Und wie lässt sich das vermeiden?

Portalsysteme unterscheiden sich von anderen Mehrachsensystemen (wie kartesischen Robotern und XY-Tischen) durch die Verwendung zweier paralleler Basisachsen (X-Achsen), die durch eine senkrechte Y-Achse verbunden sind. Diese Anordnung mit zwei X-Achsen sorgt für eine große, stabile Standfläche und ermöglicht hohe Tragfähigkeiten, große Verfahrwege und gute Steifigkeit. Sie kann jedoch auch zu einem Phänomen führen, das gemeinhin als Verwindung bezeichnet wird.

Werden zwei Linearachsen parallel montiert und verbunden, besteht immer das Risiko, dass sie sich nicht perfekt synchron bewegen. Das heißt, während der Bewegung kann eine der X-Achsen hinter der anderen zurückbleiben, und die führende Achse versucht, die nachfolgende mitzuziehen. In diesem Fall kann die verbindende Y-Achse schief stehen – sie ist dann nicht mehr senkrecht zu den beiden X-Achsen. Dieser Zustand, in dem die X- und Y-Achse ihre Orthogonalität verlieren, wird als Verkanten bezeichnet und kann zu Blockierungen bei Bewegungen des Systems in X-Richtung sowie zu potenziell schädlichen Kräften auf beide Achsen führen.

Verwindungen in Portalsystemen können durch verschiedene Konstruktions- und Montagefaktoren verursacht werden, wobei die Antriebsmethode der X-Achsen einen der größten Einfluss hat. 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 Drehzahl und relativ geringem Abstand zwischen den beiden X-Achsen (kurzer Hub der Y-Achse) 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 – von entscheidender Bedeutung.

Da die angetriebene Achse die nicht angetriebene Achse quasi „entlangzieht“, kann jede Biegung, Verdrehung oder andere nicht-starre Belastung der Verbindung zwischen den beiden X-Achsen unmittelbar zu Verwindungen und Blockierungen führen. Je länger die Y-Achse ist, desto weniger steif ist sie. Daher wird die „Antriebs-Folger“-Anordnung im Allgemeinen 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, die über die Steuerung in einer Master-Slave-Konfiguration synchronisiert werden. Bei dieser Anordnung müssen die Verfahrwege der mechanischen Antriebe jedoch exakt (oder nahezu exakt) aufeinander abgestimmt sein – andernfalls können bereits geringe Abweichungen im Verfahrweg jeder Achse pro Motorumdrehung zu Verwindungen und Blockierungen führen.

Für Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsanwendungen in Portalsystemen werden typischerweise Kugelgewindetriebe und Zahnstangenantriebe eingesetzt. Beide Technologien lassen sich gezielt aufeinander abstimmen, um auf jeder Achse einen ähnlichen linearen Fehler zu erzielen und so die Fehlerakkumulation zu vermeiden, die bei nicht übereinstimmenden Antriebseinheiten auftreten kann. Da Riemen- und Kettenantriebe Steigungsfehler aufweisen, die schwer auszugleichen und zu kompensieren sind, werden sie im Allgemeinen nicht für Portalsysteme empfohlen, wenn die X-Achsen unabhängig angetrieben werden. Linearmotoren hingegen sind eine ausgezeichnete Wahl für parallele Achsen in Portalsystemen, da sie keine mechanischen Fehler aufweisen und große Verfahrwege sowie hohe Geschwindigkeiten ermöglichen.

Eine weitere Lösung – gewissermaßen ein Kompromiss zwischen den beiden oben beschriebenen Optionen – besteht darin, beide X-Achsen mit einem Motor anzutreiben. Dies lässt sich realisieren, 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 Synchronisierung) überflüssig.

Die Torsionssteifigkeit der Distanzkupplung ist jedoch wichtig. Wenn das zwischen den Achsen übertragene Drehmoment zu einer Verwindung der Kupplung führt, können weiterhin Verwindungen und Blockierungen auftreten. Diese Konfiguration ist oft eine gute Option, wenn der Abstand zwischen den X-Achsen zwischen einem und drei Metern liegt und die Anforderungen an Last und Geschwindigkeit moderat sind.

Ein weiterer Faktor, der in Portalsystemen zu Verwindungen führen kann, ist mangelnde Montagegenauigkeit und Parallelität der 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 großen Verfahrwegs der Y-Achse tendenziell weit auseinanderliegen, ist die Montage und Parallelität der X-Achsen noch kritischer, da sich Winkelabweichungen über große Distanzen verstärken.

Unterschiedliche 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.

Kugelumlaufende oder rollengelagerte Profilschienen bieten in der Regel die höchste Tragfähigkeit und Steifigkeit aller Linearführungstechnologien. Bei paralleler Anordnung erfordern sie jedoch sehr präzise Einbauhöhen- und Parallelitätstoleranzen, um ein Blockieren zu vermeiden. Einige Hersteller bieten selbstausrichtende Ausführungen von Kugelumlauflagern an, die einen Teil der Fluchtungsfehler ausgleichen können, allerdings können Steifigkeit und Tragfähigkeit dadurch reduziert werden.

Führungsrollen, die auf Präzisionsschienen laufen, erfordern hingegen weniger Genauigkeit bei der Montage und Ausrichtung als profilierte Schienenführungen. Sie können sogar auf mäßig unebenen Oberflächen montiert werden, ohne dass es zu Laufproblemen wie Rattern und Blockieren kommt, selbst bei paralleler Verwendung zweier Schienen.

Die Ausrichtung kann zwar mit einfachen Hilfsmitteln wie Messuhren und Drähten erfolgen, die großen Längen in 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 oft das beste Werkzeug, um Geradlinigkeit, Ebenheit und Orthogonalität zwischen den Portalachsen sicherzustellen.