Für die meisten linearen Bewegungsanwendungen eignen sich herkömmliche Systeme mit Riemen- oder Schraubenantrieb gut. Allerdings können Probleme auftreten, wenn längere lineare Entfernungen erforderlich sind.

Wenn lange lineare Bewegungen erforderlich sind, bieten sich riemengetriebene Systeme an. Diese relativ einfachen Systeme nutzen Riemenscheibenantriebe, um Spannung entlang des Riemens zu erzeugen, und können schnell auf hohe Geschwindigkeiten gebracht werden. Da diese Systeme jedoch längere Hübe erreichen, kann es zu Problemen mit durchhängenden Bändern kommen. Die Spannung kann nicht über die gesamte Länge des Systems aufrechterhalten werden.

Auch die Gummi- oder Kunststoffbänder selbst weisen systembedingt eine große Nachgiebigkeit auf. Diese Flexibilität über die gesamte Länge des Systems kann zu Vibrationen oder Federungen führen, die einen Schlageffekt auf den Schlitten erzeugen. Wenn ein bestimmter Prozess dies nicht bewältigen kann, ist ein schraubengetriebenes System möglicherweise die bessere Option. Spindelangetriebene Systeme verfügen über ein festes mechanisches Element, das jederzeit eine vollständige Kontrolle über den Schlitten mit exaktem Stoppen und Positionieren gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil schraubengetriebener Systeme ist die Sicherheit. Riemengetriebene Systeme sind aufgrund der Gefahr eines Riemenbruchs weniger sicher. Ein solcher Fehler wäre unkontrolliert und bei vertikalen Anwendungen könnte die Last herunterfallen und Maschinen oder sogar Personal beschädigen. Bei einem schraubengetriebenen System gibt es dieses Problem nicht. Selbst bei einem Ausfall würde ein schraubengetriebenes System verhindern, dass die Last herunterfällt, und die Sicherheit gewährleisten.

In der Vergangenheit bestand das Problem bei schraubengetriebenen Systemen darin, dass es schwierig war, größere Hublängen zu erreichen. Schraubengetriebene Systeme können im Allgemeinen in Längen von bis zu 6 Metern bereitgestellt werden, wobei Lagerblockpaare zur Unterstützung der Schraube verwendet werden und jegliche Schlagwirkung bei höheren Drehzahlen verhindert werden. Längere Schrauben benötigen auch bei geringeren Drehzahlen eine Abstützung gegen Durchbiegen durch ihr Eigengewicht. Dieses Lagerblock-Stützsystem besteht traditionell aus Blockpaaren, die mit einer Stange oder einem Draht verbunden sind. Die Paare bewegen sich gemeinsam entlang des linearen Bewegungssystems.

Wenn ein System einen längeren Hub erfordert, können weitere Lagerblockpaare hinzugefügt werden, um die Schraube in regelmäßigen Abständen über ihre Länge zu stützen. Die Zusammenarbeit von bis zu drei oder sogar vier Paaren kann praktisch sein, aber die Verbindung der Stäbe oder Drähte zwischen den Blöcken wird ab dieser Zahl schwierig.

Längere Striche

Die erste Herausforderung zur Erzielung eines längeren Hubs besteht darin, ein System zu schaffen, das mehr Stützpunkte für die längere Schraube bieten kann. Eine Lösung besteht darin, auf das verbundene System der Blöcke zu verzichten und stattdessen ein System zu verwenden, bei dem die Blöcke bei Bedarf ineinander zusammenfallen und sich trennen können. Sobald die Blöcke ihre Sollposition erreicht haben, bleiben sie dort, um die Schraube zu führen und zu stützen. In einem solchen System können mit Lagerbockpaaren 10, 12 oder sogar 13 Auflagepunkte realisiert werden. Dieses Stützsystem für die Kugelumlaufspindel oder Leitspindel ermöglicht lange Verfahrwege ohne Biegen oder Schlagen.

Um eine Länge von mehr als 6 Metern zu erreichen, besteht die nächste Herausforderung darin, eine längere Schraube zu erstellen. Aufgrund begrenzter Rohstoffe werden Schrauben jedoch in der Regel nur bis zu einer Länge von 6 Metern hergestellt. Wie kann also eine Hublänge von mehr als 10 Metern erreicht werden? Die Antwort liegt darin, zwei Schrauben aneinander zu befestigen und einige präzise Herstellungstechniken anzuwenden.

Leitspindeln und Kugelumlaufspindeln werden auf einer Walzstraße hergestellt und jedes Teil kann mit einer leicht unterschiedlichen Steigungsabweichung hergestellt werden. Um zwei Teile miteinander zu verbinden, müssen daher Unterschiede in der Steigungsabweichung überwunden werden. Damit zwei Schrauben erfolgreich verbunden werden können, müssen Kugelumlaufspindeln mit höchster Präzision und möglichst geringer Abweichung verwendet werden. Die Kugelumlaufspindeln müssen präzise bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass keine Wärme in das Teil eindringt und den Durchmesser oder die Steigungsgeometrie verändert. Schon eine Abweichung von nur 0,01 oder 0,001 Millimetern kann zu Problemen für das endgültige System führen.

Nach der Bearbeitung werden die Schrauben mithilfe eines Gewindebohrers und einer Bohrung mit minimaler Abweichung zwischen den beiden Gewindegängen zusammengefügt. Abschließend werden sie mit hochfestem Kleber befestigt. (Das Zusammenschweißen der Schrauben würde wiederum die Geometrie verändern und zu Problemen führen.)

Schraubengetriebene Systeme mit zusammenklappbaren Stützblocksystemen und präzisionsgefertigten Schrauben können in Längen von 10,8 Metern und mehr hergestellt werden. Ein System mit einer Hublänge von 2 bis 3 Metern hätte eine maximale Geschwindigkeit von etwa 4.000 U/min. Normalerweise müsste bei einem längeren System die Drehzahl deutlich gesenkt werden, um Peitschen zu vermeiden. Doch mit zusätzlichen Stützen kann ein bis zu 10 Meter langes Schneckensystem mit 4.000 Umdrehungen pro Minute laufen.

Langfristige Anwendungen

Spindelgetriebene Systeme mit großen Hublängen werden in den unterschiedlichsten Branchen zur präzisen linearen Positionierung eingesetzt. Ein gutes Beispiel ist ein automatisiertes Schweißsystem für Metallrohre und -schläuche. Eine genaue Positionierung einer Schweißdüse über große Verfahrwege ist erforderlich. Bei Anwendungen, bei denen hochwertige Materialien wie Titan geschweißt werden, wird der Vorgang im Vakuum durchgeführt, um eine Oxidation des Metalls zu vermeiden.

Viele Anwendungen in der Automobilindustrie erfordern große Verfahrwege. Beispielsweise werden sechsachsige Roboter häufig an Langhub-Linearaktuatoren für Schweiß- oder Maschinenbedienungsarbeiten montiert. Obwohl die Geschwindigkeit für den Transport von Roboterarmen möglicherweise kein entscheidender Faktor ist, sind eine große Länge und eine sehr genaue Positionierung erforderlich.

Die Herstellung optischer Kabel ist ein kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsvorgang, der nicht gestoppt werden kann, ohne die Qualität der hergestellten Fasern zu gefährden. Die Kabel sind auf große Spulen aufgewickelt. Wenn eine Rolle voll ist, muss sie schnell ausgetauscht werden, um den Produktverlust zu minimieren. Präzision und Geschwindigkeit sind entscheidend für die Prozesseffizienz. Lange Systeme mit Schraubenantrieb können in dieser Anwendung beides bieten und gleichzeitig die schwere Last der Rollen bewältigen.

Jede Anwendung, die die Bewegung schwerer Geräte in der vertikalen Ebene erfordert, profitiert von der Steifigkeit und Ausfallsicherheit einer Linearspindel. In der Flugzeugindustrie werden beispielsweise hochpräzise Kameras auf und ab bewegt. Schrauben tragen das schwere Gewicht sicher und präzise. Zur Aufnahme des dynamischen Lastmoments werden in solchen Anwendungen spezielle Kugelführungssysteme mit Kugeln mit großem Durchmesser eingesetzt.

Verbesserungen bestehender Systeme

Bei vielen linearen Bewegungsanwendungen mit großer Länge bleibt die Kugelumlaufspindel vollständig geöffnet. Bei solchen Systemen gibt es zwei häufige Probleme: Entweder kann das System nicht mit der gewünschten Geschwindigkeit arbeiten, oder das System ist schwer zu warten, da die offene Schnecke Staub und Schmutz anzieht und eine regelmäßige Reinigung erfordert, um einen vorzeitigen Ausfall der Kugelmutter zu vermeiden.

In solchen Anwendungen bedeutet die zusätzliche Unterstützung durch die gestapelte Lagerblockkonfiguration, dass die Schnecke mit einer viel höheren Geschwindigkeit betrieben werden kann. Reinigungs- und Zuverlässigkeitsprobleme können durch ein abgedecktes, versiegeltes System gelöst werden, das die Schraube schützt und den Wartungsaufwand erheblich reduziert. Die beiliegende Schraube ist vor dem Eindringen von Staub und Schmutz geschützt und kann auch ohne regelmäßige Reinigung eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit aufrechterhalten.

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