Für die meisten Anwendungen mit linearer Bewegung eignen sich herkömmliche Riemen- oder Spindelantriebe gut. Probleme können jedoch auftreten, wenn größere lineare Strecken erforderlich sind.

Riemengetriebene Systeme sind eine naheliegende Wahl, wenn lange lineare Bewegungen erforderlich sind. Diese relativ einfachen Systeme nutzen Riemenscheiben, um die Riemenspannung zu erzeugen, und erreichen schnell hohe Drehzahlen. Bei längeren Hüben kann es jedoch zu Problemen mit durchhängenden Riemen kommen. Die Spannung kann dann nicht über die gesamte Systemlänge aufrechterhalten werden.

Das System weist aufgrund der Gummi- oder Kunststoffriemen selbst eine gewisse Flexibilität auf. Diese Flexibilität über die gesamte Systemlänge kann Vibrationen oder ein Federn verursachen, was zu einem Peitscheneffekt am Schlitten führt. Wenn ein bestimmter Prozess dies nicht tolerieren kann, ist ein spindelgetriebenes System möglicherweise die bessere Wahl. Spindelgetriebene Systeme verfügen über ein festes mechanisches Element, das jederzeit eine vollständige Kontrolle des Schlittens mit exaktem Stopp und Positionierung gewährleistet.

Sicherheit ist ein weiterer Vorteil von Spindelantrieben. Riemenantriebe sind aufgrund der Möglichkeit eines Riemenrisses weniger sicher. Ein solcher Fehler wäre unkontrolliert, und bei vertikalen Anwendungen könnte die Last herabstürzen und Maschinen oder sogar Personen beschädigen. Ein Spindelantrieb hat dieses Problem nicht. Selbst im Falle eines Ausfalls würde ein Spindelantrieb die Last am Herabfallen hindern und somit die Sicherheit gewährleisten.

Historisch gesehen lag das Problem bei spindelgetriebenen Systemen in der Schwierigkeit, größere Hublängen zu realisieren. Spindelgetriebene Systeme sind üblicherweise mit Längen bis zu 6 Metern erhältlich. Dabei werden Lagerblöcke paarweise eingesetzt, um die Spindel zu stützen und ein Pendeln bei höheren Drehzahlen zu verhindern. Selbst bei niedrigeren Drehzahlen benötigen längere Spindeln eine Abstützung gegen die durch ihr Eigengewicht verursachte Biegung. Dieses Lagerblocksystem besteht traditionell aus jeweils zwei Blöcken, die durch eine Stange oder einen Draht verbunden sind. Die Blöcke bewegen sich gemeinsam entlang des linearen Systems.

Wenn ein System einen längeren Hub benötigt, können weitere Lagerblockpaare hinzugefügt werden, um die Spindel in regelmäßigen Abständen entlang ihrer Länge zu stützen. Der Einsatz von bis zu drei oder sogar vier Paaren kann praktikabel sein, jedoch wird die Verbindung der Stangen oder Drähte zwischen den Blöcken bei einer höheren Anzahl schwierig.

Längere Schläge

Die erste Herausforderung für einen längeren Hub besteht darin, ein System zu entwickeln, das mehr Auflagepunkte für die längere Spindel bietet. Eine Lösung ist, auf das bisherige System mit verbundenen Lagerblöcken zu verzichten und stattdessen ein System zu verwenden, bei dem sich die Blöcke bei Bedarf ineinander versenken und wieder trennen lassen. Sobald die Blöcke ihre Sollposition erreicht haben, bleiben sie dort, um die Spindel zu führen und zu stützen. Mit Lagerblockpaaren lassen sich in einem solchen System 10, 12 oder sogar 13 Auflagepunkte realisieren. Dieses Stützsystem für Kugel- oder Leitspindeln ermöglicht lange Verfahrwege ohne Verbiegen oder Schlagen.

Um Längen von über 6 Metern zu erreichen, besteht die nächste Herausforderung darin, eine längere Schraube herzustellen. Aufgrund von Beschränkungen bei den verfügbaren Rohstoffen werden Schrauben jedoch üblicherweise nur bis zu einer Länge von 6 Metern gefertigt. Wie lässt sich also eine Hublänge von mehr als 10 Metern realisieren? Die Antwort liegt in der Verbindung zweier Schrauben und dem Einsatz präziser Fertigungstechniken.

Kugelgewindetriebe und Gewindespindeln werden auf einer Fertigungslinie hergestellt, wobei jedes Teil eine geringfügig abweichende Steigungsabweichung aufweisen kann. Um zwei Teile zu verbinden, müssen diese Abweichungen ausgeglichen werden. Für eine erfolgreiche Verbindung zweier Gewindespindeln sind Kugelgewindetriebe höchster Präzision mit minimaler Abweichung erforderlich. Die Kugelgewindetriebe müssen präzise bearbeitet werden, um zu verhindern, dass Wärme in das Bauteil eindringt und den Durchmesser oder die Steigungsgeometrie verändert. Selbst Abweichungen von nur 0,01 oder 0,001 Millimetern können Probleme im fertigen System verursachen.

Nach der Bearbeitung werden die Schrauben mithilfe eines Gewindebohrers und einer Bohrung mit minimaler Abweichung zwischen den beiden Gewindegängen miteinander verbunden. Abschließend werden sie mit hochfestem Klebstoff fixiert. (Das Verschweißen der Schrauben würde die Geometrie erneut verändern und Probleme verursachen.)

Schraubengetriebene Systeme mit kollabierbaren Stützblöcken und präzisionsgefertigten Schrauben lassen sich in Längen von 10,8 Metern und mehr realisieren. Ein System mit einem Hub von 2 bis 3 Metern erreicht eine maximale Drehzahl von rund 4.000 U/min. Normalerweise müsste bei längeren Systemen die Drehzahl deutlich reduziert werden, um ein Pendeln zu vermeiden. Mit zusätzlichen Stützen kann jedoch ein bis zu 10 Meter langes schraubengetriebenes System mit 4.000 U/min betrieben werden.

Langstreckenanwendungen

Schraubengetriebene Systeme mit langen Hüben werden in vielen Branchen zur präzisen linearen Positionierung eingesetzt. Ein gutes Beispiel ist eine automatisierte Schweißanlage für Metallrohre. Hierbei ist die genaue Positionierung einer Schweißdüse über große Verfahrwege erforderlich. Bei Anwendungen, in denen hochwertige Werkstoffe wie Titan verschweißt werden, erfolgt der Schweißvorgang im Vakuum, um die Oxidation des Metalls zu vermeiden.

Viele Anwendungen in der Automobilindustrie erfordern große Verfahrwege. Beispielsweise werden Sechs-Achs-Roboter häufig an Linearantrieben mit großem Hub für Schweiß- oder Maschinenbedienungsvorgänge montiert. Obwohl die Geschwindigkeit beim Transport von Roboterarmen nicht unbedingt entscheidend ist, sind ein großer Verfahrweg und eine sehr präzise Positionierung unerlässlich.

Die Herstellung von Glasfaserkabeln ist ein Hochgeschwindigkeits- und kontinuierlicher Prozess, der nicht unterbrochen werden darf, ohne die Qualität der produzierten Fasern zu beeinträchtigen. Die Kabel werden auf große Spulen aufgewickelt. Sobald eine Spule voll ist, muss sie schnell ausgetauscht werden, um Produktverluste zu minimieren. Präzision und Geschwindigkeit sind für die Prozesseffizienz entscheidend. Lange, schraubengetriebene Systeme bieten in dieser Anwendung beides und sind zudem in der Lage, die hohe Last der Spulen zu bewältigen.

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

Verbesserungen an bestehenden Systemen

Bei vielen Anwendungen mit langen Linearbewegungen ist die Kugelumlaufspindel vollständig offen. Solche Systeme weisen zwei häufige Probleme auf: Entweder erreichen sie nicht die gewünschte Drehzahl, oder sie sind schwer zu warten, da die offene Spindel Staub und Schmutz anzieht und regelmäßige Reinigungen erforderlich sind, um einen vorzeitigen Ausfall der Kugelumlaufmutter zu verhindern.

In solchen Anwendungen ermöglicht die zusätzliche Unterstützung durch die gestapelte Lagerblockkonfiguration einen deutlich höheren Drehzahlbetrieb der Schnecke. Reinigungs- und Zuverlässigkeitsprobleme lassen sich durch ein geschlossenes, gekapseltes System lösen, das die Schnecke schützt und den Wartungsaufwand erheblich reduziert. Die gekapselte Schnecke ist vor dem Eindringen von Staub und Schmutz geschützt und kann ohne regelmäßige Reinigung optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten.

Bei einem solchen System kann der Schlitten mit gebohrten Kanälen versehen und mit einem Schmiernippel verbunden werden. Dies ermöglicht die Schmierung von einem einzigen Punkt aus, ohne das Gehäuse öffnen zu müssen. Da die Einheit nie geöffnet werden muss, können nur geringe Mengen Staub oder Wasser in das System eindringen. Es ist selbst in stark verschmutzten Umgebungen geschützt.