Für die meisten linearen Bewegungsanwendungen eignen sich herkömmliche Systeme mit Riemen- oder Spindelantrieb gut. Bei längeren linearen Distanzen können jedoch Probleme auftreten.

Riemengetriebene Systeme bieten sich an, wenn lange lineare Bewegungen erforderlich sind. Diese relativ einfachen Systeme nutzen Riemenscheibenantriebe, um Spannung entlang des Riemens zu erzeugen, und können schnell auf hohe Geschwindigkeiten gebracht werden. Bei längeren Hüben können jedoch Probleme mit durchhängenden Riemen auftreten. Die Spannung kann nicht über die gesamte Länge des Systems aufrechterhalten werden.

Die Gummi- oder Kunststoffbänder selbst sind im System naturgemäß sehr nachgiebig. Diese Flexibilität über die gesamte Länge des Systems kann Vibrationen oder Federn verursachen, die einen Peitscheneffekt auf den Schlitten erzeugen. Wenn ein bestimmter Prozess dies nicht bewältigen kann, ist ein spindelgetriebenes System möglicherweise die bessere Option. Spindelgetriebene Systeme verfügen über ein festes mechanisches Element, das jederzeit die vollständige Kontrolle des Schlittens mit exaktem Anhalten und Positionieren gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil von spindelgetriebenen Systemen ist die Sicherheit. Riemengetriebene Systeme sind weniger sicher, da die Gefahr eines Riemenbruchs besteht. Ein solcher Fehler wäre unkontrolliert und bei vertikalen Anwendungen könnte die Last herabfallen und Maschinen oder sogar Personal beschädigen. Bei spindelgetriebenen Systemen tritt dieses Problem nicht auf. Selbst bei einem Ausfall würde ein spindelgetriebenes System den Fall der Last stoppen und die Sicherheit gewährleisten.

Das Problem bei spindelgetriebenen Systemen bestand in der Vergangenheit darin, dass sich größere Hublängen nur schwer erreichen ließen. Spindelgetriebene Systeme sind üblicherweise in Längen von bis zu 6 Metern erhältlich. Sie werden durch Lagerblockpaare gestützt, die die Spindel stützen und ein Peitschen bei höheren Drehzahlen verhindern. Auch bei niedrigeren Drehzahlen benötigen längere Spindeln eine Stütze gegen Verbiegungen durch ihr Eigengewicht. Dieses Lagerblock-Stützsystem besteht traditionell aus Blockpaaren, die durch eine Stange oder einen Draht verbunden sind. Die Paare bewegen sich gemeinsam entlang des linearen Bewegungssystems.

Wenn ein System einen längeren Hub benötigt, können weitere Lagerblockpaare hinzugefügt werden, um die Spindel in regelmäßigen Abständen entlang ihrer Länge zu stützen. Bis zu drei oder sogar vier zusammenarbeitende Paare können praktisch sein, aber darüber hinaus wird die Verbindung der Stangen oder Drähte zwischen den Blöcken schwierig.

Längere Striche

Die erste Herausforderung bei der Erzielung eines längeren Hubs besteht darin, ein System zu schaffen, das mehr Auflagepunkte für die längere Spindel bietet. Eine Lösung besteht darin, auf das verbundene System der Blöcke zu verzichten und stattdessen ein System zu verwenden, bei dem die Blöcke ineinander klappen und sich bei Bedarf wieder trennen können. Sobald die Blöcke ihre Sollposition erreicht haben, bleiben sie dort, um die Spindel zu führen und zu stützen. In einem solchen System lassen sich mit Lagerblockpaaren 10, 12 oder sogar 13 Auflagepunkte realisieren. Dieses Auflagesystem für die Kugelumlaufspindel oder Leitspindel ermöglicht lange Verfahrwege ohne Verbiegung oder Schwingung.

Um eine Länge von über 6 Metern zu erreichen, besteht die nächste Herausforderung darin, eine längere Schraube zu entwickeln. Aufgrund der begrenzten Rohstoffverfügbarkeit werden Schrauben jedoch normalerweise nur mit einer Länge von bis zu 6 Metern hergestellt. Wie lässt sich also eine Hublänge von mehr als 10 Metern erreichen? Die Lösung liegt in der Verbindung zweier Schrauben und dem Einsatz präziser Fertigungstechniken.

Leitspindeln und Kugelumlaufspindeln werden auf einer Walzstraße hergestellt, und jedes Teil kann eine leicht unterschiedliche Steigungsabweichung aufweisen. Um zwei Teile miteinander zu verbinden, müssen daher Unterschiede in der Steigungsabweichung überwunden werden. Für eine erfolgreiche Verbindung zweier Spindeln müssen hochpräzise Kugelumlaufspindeln mit möglichst geringer Abweichung verwendet werden. Die Kugelumlaufspindeln müssen präzise bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass keine Wärme in das Teil eindringt und den Durchmesser oder die Steigungsgeometrie verändert. Selbst eine Abweichung von nur 0,01 oder 0,001 Millimetern kann zu Problemen für das fertige System führen.

Nach der Bearbeitung werden die Schrauben mit einem Gewindebohrer und einem Loch mit minimaler Abweichung zwischen den beiden Gewindegängen zusammengefügt. Abschließend werden sie mit hochfestem Klebstoff befestigt. (Das Zusammenschweißen der Schrauben würde die Geometrie erneut verändern und Probleme verursachen.)

Spindelgetriebene Systeme mit zusammenklappbaren Stützblöcken und präzisionsgefertigten Spindeln können Längen von 10,8 Metern oder mehr erreichen. Ein System mit einer Hublänge von 2 bis 3 Metern hätte eine maximale Drehzahl von etwa 4.000 U/min. Normalerweise müsste bei einem längeren System die Drehzahl deutlich reduziert werden, um ein Peitschen zu vermeiden. Mit zusätzlichen Stützen kann ein bis zu 10 Meter langes Spindelsystem jedoch mit 4.000 U/min laufen.

Langstreckenanwendungen

Spindelgetriebene Systeme mit großen Hublängen werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, um eine präzise lineare Positionierung zu gewährleisten. Ein gutes Beispiel ist ein automatisiertes Schweißsystem für Metallrohre und -schläuche. Dabei ist die präzise Positionierung einer Schweißdüse über lange Verfahrwege hinweg erforderlich. Beim Schweißen hochwertiger Materialien wie Titan wird der Vorgang im Vakuum durchgeführt, um eine Oxidation des Metalls zu vermeiden.

Viele Anwendungen in der Automobilindustrie erfordern lange Verfahrwege. Beispielsweise werden Sechs-Achs-Roboter häufig für Schweiß- oder Maschinenbedienvorgänge an Linearantrieben mit großem Hub montiert. Obwohl die Geschwindigkeit für den Transport von Roboterarmen kein kritischer Faktor ist, sind große Längen und eine sehr genaue Positionierung erforderlich.

Die Herstellung optischer Kabel ist ein Hochgeschwindigkeits-Dauerprozess, der nicht gestoppt werden kann, ohne die Qualität der produzierten Fasern zu gefährden. Die Kabel werden auf große Spulen gespult. Ist eine Spule voll, muss sie schnell ausgetauscht werden, um Produktverluste zu minimieren. Präzision und Geschwindigkeit sind für die Prozesseffizienz entscheidend. Systeme mit langen Spindeln bieten beides in dieser Anwendung und sind zudem in der Lage, die hohe Belastung der Spulen zu bewältigen.

Alle Anwendungen, bei denen schweres Gerät vertikal bewegt werden muss, profitieren von der Steifigkeit und Ausfallsicherheit einer Linearspindel. In der Flugzeugindustrie beispielsweise werden hochpräzise Kameras auf und ab bewegt. Spindeln tragen das hohe Gewicht sicher und präzise. Spezielle Kugelführungssysteme mit großen Kugeln nehmen dabei das dynamische Lastmoment auf.

Verbesserungen an bestehenden Systemen

Bei vielen Linearbewegungsanwendungen mit großer Länge ist die Kugelumlaufspindel vollständig offen. Bei solchen Systemen treten häufig zwei Probleme auf: Entweder kann das System nicht mit der gewünschten Geschwindigkeit betrieben werden, oder die Wartung des Systems ist schwierig, da die offene Spindel Staub und Schmutz anzieht und daher regelmäßig gereinigt werden muss, um einen vorzeitigen Ausfall der Kugelmutter zu vermeiden.

In solchen Anwendungen ermöglicht die zusätzliche Unterstützung durch die gestapelte Lagerblockkonfiguration einen deutlich höheren Schneckenbetrieb. Reinigungs- und Zuverlässigkeitsprobleme lassen sich durch ein abgedecktes, abgedichtetes System lösen, das die Schnecke schützt und den Wartungsaufwand deutlich reduziert. Die geschlossene Schnecke ist vor dem Eindringen von Staub und Schmutz geschützt und kann auch ohne regelmäßige Reinigung optimale Leistung und Zuverlässigkeit aufrechterhalten.

Bei einem solchen System kann der Schlitten mit gebohrten Kanälen ausgestattet und mit einem Schmiernippel verbunden werden. Dies ermöglicht die Schmierung von einer einzigen Stelle aus, ohne dass das Gehäuse geöffnet werden muss. Da die Einheit nie geöffnet werden muss, können begrenzte Mengen Staub oder Wasser in das System eindringen. Es ist selbst in den schmutzigsten Umgebungen geschützt.