Linearmodul auslegen: Traglast, Geschwindigkeit, Vorschubkraft und Steigung

Ein Linearmodul nur nach dem Hub auszuwählen, ist die häufigste Ursache für Achsen, die zu langsam, überlastet oder laut sind. Dieser Leitfaden zeigt die Auslegungsschritte, mit denen Konstrukteure arbeiten – Traglast, Bewegungsprofil, Vorschubkraft, Momente und Motor – und schließt mit einem Rechenbeispiel auf Basis realer Moduldaten.

1. Anwendungsdaten sammeln

  • Bewegte Masse: Teil + Greifer oder Werkzeug + Adapterplatte.
  • Einbaulage: horizontal, vertikal oder an der Wand.
  • Hub und geforderte Taktzeit (bzw. Verfahrzeit pro Bewegung).
  • Lastschwerpunkt: Abstand des Schwerpunkts vom Schlitten (Auskragung).
  • Genauigkeit: geforderte Wiederholgenauigkeit.
  • Prozesskräfte: Füge-, Schraub- oder Bearbeitungskräfte am Schlitten.
  • Umgebung: Staub, Späne, Kühlschmierstoff, Reinraum.

2. Antriebsart wählen

Meist entscheiden Genauigkeit, Hub und Geschwindigkeit über den Antrieb: Kugelgewindetrieb für genaue, steife und vertikale Achsen, Zahnriemen für lange, schnelle Hübe, Zahnstange für sehr lange, schwere Achsen und Linearmotor für höchste Dynamik. Siehe Kugelgewindetrieb oder Zahnriemen.

3. Traglast für Einbaulage und Steigung prüfen

Die zulässige Traglast hängt stark von der Einbaulage und – bei Kugelgewindemodulen – von der Steigung ab. Beispiel: BSS140 mit 400-W-Servomotor:

Steigung (mm) Max. Geschwindigkeit (mm/s) Nennvorschubkraft (N) Traglast horizontal (kg) Traglast vertikal (kg)
5 250 1388 110 33
10 500 694 88 22
20 1000 347 40 10
32 1600 218 30 8

Das Muster ist typisch: Eine größere Steigung bringt mehr Geschwindigkeit, aber weniger Vorschubkraft und Traglast; die vertikale Traglast ist deutlich geringer, weil der Antrieb das volle Gewicht ständig tragen muss.

4. Bewegungsprofil festlegen

Die meisten Bewegungen folgen einem Trapezprofil: beschleunigen, mit konstanter Geschwindigkeit fahren, verzögern. Mit Hub s, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a (gleicher Wert für Beschleunigen und Bremsen) gilt für die Verfahrzeit:

t = s / v + v / a

(gültig, wenn der Hub zum Erreichen der Endgeschwindigkeit reicht, also s ≥ v² / a). Die geforderte Geschwindigkeit bestimmt die Mindeststeigung: Steigung = v / Motordrehzahl. Mit einem Servomotor bei 3000 min⁻¹ (50 U/s) braucht man für 500 mm/s eine Steigung von 10 mm, für 1000 mm/s eine von 20 mm.

5. Vorschubkraft prüfen

Der Antrieb muss die Kraft aufbringen, um die Last zu beschleunigen, die Reibung zu überwinden und bei vertikalen Achsen das Gewicht zu heben:

  • Horizontal: F = m · a + μ · m · g + FProzess
  • Vertikal (aufwärts): F = m · (g + a) + FProzess

mit μ ≈ 0,01 für Profilschienenführungen und g = 9,81 m/s². Beim Kugelgewindetrieb ergibt sich die verfügbare Vorschubkraft aus Motormoment T, Wirkungsgrad η (bei Kugelgewindetrieben typisch 0,85–0,9) und Steigung P: F = 2π · T · η / P. Ein 400-W-Servomotor liefert etwa 1,27 N·m Nennmoment; mit η ≈ 0,87 ergeben sich bei 5 mm Steigung rund 1390 N – der Wert aus der Tabelle oben. Vergleichen Sie die benötigte Kraft mit der Nennvorschubkraft und planen Sie Reserve ein.

6. Momente prüfen

Liegt der Schwerpunkt außerhalb des Schlittens, erzeugt die Last Nick-, Gier- und Rollmomente auf der Führung. Eine große Auskragung kann ein Modul überlasten, auch wenn die Masse deutlich unter der Traglastangabe liegt. Prüfen Sie die zulässigen statischen und dynamischen Momente auf der Produktseite; werden sie überschritten, verringern Sie die Auskragung, wählen Sie ein breiteres Modul oder ein Modul mit Doppelschiene bzw. Doppelantrieb.

7. Motor, Bremse und Steuerung

  • Nutzen Sie die empfohlene Motorgröße als Ausgangspunkt und bestätigen Sie Drehmoment, Drehzahl und Trägheitsverhältnis mit dem Auslegungstool des Motorherstellers.
  • Vertikale Achsen benötigen eine Motorbremse, damit die Last im stromlosen Zustand nicht absinkt.
  • Legen Sie Referenz- und Endschalteranordnung sowie die Motorlage (in Linie oder parallel) passend zum verfügbaren Bauraum fest.

Rechenbeispiel

Aufgabe: eine Last von 15 kg (Teil + Greifer) horizontal über 600 mm in 0,8 s bewegen, Wiederholgenauigkeit ±0,02 mm, keine Prozesskräfte.

  1. Antriebsart: ±0,02 mm und 600 mm Hub → Kugelgewindetrieb.
  2. Bewegungsprofil: mit v = 1,0 m/s und a = 5 m/s² ist t = 0,6 / 1,0 + 1,0 / 5 = 0,8 s. ✔
  3. Steigung: 1000 mm/s bei 3000 min⁻¹ → 20 mm Steigung.
  4. Traglast: BSS140 mit 20 mm Steigung erlaubt 40 kg horizontal → 15 kg sind unkritisch.
  5. Vorschubkraft: F = 15 · 5 + 0,01 · 15 · 9,81 ≈ 77 N. Die Nennvorschubkraft bei 20 mm Steigung beträgt 347 N – reichlich Reserve für Schlittenmasse und Beschleunigungsspitzen.
  6. Genauigkeit und Hub: ±0,01 mm Wiederholgenauigkeit und 100–1050 mm Hubbereich. ✔

Ergebnis: BSS140, Steigung 20 mm, Hub 600 mm, 400-W-Servomotor – anschließend die Momente für den tatsächlichen Greiferversatz prüfen.

Dieselbe Aufgabe vertikal: Bei 20 mm Steigung beträgt die vertikale Traglast nur 10 kg, 15 kg sind also zu viel. Eine Steigung von 10 mm erlaubt 22 kg vertikal, begrenzt die Geschwindigkeit aber auf 500 mm/s – die Bewegung dauert dann etwa 1,3 s. Sind vertikal 0,8 s gefordert, sollte die nächstgrößere Baugröße (z. B. BSS170) oder ein Gewichtsausgleich in Betracht gezogen werden – ein Bremsmotor ist in jedem Fall Pflicht.

Häufige Fragen

Wie viel Reserve sollte ich einplanen?

Viele Konstrukteure halten zwischen berechneter Last bzw. Kraft und Nennwert einen Faktor von etwa 1,5 bis 2 ein, bei Stoßbelastung, hoher Einschaltdauer oder unsicheren Prozesskräften mehr.

Warum ist die vertikale Traglast so viel geringer als die horizontale?

Bei einer vertikalen Achse trägt der Antrieb das volle Gewicht ständig und muss es zusätzlich nach oben beschleunigen; derselbe Motor und dieselbe Spindel bewegen daher deutlich weniger Masse. Eine Bremse hält die Last im stromlosen Zustand.

Was ist der Unterschied zwischen Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit?

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie präzise die Achse dieselbe Position erneut anfährt. Die absolute Genauigkeit beschreibt, wie nah sie eine beliebige Sollposition auf dem Hub erreicht. Die meisten Automatisierungsaufgaben hängen von der Wiederholgenauigkeit ab; die absolute Genauigkeit hängt zusätzlich von Spindelklasse, Montage und Kalibrierung ab.

Wir prüfen Ihre Auslegung

Senden Sie uns bewegte Masse, Schwerpunktabstand, Einbaulage, Hub, Taktzeit und geforderte Genauigkeit. Wir prüfen Traglast, Vorschubkraft und Momente und empfehlen ein Modul mit Zeichnung zur Prüfung. Kontakt aufnehmen oder die einachsigen Linearmodule ansehen.