Und wie lässt sich das vermeiden?

Portale unterscheiden sich von anderen Arten von Mehrachsensystemen (z. B. kartesischen Robotern und XY-Tischen) dadurch, dass sie zwei parallele Basisachsen (X) verwenden, die durch eine senkrechte Achse (Y) verbunden sind. Während diese Anordnung mit zwei X-Achsen eine breite, stabile Grundfläche bietet und es Portalsystemen ermöglicht, eine hohe Tragfähigkeit, lange Verfahrwege und eine gute Steifigkeit zu liefern, kann sie auch zu einem Phänomen führen, das gemeinhin als Racking bezeichnet wird.

Immer wenn zwei Linearachsen parallel montiert und verbunden werden, besteht die Gefahr, dass die Achsen nicht perfekt synchron laufen. Mit anderen Worten: Während der Bewegung kann eine der X-Achsen hinter der anderen „hinken“ und die führende Achse wird versuchen, ihren nacheilenden Partner mitzuziehen. In diesem Fall kann die Verbindungsachse (Y) schief werden und nicht mehr senkrecht zu den beiden X-Achsen stehen. Der Zustand, bei dem die X- und Y-Achsen ihre Orthogonalität verlieren, wird als Racking bezeichnet und kann zu Blockaden führen, wenn sich das System in X-Richtung bewegt, sowie zu potenziell schädlichen Kräften auf die X- und Y-Achsen.

In Portalsystemen kann es durch verschiedene Konstruktions- und Montagefaktoren zu Verspannungen kommen. Einer der einflussreichsten Faktoren ist jedoch die Art und Weise des Antriebs der X-Achsen. Bei zwei parallel geschalteten X-Achsen haben Konstrukteure die Wahl, jede X-Achse unabhängig anzusteuern oder eine Achse anzusteuern und die andere als „Slave“- oder Folgeachse zu behandeln.

Bei Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und einem relativ kleinen Abstand zwischen den beiden X-Achsen (kurzer Y-Achsenhub) kann es akzeptabel sein, nur eine X-Achse anzutreiben und die zweite X-Achse als Mitnehmer ohne Antriebsmechanismus zu verwenden. Ein zentrales Anliegen bei diesem Entwurf ist die Steifigkeit der Verbindung zwischen den Achsen – mit anderen Worten die Steifigkeit der Y-Achse.

Da die angetriebene Achse effektiv an der nicht angetriebenen Achse „zieht“, kann jeder Reibungs- oder Belastungsunterschied zwischen den beiden Bindung. Und je länger die Y-Achse ist, desto weniger steif ist sie. Aus diesem Grund wird die „Driven-Follower“-Anordnung generell für Anwendungen empfohlen, bei denen der Abstand zwischen den X-Achsen weniger als einen Meter beträgt.

Die anspruchsvollere Antriebslösung besteht darin, für jede Achse einen separaten Motor zu verwenden, wobei die Motoren in einer Master-Slave-Anordnung über die Steuerung synchronisiert werden. Bei dieser Anordnung müssen jedoch die Verfahrfehler der mechanischen Antriebe perfekt (oder nahezu perfekt) aufeinander abgestimmt sein – andernfalls kann es durch geringfügige Abweichungen in der Distanz, die jede Achse pro Motorumdrehung zurücklegt, zu Verrutschen und Blockieren kommen.

Für Hochgeschwindigkeits-Präzisionsportalanwendungen sind Kugelumlaufspindeln und Zahnstangenantriebe die Antriebsmechanismen der Wahl. Beide Technologien können selektiv angepasst werden, um ähnliche lineare Fehler auf jeder Achse zu erzielen und so einen Teil der Fehlerhäufung zu vermeiden, die bei nicht angepassten Antriebsbaugruppen auftreten kann. Da Riemen- und Kettenantriebe Steigungsfehler aufweisen, die schwer auszugleichen und zu kompensieren sind, werden diese im Allgemeinen nicht für Portalsysteme empfohlen, bei denen die X-Achsen unabhängig voneinander angetrieben werden. Andererseits sind Linearmotoren eine ausgezeichnete Wahl für Parallelachsen in Portalsystemen, da sie keine mechanischen Fehler aufweisen und große Verfahrwege und hohe Geschwindigkeiten ermöglichen.

Eine andere Lösung – eine Art Kompromiss zwischen den beiden oben beschriebenen Optionen – besteht darin, einen Motor zum Antrieb beider X-Achsen zu verwenden. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Ausgang der motorisch angetriebenen Achse über eine Distanzkupplung (auch Verbindungswelle genannt) mit dem Eingang der zweiten Achse verbunden wird. Durch diese Konfiguration entfällt der zweite Motor (und die damit verbundene erforderliche Synchronisierung).

Wichtig ist jedoch die Torsionssteifigkeit der Distanzkupplung. Wenn das Drehmoment, das zwischen den Achsen übertragen wird, dazu führt, dass sich die Kupplung „aufdreht“, kann es dennoch zu Ruckeln und Blockieren kommen. Diese Konfiguration ist oft eine gute Option, wenn der Abstand zwischen den X-Achsen zwischen einem und drei Metern beträgt und mittlere Last- und Geschwindigkeitsanforderungen bestehen.

Ein weiterer Faktor, der bei Portalsystemen zu Verspannungen führen kann, ist die mangelnde Montagegenauigkeit und Parallelität zwischen den beiden X-Achsen. Immer wenn zwei Linearführungen parallel montiert und betrieben werden, erfordern sie eine gewisse Toleranz in Bezug auf Parallelität, Ebenheit und Geradheit, um eine Überlastung der Lager einer oder beider Führungen zu vermeiden. Bei Portalsystemen, bei denen die X-Achsen häufig weit voneinander entfernt sind (aufgrund des langen Verfahrwegs auf der Y-Achse), wird die Montage und Parallelität der X-Achsen noch kritischer, da sich Winkelfehler über große Entfernungen verstärken.

Unterschiedliche Führungstechnologien erfordern unterschiedliche Präzisionsgrade für Parallelität, Ebenheit und Geradheit. Bei Portalanwendungen ist die beste Linearführungstechnologie für die parallelen

Kugelumlauf- oder Rollenprofilschienenführungen bieten in der Regel die höchste Belastbarkeit und Steifigkeit aller Linearführungstechnologien, erfordern jedoch beim Einsatz in einer parallelen Konfiguration sehr genaue Montagehöhen- und Parallelitätstoleranzen, um ein Festklemmen zu vermeiden. Einige Hersteller bieten „selbstausrichtende“ Versionen von Kugelumlauflagern an, die in der Lage sind, einen gewissen Fluchtungsfehler auszugleichen, obwohl die Steifigkeit und Belastbarkeit möglicherweise verringert sind.

Andererseits erfordern Führungsräder, die auf Präzisionsschienen laufen, eine geringere Genauigkeit bei der Montage und Ausrichtung als Profilschienenführungen. Sie können sogar auf mäßig ungenauen Oberflächen montiert werden, ohne dass es zu Laufproblemen wie Rattern und Blockieren kommt, selbst wenn zwei Raupen parallel verwendet werden.

Während die Ausrichtung mit einfachen Werkzeugen wie Messuhren und Drähten durchgeführt werden kann, ist dies aufgrund der großen Längen von Portalsystemen oft unpraktisch. Darüber hinaus erhöht die Ausrichtung mehrerer paralleler und senkrechter Achsen die Komplexität und den Zeit- und Arbeitsaufwand exponentiell.

Aus diesem Grund ist ein Laserinterferometer oft das beste Werkzeug, um Geradheit, Ebenheit und Orthogonalität zwischen Portalachsen sicherzustellen.