Und wie lässt es sich vermeiden …

Portale unterscheiden sich von anderen Mehrachsensystemen (wie kartesischen Robotern und XY-Tischen) durch die Verwendung zweier paralleler Basisachsen (X), die durch eine senkrechte Achse (Y) verbunden sind. Diese Anordnung mit zwei X-Achsen sorgt zwar für eine breite, stabile Standfläche und ermöglicht Portalsystemen hohe Tragfähigkeit, lange Verfahrwege und gute Steifigkeit, kann aber auch zu einem Phänomen führen, das allgemein als Verkanten bezeichnet wird.

Bei der parallelen Montage und Verbindung zweier linearer Achsen besteht die Gefahr, dass die Achsen nicht perfekt synchron laufen. Anders ausgedrückt: Während der Bewegung kann eine der X-Achsen hinter der anderen zurückbleiben, und die führende Achse versucht, die hintere Achse mitzuziehen. Dadurch kann die Verbindungsachse (Y-Achse) schief werden und nicht mehr senkrecht zu den beiden X-Achsen stehen. Dieser Zustand, in dem die X- und Y-Achsen ihre Rechtwinkligkeit verlieren, wird als Verkanten bezeichnet und kann zu einem Verklemmen des Systems bei der Bewegung in X-Richtung sowie zu potenziell schädlichen Kräften auf die X- und Y-Achse führen.

Die Regalbedienung in Portalsystemen kann durch verschiedene Konstruktions- und Montagefaktoren verursacht werden. Einer der einflussreichsten Faktoren ist jedoch die Art und Weise, wie die X-Achsen angetrieben werden. Bei zwei parallelen X-Achsen haben Konstrukteure die Wahl, jede X-Achse unabhängig anzutreiben oder eine Achse anzutreiben und die andere als Slave- bzw. Folgeachse zu behandeln.

Bei Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und relativ geringem Abstand zwischen den beiden X-Achsen (kurzer Y-Achsenhub) kann es akzeptabel sein, nur eine X-Achse anzutreiben und die zweite X-Achse als Folgeachse ohne Antriebsmechanismus zu verwenden. Bei dieser Konstruktion ist die Steifigkeit der Achsenverbindung – also die Steifigkeit der Y-Achse – ein zentrales Kriterium.

Da die angetriebene Achse die nicht angetriebene Achse quasi „mitzieht“, kann jeder Unterschied in Reibung oder Belastung zwischen den beiden X-Achsen bei Biegung, Verdrehung oder anderen nicht starren Eigenschaften der Verbindung sofort zu Verspannungen und Verklemmen führen. Je länger die Y-Achse, desto weniger starr ist sie. Deshalb empfiehlt sich die Anordnung mit angetriebenem Mitnehmer generell für Anwendungen, bei denen der Abstand zwischen den X-Achsen weniger als einen Meter beträgt.

Die anspruchsvollere Antriebslösung besteht darin, an jeder Achse einen separaten Motor zu verwenden, wobei die Motoren über die Steuerung in einer Master-Slave-Anordnung synchronisiert werden. Bei dieser Anordnung müssen die Bewegungsfehler der mechanischen Antriebe jedoch perfekt (oder nahezu perfekt) aufeinander abgestimmt sein. Andernfalls kann es durch geringfügige Abweichungen in der pro Motorumdrehung zurückgelegten Strecke jeder Achse zu Verkanten und Blockieren kommen.

Für Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsportalanwendungen werden üblicherweise Kugelumlaufspindeln und Zahnstangenantriebe eingesetzt. Beide Technologien lassen sich gezielt anpassen, um auf jeder Achse einen ähnlichen linearen Fehler zu erzielen. Dadurch wird die Fehlerakkumulation, die bei nicht abgestimmten Antriebsbaugruppen auftreten kann, teilweise vermieden. Da Riemen- und Kettenantriebe Teilungsfehler aufweisen, die schwer anzupassen und auszugleichen sind, werden sie für Portalsysteme mit unabhängig angetriebenen X-Achsen im Allgemeinen nicht empfohlen. Linearmotoren hingegen eignen sich hervorragend für parallele Achsen in Portalsystemen, da sie keine mechanischen Fehler aufweisen und lange Verfahrwege und hohe Geschwindigkeiten ermöglichen.

Eine weitere Lösung – ein Kompromiss zwischen den beiden oben beschriebenen Optionen – besteht darin, beide X-Achsen mit einem Motor anzutreiben. Dies kann erreicht werden, indem der Ausgang der motorgetriebenen Achse über eine Distanzkupplung (auch Verbindungswelle genannt) mit dem Eingang der zweiten Achse verbunden wird. Diese Konfiguration macht den zweiten Motor (und die damit verbundene erforderliche Synchronisierung) überflüssig.

Die Torsionssteifigkeit der Distanzkupplung ist jedoch wichtig. Wenn das zwischen den Achsen übertragene Drehmoment die Kupplung verdreht, kann es dennoch zu Verspannungen und Verklemmen kommen. Diese Konfiguration ist oft eine gute Option, wenn der Abstand zwischen den X-Achsen zwischen einem und drei Metern liegt und moderate Last- und Geschwindigkeitsanforderungen bestehen.

Ein weiterer Faktor, der zu Verspannungen in Portalsystemen führen kann, ist mangelnde Montagegenauigkeit und Parallelität zwischen den beiden X-Achsen. Werden zwei Linearführungen parallel montiert und betrieben, ist eine gewisse Toleranz hinsichtlich Parallelität, Ebenheit und Geradheit erforderlich, um eine Überlastung der Lager einer oder beider Führungen zu vermeiden. In Portalsystemen, bei denen die X-Achsen aufgrund des langen Verfahrwegs auf der Y-Achse oft weit auseinander liegen, werden Montage und Parallelität der X-Achsen noch kritischer, da Winkelfehler über große Distanzen verstärkt werden.

Verschiedene Führungstechnologien erfordern unterschiedliche Präzisionsgrade hinsichtlich Parallelität, Ebenheit und Geradheit. Bei Portalanwendungen ist die beste Linearführungstechnologie für die parallelen X-Achsen typischerweise diejenige, die die größte Toleranz gegenüber Montage- und Ausrichtungsfehlern bietet und gleichzeitig die erforderliche Tragfähigkeit und Steifigkeit gewährleistet.

Kugelumlauf- oder Rollenprofilschienenführungen bieten typischerweise die höchste Tragfähigkeit und Steifigkeit aller Linearführungstechnologien. Bei paralleler Anordnung erfordern sie jedoch sehr präzise Einbauhöhen- und Parallelitätstoleranzen, um ein Verklemmen zu vermeiden. Einige Hersteller bieten selbstausrichtende Versionen von Kugelumlauflagern an, die Fluchtungsfehler ausgleichen können, allerdings können Steifigkeit und Tragfähigkeit dadurch reduziert sein.

Führungsräder, die auf Präzisionsschienen laufen, erfordern hingegen eine geringere Genauigkeit bei Montage und Ausrichtung als Profilschienenführungen. Sie können sogar auf Oberflächen mit mäßiger Ungenauigkeit montiert werden, ohne dass es zu Laufproblemen wie Rattern und Klemmen kommt, selbst wenn zwei Schienen parallel verwendet werden.

Die Ausrichtung kann zwar mit einfachen Werkzeugen wie Messuhren und Drähten erfolgen, die großen Längen von Portalsystemen machen dies jedoch oft unpraktisch. Zudem erhöht die Ausrichtung mehrerer paralleler und senkrechter Achsen die Komplexität sowie den Zeit- und Arbeitsaufwand exponentiell.

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