Was ist Lineartechnik? Linearführungen & Linearantriebe erklärt

Willkommen in der Welt der Lineartechnik: Lernen Sie das Grundprinzip und die wichtigsten Komponenten kennen.

In Ihren Produktionsprozessen benötigen Sie schnelle und präzise Bewegungen entlang einer Achse? Zusätzlich geht es um hohe Positioniergenauigkeit oder das Verschieben großer Lasten? Dann ist Lineartechnik die perfekte Lösung. Dabei ist sie langlebig und zuverlässig. Der Aufwand für die Implementierung ist gering. Eine Lineareinheit bewegt entweder das zu bearbeitende Werkstück oder das Werkzeug von A nach B. Mit „Werkzeug“ kann auch ein Roboter gemeint sein. Je nach Produktionsprozess kann Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung ebenfalls wichtig sein. Mit dem item Linearsystem sind Sie bei dieser Form der Automatisierung besonders flexibel. Dafür sorgen ein Baukasten mit großer Komponentenauswahl, einbaufertige Lineareinheiten sowie kostenfreie Software für Auslegung und Inbetriebnahme. Doch zunächst zur grundsätzlichen Frage: Was ist Lineartechnik genau?

Was ist Lineartechnik? Von Linearführung bis Steuerung

Die Lineartechnik ist eine Teildisziplin der Antriebstechnik. Es heißt „Lineartechnik“, weil hier die Bewegung entlang einer Achse verläuft. Eine Lineareinheit bewegt den Schlitten (also den Träger für das Werkstück oder die Anwendung) in einer Richtung vor – und in den meisten Fällen auch zurück. Synchronwellen gewährleisten, dass zwei oder mehr Lineareinheiten parallel arbeiten. Denn Lineareinheiten lassen sich auch kombinieren. Dadurch wird eine Positionierung in zwei oder drei Dimensionen möglich: In den Musterlösungen zu unserem Linearsystem finden Sie unter anderem ein 2D-Flächenportal und ein 3D-Raumportal. Wie Sie sehen, können Sie durch Lineartechnik auch komplexe Abläufe mit vergleichsweise geringem Aufwand umsetzen.

Eine angetriebene Lineareinheit besteht aus folgenden Komponenten:

• Linearführung → Kombination aus einer Führungsschiene und einem Schlitten, der sich auf dieser Schiene bewegt; für den Schlitten ist ausschließlich eine präzise lineare Bewegung entlang der Schiene möglich.
• Antriebselement / Linearantrieb → ermöglicht die mechanische Bewegung des Schlittens, etwa in Form in Form eines Zahnriemens, Spindeltriebes, Kettentriebes oder einer Zahnstange
• Linearmotor → verrichtet die mechanische Arbeit, indem z. B. elektrische Energie in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt wird. Das Getriebe sorgt mit wählbaren Übersetzungsstufen dafür, dass diese in der passenden Drehzahl und im passenden Drehmoment verfügbar ist. Die Kupplung verbindet die Antriebseinheit mit der Lineareinheit.
• Steuerung → nicht nur verantwortlich dafür, dass der Motor die Bewegungsenergie liefert; der Motor muss, passend zur Bewegungsaufgabe, auch zum richtigen Zeitpunkt eine bestimmte Anzahl an Umdrehungen in die richtige Richtung machen.

Linearführungen im Überblick

Die Linearführung ist die grundlegende Komponente einer Lineareinheit. Sie gibt die Bewegungsrichtung (= lineare Bahn) vor. Dies ist vergleichbar mit einem Zug, der über Schienen fährt. Es gibt folgende Typen von Linearführungen:

Rollenführungen

Rollenführungen setzen auf Laufrollen, die auf Schienen (item Wellen) laufen. Wellen sind in der Regel runde oder halbrunde Stangen, die entlang eines Trägerprofils montiert werden. Bei Laufrollen handelt es sich um speziell profilierte Lager. Ihr Profil ist so gestaltet, dass sie die Wellen exakt umschließen. Zudem ist eine spielfreie Fahrt möglich, ohne dass die Laufrollen aus ihrer Führung springen können. Verschiedene Durchmesser, das Material von Wellen und Rollen sowie die jeweilige Anzahl und Anordnung der Rollen machen es möglich: Eine Rollenführung lässt sich an eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben anpassen.

Kugelumlaufführungen

Kugelumlaufführungen sind Wälzlagerführungen, die entlang von Wellen oder profilierten Schienen laufen. Darin sind sie Rollenführungen ähnlich. Doch die Anordnung der Wälzkörper ist die Besonderheit. Die Walzkörper laufen entlang einer Linie und werden am Ende entlang einer zweiten Bahn wieder zurückgeführt. Durch das Funktionsprinzip der Mehrfachpunktberührung entlang einer Linie gibt es zwei Vorteile: Es entsteht nur geringe Reibung und die Kräfte, die auf die Walzkörper wirken, werden gut verteilt. Zudem können Kugelumlaufführungen auf kleinem Raum schwere Lasten aufnehmen.

Gleitschlittenführungen

Gleitschlittenführungen gleiten mit verschleißarmer Gleitreibung direkt über eine Oberfläche. Ein profilierter Gleitschuh gleitet bei dieser Führungsart entlang einer ebenfalls profilierten Schiene. Damit stellt er sicher, dass der Schlitten seine Bahn nicht verlassen kann. Gleitschlittenführungen bieten sich für Anwendungen mit folgenden Eigenschaften an: Es werden keine hohen Anforderungen an die Spielfreiheit gestellt. Zusätzlich ist ein möglichst kosteneffizienter Betrieb gefragt.

Kugelhülsenführungen

Kugelhülsenführungen basieren auf freitragenden Führungswellen. Auf einer Welle lassen sich mehrere Kugelhülseneinheiten einsetzen. Das ermöglicht die Konstruktion von großen Schlitten und individuellen Lösungen, die mit wenig Aufwand in Profilrahmen integriert werden können. Die Wellen sind in verschiedenen Durchmessern verfügbar.

C-Schienensystem

Bei einem C-Schienensystem bewegt sich, ähnlich wie bei Schubladenschienen, das C-förmige Trägerprofil durch Rollen auf Führungswellen. In der Praxis werden C-Schienensysteme meist in Hub- und Schiebetürmen sowie in verfahrbaren Schutzeinrichtungen verbaut. Hier sehen Sie ein C-Schienensystem in Aktion:

item Linearsystem: Automatisierung linear gedacht

Beim item Linearsystem haben Sie die freie Wahl: Nutzen Sie den Lineartechnik-Baukasten, um individuelle Linearachsen zu realisieren. Dabei profitieren Sie von einer umfangreichen Auswahl und der Flexibilität unseres modularen Prinzips. Oder greifen Sie auf unsere einbaufertigen Lineareinheiten zurück. Diese Modelle sind hinsichtlich Geschwindigkeit, Nutzlast, Präzision und Hublänge optimiert. Mit Software für Auslegung und Inbetriebnahme sparen Sie zusätzlich Zeit. Setzen Sie das item Linearsystem für unterschiedlichste Anwendungsfälle ein. Das Spektrum reicht von Einzel- und Synchronachsen bis zu 2-Achs- und 3-Achsportalen. Wählen Sie bei den Antriebsarten zwischen Zahnriementrieb, Zahnstangentrieb, Kugelgewindetrieb und Kettentrieb (dazu gleich mehr). Unsere Auswahl an Linearführungen umfasst Laufrollen-, Kreuzrollen-, Gleitschlitten-, Kugelumlauf- und Kugelhülsenführungen sowie C-Schienensysteme mit Rollenführung.

Für Zitatbox: „Dank eines nahtlosen Zusammenspiels von Hard- und Software nehmen Sie Ihre Lineareinheit innerhalb von wenigen Minuten in Betrieb.“

Der item MotionDesigner® macht die Auslegung Ihrer Lineareinheit besonders einfach. Er ist nämlich sowohl Konfigurator als auch Berechnungstool. Aus Tausenden von Möglichkeiten findet das Tool die optimale Kombination der passenden Produkte: Lineareinheit, Getriebe, Motor, Steuerung und Zubehör. Im Anschluss kümmert sich item MotionSoft® um die Inbetriebnahme. Dabei greift die Software auf die Daten zurück, die bei der Auslegung generiert wurden. Schritt für Schritt werden Sie in einem gelenkten Prozess durch die Inbetriebnahme geführt. Das komplette System erfährt dabei eine Prüfung durch item MotionSoft®. Auch die Ermittlung der idealen Parametereinstellungen erfolgt automatisch. Dank eines nahtlosen Zusammenspiels von Hard- und Software nehmen Sie Ihre Lineareinheit innerhalb von wenigen Minuten in Betrieb.

Linearantriebe auf einen Blick

Linearantriebe sind stets auf spezifische Aufgaben ausgerichtet: Entweder können sie sehr schnell oder ausgesprochen präzise arbeiten. Die Gesamtleistung einer Lineareinheit ist primär von der Wahl der Antriebstechnik abhängig. Sie nimmt maßgeblichen Einfluss auf Genauigkeit, Geschwindigkeit, Belastungsfähigkeit und Kosten einer Linearlösung. Folgende Linearantriebe stehen zur Verfügung:

Zahnriementrieb

Der Zahnriementrieb sorgt für hochdynamische Bewegungen und kurze Zykluszeiten. Beim Zahnriementrieb läuft ein Treibriemen mit Zahnung formschlüssig über eine motorisch angetriebene Riemenscheibe. Sie ist ebenfalls mit Zahnung versehen. Eine solche Kombination verhindert Schlupf und erlaubt die Übertragung hoher Kräfte. Schnelle Richtungswechsel und die Beschleunigung großer Massen sind ebenfalls möglich. Ein Zahnriemen besteht aus Stahlseilen, die mit Polyurethan ummantelt sind. Das sorgt für eine lange Lebensdauer und leisen Lauf. Da der Riemen selbst eine geringe Masse besitzt, wird nur wenig Energie für dessen Eigenbewegung verwendet.

Sie können Lineareinheiten mit Zahnriemenantrieb in nahezu jeder Länge bauen. So realisieren Sie Lineareinheiten, die hohe Antriebskräfte mit großen Verfahrwegen kombinieren. Der Antrieb erfolgt an einer Umlenkung des Zahnriemens. Beim Einsatz in vertikalen Anwendungen müssen Sie durch geeignete Maßnahmen sicherstellen, dass etwa bei einem Stromausfall der Schlitten nicht unkontrolliert verfährt. Ohne Motorbremse kann der Zahnriemen leicht bewegt werden. Er hält deshalb die Position nicht eigenständig.

Kugelgewindetrieb

Kugelgewindetriebe kommen zum Einsatz, wenn viel Kraft und exakte Positionierung gefragt sind. Dies verdanken sie ihrem speziellen Antriebsprinzip: Eine Präzisionsspindel ist die Basis eines Kugelgewindetriebs. Durch die Steigung des Gewindegangs wird die Geschwindigkeit und Positioniergenauigkeit maßgeblich bestimmt. Auf der Spindel befindet sich eine nicht drehende Mutter. Darin sind Kugeln eingebracht. Diese zirkulieren im Gewindegang und führen beim Drehen der Spindel zu einer geradlinigen Axialbewegung der Mutter.

Da die Kugeln minimal größer sind als die Bahn, in der sie laufen, entsteht eine Vorspannung. Damit gehen Spielfreiheit und Belastbarkeit einher. Durch den Einsatz einer Spindel mit größerer Steigung können Kugelgewindetriebe mehr Vorschubgeschwindigkeit entwickeln. Die Länge der Spindel begrenzt ihre Drehzahl. Für hohe Vortriebsgeschwindigkeiten sollten Sie daher einer Spindel mit großer Steigung den Vorzug geben. Bei vertikalen Anwendungen besteht eine hohe Sicherheit gegen unkontrolliertes Verfahren des Schlittens: Aufgrund der Übersetzung des Kugelgewindetriebs sind vom Antrieb geringe Bremsmomente gefordert.

Kettentrieb

Der Kettentrieb ist unempfindlich gegen Schmutz und kann hohe Kräfte übertragen. Auch für vertikale Bewegungen ist er bestens geeignet. Die robuste Kette kommt zum Einsatz, wenn es auf höchste Zuverlässigkeit ankommt. Selbst unter widrigsten Bedingungen ist auf sie Verlass. Wie bei einem Zahnriemen wird die Drehbewegung des Motors auf eine geschlossene Kette übertragen. Schlupf ist hier nicht möglich. Lineareinheiten mit Kettenantrieb übertragen hohe Kräfte in der Laufrichtung. Bauartbedingt sind sie in der Positionierung und Verfahrgeschwindigkeit jedoch begrenzt.

Dafür bieten Kettentriebe eine gute Bruchlast. Hubtüren oder andere vertikale Anwendungen werden deshalb oft mit Kettenantrieben umgesetzt. Beim Kettentrieb kann die Kraft durch den Einsatz von Kettenrädern an beliebiger Stelle auf der Lineareinheit in eine Drehbewegung umgesetzt werden. Somit eignet er sich besonders für den Aufbau von Förderanlagen mit Transportrollen. In diesem Anwendungsbereich gibt es kaum eine Alternative. Im Vergleich zu anderen Lineareinheiten erfordert der Einsatz einer Stahlgliederkette einen höheren Wartungsaufwand. Grundsätzlich sollten Sie auf ausreichende Schmierung und eine regelmäßige Kontrolle der Kettenspannung achten.

Zahnstangentrieb

Ein Zahnstangentrieb kommt zum Einsatz, wenn sicheres Anheben schwerer Lasten und hohe Wiederholgenauigkeit benötigt werden. Das angetriebene Zahnrad greift in die gerade Zahnstange ein. Die Drehbewegung des antreibenden Motors wird so direkt in eine geradlinige Bewegung des Schlittens umgesetzt: Entweder die Last verfährt mit dem angetriebenen Zahnrad oder der Antrieb wird festgesetzt und die Last verfährt mit der bewegten Zahnstange. Zahnstangentriebe sind robuste Linearantriebe, mit denen schwere Lasten bewegt werden können. Selbst bei langen Strecken wird eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht. Grundsätzlich könnte ein Zahnstangentrieb unendlich lang sein. Denn die Zahnstange dehnt sich unter der Last nicht. Lineareinheiten mit Zahnstangenantrieb bieten auch bei vertikalem Einsatz eine sichere Kraftübertragung.

Know-how und Produkte rund um Lineartechnik

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• Online-Training: „Grundlagen der Lineartechnik“
• Online-Training: „Einstieg in die Antriebstechnik“
• Online-Training: „Feldbussysteme“
• Übersicht zum item Linearsystem
• Lineartechnik: Produkte im item Online Shop inklusive Zubehör und Musterlösungen
• Blogbeitrag: „Antriebstechnik-Grundlagen in kostenfreier Online-Schulung“
• Blogbeitrag: „Der Weg zur richtigen Lineareinheit: Konfigurator und mehr“
• Blogbeitrag: „Mit Lineartechnik Bankschließfachkassetten befördern“

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