schlageffekt auf den Schlitten erzeugen. Wenn ein bestimmter Prozess dies nicht bewältigen kann, ist ein spindelgetriebenes System möglicherweise die bessere Option. Spindelgetriebene Systeme verfügen über ein festes mechanisches Element, das jederzeit die vollständige Kontrolle des Schlittens mit exaktem Stoppen und Positionieren gewährleistet.

Sicherheit ist ein weiterer Vorteil von spindelgetriebenen Systemen. Riemengetriebene Systeme sind weniger sicher, da die Gefahr eines Riemenrisses besteht. Ein solcher Fehler wäre unkontrolliert und könnte bei vertikalen Anwendungen zum Herabfallen der Last und damit zu Schäden an Maschinen oder sogar Personen führen. Bei spindelgetriebenen Systemen tritt dieses Problem nicht auf. Selbst bei einem Ausfall würde ein spindelgetriebenes System den Herabfallen der Last verhindern und so die Sicherheit gewährleisten.

Das Problem bei spindelgetriebenen Systemen bestand in der Vergangenheit darin, größere Hublängen zu erreichen. Spindelgetriebene Systeme können üblicherweise in Längen von bis zu 6 Metern geliefert werden. Dabei werden Lagerblöcke verwendet, um die Spindel zu stützen und ein Schlagen bei höheren Drehzahlen zu verhindern. Auch bei niedrigeren Drehzahlen benötigen längere Spindeln eine Stütze gegen Verbiegungen durch ihr Eigengewicht. Dieses Lagerblock-Stützsystem besteht traditionell aus Blockpaaren, die durch eine Stange oder einen Draht verbunden sind. Die Paare bewegen sich gemeinsam entlang des linearen Bewegungssystems.

Wenn ein System einen längeren Hub benötigt, können weitere Lagerblockpaare hinzugefügt werden, um die Spindel in regelmäßigen Abständen entlang ihrer Länge zu stützen. Bis zu drei oder sogar vier zusammenarbeitende Paare können praktisch sein, aber ab dieser Anzahl wird die Verbindung der Stangen oder Drähte zwischen den Blöcken schwierig.

Längere Hübe

Die erste Herausforderung für einen längeren Hub besteht darin, ein System zu entwickeln, das mehr Stützpunkte für die längere Spindel bietet. Eine Lösung besteht darin, das verbundene System der Blöcke zu ersetzen und stattdessen ein System zu verwenden, bei dem die Blöcke ineinander klappen und sich bei Bedarf wieder trennen können. Sobald die Blöcke ihre Sollposition erreicht haben, bleiben sie dort, um die Spindel zu führen und zu stützen. In einem solchen System lassen sich 10, 12 oder sogar 13 Stützpunkte mit Lagerblockpaaren realisieren. Dieses Stützsystem für die Kugelumlaufspindel oder Leitspindel ermöglicht lange Verfahrwege ohne Verbiegung oder Schwingung.

Um eine Länge von über 6 Metern zu erreichen, besteht die nächste Herausforderung darin, eine längere Schnecke zu entwickeln. Aufgrund der begrenzten Rohstoffverfügbarkeit werden Schnecken jedoch normalerweise nur mit einer Länge von bis zu 6 Metern hergestellt. Wie lässt sich also eine Hublänge von mehr als 10 Metern erreichen? Die Lösung liegt in der Verbindung zweier Schnecken und dem Einsatz präziser Fertigungstechniken.

Leitspindeln und Kugelumlaufspindeln werden auf einer Walzstraße hergestellt, wobei jedes Teil eine leicht unterschiedliche Steigungsabweichung aufweisen kann. Um zwei Teile miteinander zu verbinden, müssen daher unterschiedliche Steigungsabweichungen ausgeglichen werden. Für eine erfolgreiche Verbindung zweier Spindeln sind hochpräzise Kugelumlaufspindeln mit möglichst geringer Abweichung erforderlich. Die Kugelumlaufspindeln müssen präzise bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass keine Wärme in das Teil eindringt und den Durchmesser oder die Steigungsgeometrie verändert. Selbst eine Abweichung von nur 0,01 oder 0,001 Millimetern kann Probleme für das fertige System verursachen.

Nach der Bearbeitung werden die Schrauben mittels Gewindebohren und -bohren mit minimaler Abweichung zwischen den beiden Gewinden zusammengefügt. Abschließend werden sie mit hochfestem Klebstoff fixiert. (Das Zusammenschweißen der Schrauben würde die Geometrie erneut verändern und Probleme verursachen.)

Spindelgetriebene Systeme mit zusammenklappbaren Stützblöcken und präzisionsgefertigten Spindeln können Längen von 10,8 Metern oder mehr erreichen. Ein System mit einer Hublänge von 2 bis 3 Metern hätte eine maximale Drehzahl von etwa 4.000 U/min. Normalerweise müsste bei einem längeren System die Drehzahl deutlich reduziert werden, um ein Schwingen zu vermeiden. Mit zusätzlichen Stützen kann ein bis zu 10 Meter langes Spindelsystem jedoch mit 4.000 U/min laufen.

Langstreckenanwendungen

Spindelgetriebene Systeme mit großen Hublängen werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, um eine präzise lineare Positionierung zu gewährleisten. Ein gutes Beispiel ist ein automatisiertes Schweißsystem für Metallrohre und -schläuche. Die präzise Positionierung einer Schweißdüse über lange Verfahrwege ist dabei unerlässlich. Beim Schweißen hochwertiger Materialien wie Titan wird der Vorgang im Vakuum durchgeführt, um eine Oxidation des Metalls zu vermeiden.

Viele Anwendungen in der Automobilindustrie erfordern große Verfahrwege. Beispielsweise werden Sechs-Achs-Roboter häufig für Schweiß- oder Maschinenbedienvorgänge an Langhub-Linearantrieben montiert. Obwohl die Geschwindigkeit beim Transport von Roboterarmen möglicherweise kein kritischer Faktor ist, sind große Längen und eine sehr präzise Positionierung erforderlich.

Die Herstellung optischer Kabel ist ein Hochgeschwindigkeits-Dauerprozess, der nicht gestoppt werden kann, ohne die Qualität der produzierten Fasern zu gefährden. Die Kabel werden auf große Spulen gespult. Ist eine Spule voll, muss sie schnell ausgetauscht werden, um Produktverluste zu minimieren. Präzision und Geschwindigkeit sind entscheidend für die Prozesseffizienz. Systeme mit langen Spindeln bieten beides in dieser Anwendung und sind zudem in der Lage, die hohe Belastung der Spulen zu bewältigen.

Alle Anwendungen, die die Bewegung schwerer Geräte in der Vertikalen erfordern, profitieren von der Steifigkeit und Ausfallsicherheit einer Linearspindel. In der Flugzeugindustrie werden beispielsweise hochpräzise Kameras auf und ab bewegt. Spindeln tragen das hohe Gewicht sicher und präzise. In solchen Anwendungen kommen spezielle Kugelführungssysteme mit großen Kugeln zum Einsatz, um das dynamische Lastmoment aufzunehmen.

Verbesserungen an bestehenden Systemen

Bei vielen Linearbewegungsanwendungen mit großer Länge ist die Kugelumlaufspindel vollständig offen. Bei solchen Systemen treten häufig zwei Probleme auf: Entweder kann das System nicht mit der gewünschten Geschwindigkeit arbeiten, oder die Wartung des Systems ist schwierig, da die offene Spindel Staub und Schmutz anzieht und daher regelmäßig gereinigt werden muss, um einen vorzeitigen Ausfall der Kugelumlaufmutter zu vermeiden.

In solchen Anwendungen ermöglicht die zusätzliche Unterstützung durch die gestapelte Lagerblockanordnung einen deutlich höheren Schneckenbetrieb. Reinigungs- und Zuverlässigkeitsprobleme lassen sich durch ein abgedecktes, abgedichtetes System lösen, das die Schnecke schützt und den Wartungsaufwand deutlich reduziert. Die geschlossene Schnecke ist vor dem Eindringen von Staub und Schmutz geschützt und kann auch ohne regelmäßige Reinigung optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten.

Bei einem solchen System kann der Schlitten mit gebohrten Kanälen ausgestattet und mit einem Schmiernippel verbunden werden. Dies ermöglicht die Schmierung von einer einzigen Stelle aus, ohne dass das Gehäuse geöffnet werden muss. Da die Einheit nie geöffnet werden muss, können geringe Mengen Staub oder Wasser in das System eindringen. Es ist selbst in den schmutzigsten Umgebungen geschützt.