Lineartechnik Linearsysteme Teil 1: Grundlagen zum Konstruieren

Autor / Redakteur: Stefanie Michel * / Stefanie Michel

Mit den einbaufertigen Linearsystemen erhält der Anwender aufeinander abgestimmte Standardkomponenten, die ihm bei Neuanlagen oder beim Re-Design Zeit und Geld sparen können. Auf welche Kriterien bei der Auswahl der Führungen und Antriebe zu achten ist, zeigt dieser erste Beitrag einer zweiteiligen Serie zu Linearsystemen.

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Präzision auf kleinstem Raum: Das Linearsystem PSK in Baugröße 40 gehört zu den Präzisionsmodulen für hochgenaue Anwendungen bei geringem Bauraum. Bilder: Bosch Rexroth
Präzision auf kleinstem Raum: Das Linearsystem PSK in Baugröße 40 gehört zu den Präzisionsmodulen für hochgenaue Anwendungen bei geringem Bauraum. Bilder: Bosch Rexroth
( Archiv: Vogel Business Media )

Vor allem im Maschinenbau und der Automation werden Massen mit einer definierten Präzision und Geschwindigkeit linear bewegt. Die dafür nötigen Komponenten - von den Führungen über die Antriebe bis hin zu den Steuerungen - bietet Rexroth seinen Kunden aus einer Hand an. Um den Anwendern zudem die Konstruktion und Montage zu erleichtern, stehen einbaufertige Einheiten aus Führung und Antrieb zur Verfügung: die Linearsysteme. Diese Komplettsysteme setzen sich aus weniger Sonderteilen zusammen, sind deshalb leichter und schneller aufgebaut.

Grundsätzlich bestehen Linearsysteme aus einer Führung, einem Antriebselement und dem Trägerprofil (= Hauptkörper). Hinzu kommen dann der Motor sowie Regler und Steuerung. Da zum größten Teil all dies von Rexroth entwickelt und gefertigt wird, stellt das Unternehmen sein Know-how für eine objektive Planung des Komplettsystems zur Verfügung, fertigt es selbst und montiert es schließlich beim Kunden.

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Das eigentliche Führungselement ist mit dem Hauptkörper – meist einem eloxierten Aluminiumprofil – verbunden. Hier baut der Führungswagen auf (Bild 1). Das darüber liegende Tischteil ist mit dem Antriebselement des Linearsystems verbunden, so dass es mit dem darauf befestigten Kundenaufbau in Bewegung gesetzt werden kann.

Genauigkeit für die Auswahl der Linearsysteme definieren

Bei der Auswahl der richtigen Komponenten sind für den Anwender jedoch einige Grundlagen wichtig, um die optimale Anlage zusammenstellen zu können. Zunächst müssen die Ansprüche 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.

Für das geeignete Linearsystem ist nun die der Anforderung entsprechende Führung zu wählen. Rexroth hat hierfür Kugelschienen-, Kugelbüchsen- und Laufrollenführungen zur Auswahl.

Während sich Kugelschienenführungen 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 lassen sich Linearmodule mit zwei Führungen einsetzen, wie beispielsweise die Compact-Module von Rexroth. Sie werden dann häufig verwendet, wenn der Schwerpunkt des Aufbaus stark außerhalb einer Führung liegt.

Passenden Antrieb für die Anwendung finden

Neben der Führung muss zusätzlich der passende Antrieb ausgewählt werden. Manchmal, beispielsweise in der Montage, ist zwar kein Antrieb nötig, doch durch sein breites Produktspektrum kann Rexroth seinen Kunden eine ganze Reihe von Antriebsvarianten zur Auswahl stellen.

Hohe Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s lassen sich mit einem Zahnriemenantrieb realisieren. Ist jedoch 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. Er eignet sich besonders für Zustellaufgaben, die eine hohe Genauigkeit erfordern.

Der teurere Linearmotor ist, was die Leistungsdichte betrifft, im Vergleich zum Kugelgewindetrieb im Nachteil, doch punktet er bei anderen Eigenschaften: So sind Verfahrgeschwindigkeiten bis 8 m/s möglich und er zeigt eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Außerdem ist er wartungsfrei, leise und besitzt wenige Verschleißteile. Allerdings verzeiht der Linearmotor keine Fehler bei der Auslegung: wird er zu hoch belastet, schaltet er ab, um nicht zu überhitzen.

Mit dem Zahnstangenantrieb sind lange Verfahrwege bei Geschwindigkeiten bis 5 m/s realisierbar. Über eine seitlich am Hauptkörper befestigte Zahnstange und die am Tisch befestigten Ritzel, Schneckengetriebe und Motor lassen sich mehrere Tischteile unabhängig voneinander verfahren.

Für die Vorauswahl des geeigneten Linearsystems sind verschiedene Parameter zu beachten

Für die Vorauswahl des geeigneten Linearsystems muss der Kunde schließlich folgende Parameter beachten:

  • Hublänge: Die Hublänge bestimmt die Länge des Linearsystems. Sie ist abhängig vom eingesetzten Antriebssystem; beispielsweise sind Zahnriemen im Gegensatz zu Kugelgewindetrieben für große Längen geeignet.
  • Belastung: Die Belastung bestimmt zunächst, ob ein Linearsystem mit einer oder mit zwei Schienenführungen gewählt werden muss. Sinnvoll ist eine Belastung bis 20 Prozent der dynamischen Kennwerte (C, Mt, ML) ohne dabei das zulässige Antriebsmoment, die zulässige Höchstgeschwindigkeit, sowie die maximal zulässigen Kräfte, Momente und Durchbiegung zu überschreiten.
  • Durchbiegung: Ist das Linearsystem freitragend verbaut, ist die maximal zulässige Durchbiegung zu beachten. Wird sie überschritten, muss das System unterstützt werden. Bei hohen Genauigkeiten oder hohen Anforderungen an die Systemdynamik ist oft eine mehrfache Unterstützung notwendig.
  • Umgebungsbedingungen: Werden die Linearsysteme in staubiger und schmutziger Umgebung eingesetzt, lassen sich Systeme mit Laufrollenführen oder zusätzliche Abdeckungen einsetzen. An Abdeckungsvarianten stehen Bandabdeckungen aus Stahl oder Kunststoff, Faltenbalg oder Spaltdichtung zur Verfügung. In warmen Einsatzorten der Linearsysteme kann es temperaturbedingte Einschränkungen geben: ab 50 °C sind beispielsweise keine Servomotoren mehr zugelassen und ab 60 °C kann es zu Problemen mit manchen Kunststoffen kommen.
  • Zykluszeiten und Geschwindigkeiten: Die geforderte Zykluszeit bestimmt die erforderliche Geschwindigkeit. Daraus lässt sich die erforderliche Führungs- und Antriebsvariante auswählen. So eignen sich für hohe Geschwindigkeiten beispielsweise Linearsysteme mit Laufrollenführung und Zahnriementrieb.
  • Wiederhol- und Positioniergenauigkeit: Ist eine hohe Wiederhol- und Positioniergenauigkeit gefordert, sind Antriebe mit hoher axialer Steifigkeit nötig. Hier eignen sich Kugelgewindetriebe oder Linearmotoren.
  • Steifigkeit: Die Führung, der Hauptkörper und die Unterkonstruktion bestimmen die radiale Steifigkeit (senkrecht zur Verfahrrichtung). Für die achsiale Steifigkeit (in Verfahrrichtung) ist der Antrieb von Bedeutung.

Im zweiten Teil des Beitrags erfahren Sie mehr zur Konstruktion mit Linearsystem sowie zum Zusammenstellen von Mehrachssystemen.

* Stefanie Michel ist Redakteurin der konstruktionspraxis

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