Lineartechnik Linearsysteme: Grundlagen zum Konstruieren

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier / Karl-Ullrich Höltkemeier

Aus vielen Branchen sind Linearmodule und Lineartische heute nicht mehr wegzudenken. Aber auf welche Kriterien bei der Auswahl der Führungen und Antriebe muss der Konstrukteur achten

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Hochpräsises Linearführungssystem für Linearachsen in Produktionsmaschinen, INA-Rollenumlaufeinheit RUE-E
Hochpräsises Linearführungssystem für Linearachsen in Produktionsmaschinen, INA-Rollenumlaufeinheit RUE-E
(Bild: Schaeffler Technologies)

Eine besonders große Bedeutung haben Linearmodule und Lineartische in der Fabrikautomation, der Elektronik- und Halbleiterfertigung, der Medizin- und Pharmaindustrie sowie der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie. Hierfür sind individuelle Lösungen zum Greifen, Heben, Drehen, Positionieren und Ablegen nötig. Nur selten lassen sich Komplettsysteme einsetzen, da jede Anwendung eine eigene Lösung verlangt.

Schon die Ägypter kannten um etwa 2000 v. Chr das Funktionsprinzip einer linearen Wälzführung, die sie zum Transport der tonnenschweren Steinblöcke für den Pyramidenbau einsetzten. Im zwanzigsten Jahrhundert entwickelten sich dann diverse mechanische lineare Führungssysteme. Bereits 1932 wurde ein Vorläufer der heutigen wälzgeführten Profilschienenführungen patentiert.

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Heute stehen dem Anwender zahlreiche Konstruktionen zur Verfügung, um lineare Achsen nicht nur mehr oder weniger präzise lagern bzw. führen, sondern auch dynamisch verfahren zu können.

Definition: Lineartechnik ist eine technische Teildisziplin der Antriebstechnik, sie befasst sich mit mechanischen Komponenten oder mechatronischen Systemen zur Ausführung translativer Bewegungen. Merkmal von Linearführungen und -antrieben ist ein Lauf mit geringer Reibung und das Vermögen, Querkräfte aufzunehmen, ohne dadurch verformt zu werden.

Linearmodule: Grundlagen zum Konstruieren

Mit einbaufertigen Linearmodulen und Lineartischen erhält der Anwender aufeinander abgestimmte Standardkomponenten, die ihm bei Neuanlagen oder beim Re-Design Zeit und Geld sparen können.

Auf welche Kriterien muss er aber bei der Auswahl der Führungen und Antriebe achten. Was für den Einsatz von Linearmodulen spricht:

  • komplette Lieferung, Mechanik und Elektrische Antriebstechnik aus einer Hand
  • Führung und Antrieb sind aufeinander abgestimmt
  • geringerer Konstruktions-, Montage- und Fertigungsaufwand
  • weniger Einzelteile
  • Gewichtsersparnis, da Bauteile optimiert sind
  • schnellere Nutzung der Anlage
  • Standardisierung spart Zeit und Geld

Grundsätzlich bestehen Linearmodul und Lineartische aus einer Linearführung, einem Trägerprofil (= Hauptkörper) und einem Antriebselement. Hinzu kommen dann Komponenten wie der Motor, Getriebe, Kupplung sowie Regler und Steuerung. Da zum größten Teil all dies vom Linearsystem-Hersteller (hier z.B. die Schaeffler Technologies AG & Co. KG) entwickelt und gefertigt wird, stellt das Unternehmen sein Know-how für eine objektive Planung des Komplettsystems zur Verfügung, fertigt es selbst und montiert es.

Genauigkeit für die Auswahl der Linearmodule definieren

Bei der Auswahl der richtigen Komponenten sind einige Grundlagen wichtig, um die optimale Anlage zusammenzustellen. Zunächst müssen die Ansprüche und Rahmenbedingungen wie z.B. an Steifigkeit und Genauigkeit festgelegt werden. Man unterscheidet zwischen

Wiederholgenauigkeit: Genauigkeit, mit der von Punkt A aus immer wieder Punkt B unter den gleichen Bedingungen angefahren wird

Positioniergenauigkeit: Genauigkeit, mit der von Punkt A aus verschiedene Punkte in unterschiedlicher Entfernung mit einer bestimmten Toleranz angefahren wird

Ablaufgenauigkeit: Genauigkeit der Bewegung auf dem Weg von Punkt A zu Punkt B.

Die Steifigkeit wird von der Bauart und der Anzahl der Führungen beeinflusst. Während sich Profilschienenführungen durch hohe Steifigkeit, Tragfähigkeit und Genauigkeit auszeichnen, sind mit Laufrollenführungen die höchsten Geschwindigkeiten (bis 10 m/s) bei bestem Geräuschverhalten möglich. Kugelbüchsenführungen dagegen sind unempfindlich gegenüber Schmutz und in geschlossener Bauform besonders robust. Sind eine höhere Momentensteifigkeit und höhere Traglast bei engem Einbauraum gefordert, dann bieten sich Linearmodule mit zwei parallelen Führungen an.

Neben der Führung muss auch der passende Antrieb ausgewählt werden. Hohe Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s lassen sich mit einem Zahnriemenantrieb realisieren. Ist eine hohe Wiederholgenauigkeit erforderlich, muss entweder ein Kugelgewindetrieb oder ein Linearmotor gewählt werden.

Der Kugelgewindetrieb weist zwar eine hohe Leistungsdichte auf, doch sind nur Geschwindigkeiten bis 1,6 m/s möglich. Für die Vorauswahl des geeigneten Linearmodules muss man folgende Parameter beachten:

  • Hublänge: Die Hublänge bestimmt maßgeblich die Gesamtlänge des Linearmoduls. Sie ist u.a. abhängig vom eingesetzten Antriebssystem.
  • Belastung: Die Belastung bestimmt zunächst, die Dimensionierung des Linearmoduls. Hier ist die Anwendungsbezogene statische Tragsicherheit von Bedeutung. Die statische Tragsicherheit der Linearführungen von Linearmodulen darf nicht vollständig genutzt werden, es ist immer eine Mindesttragsicherheit S0 zu beachten.
  • Durchbiegung: Ist das Linearmodul freitragend verbaut, ist die maximal zulässige Durchbiegung zu beachten. Wird sie überschritten, muss das System unterstützt werden.
  • Umgebungsbedingungen: Werden die Linearmodule in staubiger und schmutziger Umgebung eingesetzt, lassen sich Systeme mit Laufrollenführen oder zusätzliche Abdeckungen einsetzen. An warmen Einsatzorten kann es temperaturbedingte Einschränkungen geben, das ist zu beachten.
  • Zykluszeiten und Geschwindigkeiten: Die geforderte Zykluszeit bestimmt die erforderliche Geschwindigkeit. Daraus lässt sich die erforderliche Führungs- und Antriebsvariante auswählen.
  • Wiederhol- und Positioniergenauigkeit: Ist eine hohe Wiederhol- und Positioniergenauigkeit gefordert, sind Antriebe mit hoher axialer Steifigkeit nötig.

Allgemeine Konstruktionshinweise für Linearmodule

Um bereits im Vorfeld mögliche Probleme im Betrieb zu vermeiden, sollten Hinweise bei der Konstruktion mit Linearsystemen berücksichtigt werden.

  • Das maximale Drehmoment und die maximale Drehzahl des Motors dürfen die Grenzwerte des Linearmodule und der Komponenten nicht überschreiten.
  • Die Hinweise in den Anleitungen für Montage, Inbetriebnahme und Wartung müssen beachtet werden.
  • Werden Linearmodule mit Kugelgewindetriebe vertikal betrieben, muss das Festlager der Spindel oben angeordnet sein, um die Knickgefahr der Spindel zu vermeiden
  • Vertikal eingebaute Linearmodule benötigen eine Bremsvorrichtung oder Ausgleichsgewichte. Dies vermeidet einen Absturz, wenn der Motor keine integrierte Bremse hat.
  • Linearsmodule mit Linearmotor sollten bevorzugt in horizontaler Einbaulage eingesetzt werden.
  • Hochgenaue Linearmodule können ihre geforderte Genauigkeit nur erreichen, wenn ebenso das Fundament dieser Genauigkeit entsprechen.

Begriffserklärungen zur Lineartechnik

  • Nominelle Lebensdauer: die mit 90 Prozent Wahrscheinlichkeit erreichbare rechnerische Lebensdauer für ein Wälzlager oder einer Gruppe von gleichen bzw. unter gleichen Bedingungen laufenden Wälzlagern
  • Dynamische Tragzahl: Belastung, bei der eine ausreichend große Menge gleicher Lager die nominelle Lebensdauer erreicht.
  • Statische Tragzahl: statische Belastung die eine bleibende Gesamtverformung von Wälzkörper und Laufbahn erzeugt.
  • Dynamische Tragmomente: Vergleichsmoment, das eine Belastung hervorruft, die der dynamischen Tragzahl entspricht
  • Positioniergenauigkeit: Genauigkeit, mit der von Punkt A aus verschiedene Punkte in unterschiedlicher Entfernung mit einer bestimmten Toleranz angefahren wird.
  • Wiederholgenauigkeit: Genauigkeit, mit der von Punkt A aus immer wieder Punkt B unter den gleichen Bedingungen angefahren wird

Schaeffler überarbeitet Standardwerk

Auf annähernd 640 Seiten behandelt das Schaeffler Technische Taschenbuch STT neben Mathematik, Physik und Technischer Statistik auch die Fachbereiche Mechanik und Akustik, Hydraulik und Pneumatik, sowie Konstruktionswerkstoffe und -elemente. Neu ist der Themenblock Mechatronik, der erstmals aufgenommen wurde.

Mit seiner kompakten Darstellungsweise erläutert das STT selbst komplizierte Sachverhalte prägnant und schließt so die Lücke zwischen ausführlichem Lehrbuch und reinem Tabellenwerk.

Ein mobiles Nachschlagewerk für unterwegs bietet Schaeffler darüber hinaus mit der App zum Technischen Taschenbuch. Sie bietet zusätzlich zu den Inhalten der Druckversion nützliche Features wie Such- und Lesezeichenfunktion und Informationen zum Unternehmen. Eine Sharing-Funktion ermöglicht die gezielte Verbreitung ausgewählter Passagen über E-Mail, Facebook, Twitter und Google+.

Berechnungssoftware für INA-Linearmodule und Mehrachs-Positionier-Einheiten

Ein großer Schwerpunkt in der Konstruktionsberatung liegt in der Wälzlagerauslegung. Mit optimal ausgelegten Produkten möchte die Schaeffler Group Technologies einen Wettbewerbsvorsprung verschaffen. Dafür setzen man schon seit Jahren erfolgreich Berechnungsprogramme ein.

Dipl.-Ing. Dietmar Rudy, Leiter Zentrale Technik Geschäftsbereich Lineartechnik: „Mit Bearnix haben wir eines der führenden Programme zur Berechnung von Wälzlagern und Linearführungssystemen geschaffen. Damit wird die detaillierte Analyse von Wälzlagerungen möglich – vom einzelnen Lager über umfangreiche Wellensysteme bis hin zu komplexen Getrieben. Die gesamte Berechnung erfolgt dabei in einem durchgängigen Berechnungsmodell. Auch bei umfangreichen Getrieben geht die Kontaktpressung an jedem einzelnen Wälzkörper in die Berechnungen ein.

Kostenlos im Internet verfügbar bietet INA-Lineartechnik seinen Kunden ein neues Online-Berechnungstool für Angetriebene Lineareinheiten und Mehrachs-Positionier-Systeme. „Bearinx-online Easy Linearsystem“ errechnet die nominelle Lebensdauer und statische Tragsicherheit von Ein- und Mehrachs-Positioniersystemen mit angetriebenen INA-Linearmodulen.

Lineartechnik, geht prinzipiell immer geradeaus

Dipl.-Ing. Dietmar Rudy, Leiter Zentrale Technik Geschäftsbereich Lineartechnik: „Es wird immer wichtiger, die Gegensätze zwischen dem ökologischen Umgang mit Schmierstoffen, der Wirtschaftlichkeit und den ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich Maschinenverfügbarkeit und Zuverlässigkeit zu vereinen. Diese Anforderung hat die INA-Lineartechnik bei der Weiterentwicklung ihrer Linearführungssysteme konsequent in neue Lösungen umgesetzt.“

Moderne Lineartechnik positioniert heute Bauteile, führt Präzsisonswerkzeuge, bestückt Paletten, fördert Pakete, verfährt Schwerlast-Komponenten, handhabt Greifer, öffnet Tore, montiert Baugruppen und, und, und... Über die spannende Frage, wie all das nun am besten zu bewerkstelligen sei, brüten weltweit die klugen Köpfe. Wie die Verfahrgeschwindigkeit steigern? Wie die Tragfähigkeit weiter erhöhen? Wie die Präzision verbessern? Fragen dieser Art sind allerdings seit jeher die Brot-und-Butter-Basics der Produktentwickler.

Wer dieses Marktsegment längere Zeit beobachtet, erkennt, dass die Lineartechnik am Puls der Zeit ist. Augenfällig wird dieses etwa am Beispiel von Miniaturisierung und Energieeffizienz: Wo nämlich winzige Baugruppen zu montieren sind, müssen auch die Linearsysteme schlanker, kleiner (und präziser) ausfallen. Und wenn die produzierenden Betriebe gezwungen sind, ihre Energiekosten zu senken, dann muss auch die Lineartechnik leichter und sparsamer sein.

Würden wir sämtliche Ergebnisse der Marktschau in einen Shaker gießen, schütteln und ausgießen, so erhielten wir ein blendend klares Bild des idealtypischen Linearsystems von heute: Eine preisgünstige, völlig wartungsfreie, anpassungsfähige aber einbaufertige Komplettlösung, die geradezu perfekt auf den konkreten Anwendungsfall abgestimmt ist und die für nahezu unbegrenzte Betriebsdauer selbst bei höchster Belastung sowohl schnell als auch hochgenau und – selbstverständlich – energieeffizient arbeitet. Als hätten wir es nicht vorher gewusst … :-).

Solch eine universelle All-Inclusive-Sorglos-Lösung gibt es freilich nicht. Dazu ist das Einsatzgebiet für Linearsysteme viel zu groß, zu heterogen und auch zu dynamisch.

Ein Mega-Trend, den derzeit viele Hersteller als zielführend ansehen, ist die Forderung nach höherer Energieeffizienz. Hier dürfen die Anwender in Zukunft mit allerlei Entwicklungen rechnen. Denn einige Entwickler denken in diesem Zusammenhang nicht nur an den Einsatz sparsamer(er) Elektromotoren, sondern auch an sehr reibungsarme Konstruktionen – wobei auch neue Erkenntnisse aus der Oberflächentechnik eine Rolle spielen. Aus dem gleichen Grund werden wir zukünftig auch immer mehr Leichtbau-Lösungen begegnen, die unter Verwendung gewichtssparender Werkstoffe entstehen.

So fertigt man Lineartechnik in Frankreich

Die INA Lineartechnik in Homburg unterhält bereits seit 1965 ein Fertigungswerk im elsässischen Haguenau. Ein nicht unbedeutende Anzahl der Produkte und Komponenten werden in dortiger Produktion hergestellt. Das Equipment und das Qualitätsmanagement sind entsprechend, wovon ich mich überzeugen konnte. Fotografieren allerdings war nicht gestattet. Verständlich. Kein Technologieführer lässt sich gern in die Karten schauen.

Die ersten Produkte, die in Haguenau gefertigt wurden, waren Rollenumlaufschuhe der PR-Baureihe. Diese Funktionselemente für Linearbewegungen zeichneten sich durch Robustheit hohe Tragzahlen und Steifigkeit auf kleinstem Bauraum aus, was sie speziell für Anwendungen im Werkzeugmaschinenbau prädestinierte. Entsprechend riesig war der Bedarf. Und sie werden auch heute in Haguenau noch gefertigt.

Aufgrund der Fertigungskapazitäten und -erfahrungen in Haguenau lief dort 1975 die Produktion von Kugelumlaufschuhen LKE an. Sie fanden unter anderem dort Anwendung, wo weniger große Lasten linear verfahren werden mußten und es dennoch auf hohe Tragzahlen und Steifigkeit ankam. Übrigens: Ein Produkt aus der LKE-Reihe mit einer eigens entwickelten Kugel-Käfigführung fand ab 1979 Anwendung in Handhabungseinheiten bei VW.

„Als in den Folgejahren immer mehr Neu- und Weiterentwicklungen in die Produktion übergeleitet wurden“, erinnert sich Werksleiter Michel Imhoff, „waren unsere Fertigungskapazitäten bald ausgereizt. Wir mußten expandieren und deshalb ist 1989 ein neues Werk in Haguenau gebaut worden, das bereits ein Jahr später seinen Betrieb aufgenommen hat. Verwirklicht haben wir hier ein durchgängiges Logistik-Konzept, das bereits vom Wareneingang an dem Fertigungsablauf Rechnung trägt und die Bewegungen von Halbzeugen sowie von Halb- und Fertigprodukten auf ein Mindestmaß reduziert.“

So erfolgt die Qualitätskontrolle der Profile, aus denen Führungsschienen und Führungswagen werden, bereits am Wareneingang. „So stellen wir sicher“, begründet Imhoff, „daß nur Halbzeuge eingelagert werden, die unseren Qualitätskriterien hinsichtlich Materialgüte und der Einhaltung definierter Toleranzgrenzen entsprechen.“

40 verschiedene Typen von Linearführungen werden in Haguenau gefertigt. Vielfältige Kombinationsmöglichkeiten und ein umfangreiches Zubehör generieren so eine für Außenstehende kaum noch zu beziffernde Produktpalette. Fertig montiert und konfektioniert werden die Linearführungen jedoch auftragsspezifisch, also nach Kundenwunsch.

Zu den zwischengeschalteten Qualitätskontrollen sagt Michel Imhoff: „Die Toleranzen der Führungswagen und Führungschienen sind im Mikrometerbereich. Die Einhaltung derart enger Toleranzen ist zum Beispiel wichtig beim Ausspritzen der Laufwagen mit Kunststoff. Die Wälzkörper sollen ja schließlich optimal geführt und umgelenkt werden. Nur so können wir die zugesagten Eigenschaften wie Laufruhe, Lebensdauer und so weiter garantieren. Deshalb garantieren auch in der Montage, wo die Führungswagen montiert und mit den Wälzkörpern befüllt werden, sowohl die Technik als auch qualitätssichernde Maßnahmen höchste Präzision.“

Eine der aktuellsten Neuerung wird ebenfalls in Haguenau gefertigt: die Rollenumlaufeinheit RUE-100-E-L. Sie eignet sich mit einer Tragfähigkeit von 149 Tonnen (statisch) und 63 Tonnen (dynamisch) besonders für den Einsatz in groß dimensionierten und leistungsstarken Werkzeugmaschinen, in Pressen und ähnlichen Produktions- oder Bearbeitungssystemen. Das vollrollige Laufsystem garantiert eine sehr hohe Stabilität und Steifigkeit.

* Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier, Co-Publisher konstruktionspraxis

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