Wenn Zahnstange und Kegelrad Kugelumlaufspindeln und Linearantriebe bei Langhubachsen schlagen

Ein Getriebe, ein Zahnrad und eine Zahnstange bilden die siebte Achse bzw. die seitliche Bewegung eines Gelenkroboters. (Bild: GAM.)

Zieht man ein Maßband ein paar Zoll heraus, ist die Messklinge steif. Zieht man weiter, beginnt sie an einem bestimmten Punkt zu knicken und zu wackeln, bis sie schließlich versagt. Dies ist ein Problem, das Ingenieuren bei der Konstruktion von Langhubachsen gut bekannt ist.

Es gibt drei Hauptmethoden, um eine präzise geradlinige Bewegung in Maschinen zu erzeugen: Zahnstange und Rad, Kugelumlaufspindel und Linearantrieb. In diesem Artikel untersuchen wir, wann Zahnstange und Rad die beste Wahl sind – und wann andere Lösungen besser sein könnten.

Verständnis der drei Technologien

Eine Zahnstange und ein Zahnrad funktionieren, indem ein rotierendes Zahnrad, das sogenannte Zahnrad, gegen einen gezahnten Balken, die Zahnstange, eingreift. Je nach Aufbau bewegt sich entweder die Zahnstange, während das Zahnrad feststeht, oder die Zahnradbaugruppe bewegt sich entlang einer festen Zahnstange.

Eine Kugelumlaufspindel basiert auf einem ähnlichen Prinzip. Sie ist im Wesentlichen eine präzise gewindete Stange mit einer Mutter, die darauf läuft. Dreht man die Stange, bewegt sich die Mutter linear hin und her; hält man die Mutter fest, bewegt sich stattdessen die Stange.

Ein Linearantrieb geht einen anderen Weg. Stellen Sie sich einen elektrischen Motor vor, der aufgeklappt und flach ausgelegt ist. Ein Teil hält Permanent- und Elektromagnete, während das bewegliche Teil entsprechende Magnete aufweist. Durch die Eingabe eines Servoreglers bewegt die magnetische Interaktion die Last in einer geraden Linie.

Zahnstange und Rad im Vergleich zu Kugelumlaufspindeln

Auf kürzeren Distanzen konkurrieren Zahnstange und Rad sowie Kugelumlaufspindeln im gleichen Bereich; tatsächlich können Kugelumlaufspindeln eine höhere Präzision bieten. Ihre Ausrichtung kann je nach Maschinenlayout auch einfacher in bestimmte Maschinendesigns integriert werden.

Wie beim Maßband hat die Kugelumlaufspindel jedoch eine Länge (ca. 2–3 Meter), ab der Probleme auftreten, wobei die Distanz von der Größe der Spindel abhängt.

„Wenn man mit Kugelumlaufspindeln auf längere Distanzen geht, tritt ein Phänomen namens ‚Schlagen‘ auf“, sagt Matt Ruggles, Senior Design Engineer bei GAM, einem US-amerikanischen Hersteller von Servo-Getriebeuntersetzung und anderen Bewegungssteuerungskomponenten. „Im Grunde wird die Kugelumlaufspindel zu einem Springseil, was allerlei Probleme im System verursachen kann: vorzeitiger Verschleiß, Vibrationen, manchmal sogar katastrophale Ausfälle.“

Im Gegensatz zu Kugelumlaufspindeln lässt sich die Zahnstange sehr einfach an die Länge anpassen.

„Der Vorteil ist, dass sich die Zahnstange im Grunde unbegrenzt skalieren lässt“, sagt Ruggles. „Man kann ein Stück Zahnstange kürzer schneiden oder mehrere Stücke zusammenfügen, um einen viel längeren Hub zu erzielen.“

Zahnstange und Rad im Vergleich zu Linearantrieben

Linearantriebe haben zwei Hauptvorteile: Geschwindigkeit und hochpräzise Steuerung. Da ein Linearantrieb jedoch auf magnetischem Fluss basiert, kann die Steifigkeit schwieriger zu handhaben sein. Die Magnete bringen auch andere Komplikationen mit sich.

„Ich habe Erfahrungen gemacht, bei denen Installateuren die Schlüssel in ihren Taschen magnetisiert wurden“, sagt Ruggles. „Es kann sehr unangenehm sein, wenn plötzlich die Armbanduhr anfängt, Dinge anzuziehen. Das kann sich auf die Umgebung auswirken, in der sie arbeiten, da sie Späne und andere Verunreinigungen sammeln können, während sie entlanglaufen.“

Beide Technologien lassen sich auf längere Distanzen skalieren, aber die Kosten pro Meter zur Erweiterung eines Linearantriebs sind viel höher – die beteiligten Permanent- und Elektromagnete sind im Vergleich zum Hinzufügen eines weiteren Zahnstangenabschnitts teuer. Linearantriebe benötigen zudem konstante Energie, um die Position zu halten, und ihr Energieverbrauch steht in direktem Zusammenhang mit der aufgebrachten Vorschubkraft.

Im Gegensatz dazu ist eine Zahnstange nicht magnetisiert. Rücktreibkräfte bedeuten, dass das System die Position so bald wie möglich hält, sobald der Motor stoppt, und die integrierte Motorbremse den Rest übernimmt, ohne kontinuierlichen Energieverbrauch. Die Komponenten sind tendenziell auch günstiger.

„Man muss zwar die Zahnstange und in der Regel ein Getriebe sowie einen Motor kaufen, aber diese kombinierten Kosten sind in der Regel geringer als die Implementierung eines Linearantriebs“, sagt Ruggles. „Man erhält ein steiferes System und deutlich höhere Vorschubkräfte im Verhältnis zu Kosten, Bauraum und Energieverbrauch.“

Die Zahnstange hat jedoch eine Umgebung, in der sie ihre Grenzen hat: Reinräume. Die Zahnflanken müssen geschmiert werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren, was bedeutet, dass offenes Schmierfett der Umgebung ausgesetzt ist. Dies kann durch Abdeckungen, Dichtungen und die richtige Wahl des Schmierstoffs gemildert werden, fügt jedoch Komplexität hinzu.

Kugelumlaufspindeln haben das gleiche Problem, können jedoch durch Balgschläuche und ähnliche Lösungen geschützt werden. Linearantriebe haben keine freiliegenden beweglichen Teile, sodass nichts abgedichtet oder abgedeckt werden muss, was sie zur besten Wahl für Reinraumumgebungen wie die Medizin- oder Halbleiterfertigung macht.

GAM verkauft Zahnstangen in Standardlängen von einem Meter, die miteinander verbunden werden können, und kann Zahnstangen auch auf kürzere Längen zuschneiden. Längere Stangen sind auf Sonderbestellung erhältlich. Für Ingenieure, die die Komponentenauswahl durchgehen, kann das Team von GAM dabei helfen, die richtigen Komponenten und Mengen zu identifizieren, um die Anforderungen jeder Anwendung zu erfüllen.

„Es ist eine dieser Situationen, in denen man herausholt, was man hineinsteckt“, sagt Ruggles. „Wenn man sich Zeit nimmt und präzise sowie sorgfältig installiert, erhält man einen sehr gut funktionierenden Zahnstangenantrieb, eine Kugelumlaufspindel usw. Wenn man Dinge einfach zusammenklatscht, kann es Probleme geben.“

Um mehr über Zahnstangen und Räder zu erfahren, besuchen Sie GAM.