Linearantriebe: Spindel, Riemen und Linearmotor

Ein Linearantrieb erzeugt eine geradlinige Bewegung entlang einer Achse. Im Gegensatz zur rotatorischen Bewegung (Drehung um eine Achse) spricht man hier von einer translatorischen Bewegung – einer reinen Verschiebung. Typische Aufgaben sind das Positionieren eines Schlittens, der Vorschub eines Werkzeugs oder das Heben einer Last.

Ein paar Grundbegriffe vorweg: Der Verfahrweg ist die Strecke, die der bewegte Teil zurücklegen kann. Der Hub meint dieselbe Strecke, vor allem bei Hebe- und Stellbewegungen. Der Vorschub ist die Bewegung pro Umdrehung oder pro Zeit – wie weit also der Schlitten bei einer Umdrehung des Motors wandert.

Angetrieben werden Linearachsen meist von Servo- oder Schrittmotoren. Wie diese Motoren im Detail arbeiten und geregelt werden, ist ein Thema für sich und in eigenen Beiträgen behandelt. Hier interessiert uns das mechanische Prinzip, mit dem aus der Motordrehung die gerade Bewegung wird.

Linearachsen findet man überall: im Vorschub von Werkzeugmaschinen, in Handling- und Bestücksystemen, in Portalrobotern, in 3D-Druckern und in Verpackungsanlagen.

Antrieb und Führung – zwei getrennte Aufgaben

Das ist der Punkt, an dem in der Praxis die meisten Schäden entstehen, und deshalb gleich zu Beginn: Eine Linearachse besteht immer aus zwei funktionalen Teilen, die man sauber auseinanderhalten muss.

Das Antriebselement – die Spindel, der Zahnriemen oder der Linearmotor – erzeugt die Vorschubkraft in Bewegungsrichtung. Mehr nicht. Eine Spindel ist darauf ausgelegt, in Längsrichtung zu drücken und zu ziehen. Sie ist aber nicht dafür gebaut, Querkräfte (senkrecht zur Achse) oder Kippmomente aufzunehmen.

Genau dafür ist das Führungselement zuständig. Eine Profilschienenführung oder eine Wellenführung nimmt alle Kräfte auf, die nicht in Bewegungsrichtung wirken: das Gewicht des Schlittens, seitliche Belastungen, Momente durch außermittig angreifende Lasten. Sie hält den Schlitten exakt auf seiner Bahn.

Warum ist das so wichtig? Wenn man eine Spindel oder einen Riemen ohne saubere Führung belastet oder die Last falsch einleitet, wirken die Querkräfte direkt auf das Antriebselement. Eine Kugelgewindespindel quittiert das mit Verschleiß, Spiel und im schlimmsten Fall mit Bruch. Die Faustregel lautet: Der Antrieb schiebt, die Führung trägt. Wer diese Trennung im Kopf hat, baut Linearachsen, die lange halten.

Der Spindelantrieb ist das klassische Prinzip, um eine Drehung in einen Vorschub zu verwandeln. Das Bauteil kennt jeder aus dem Alltag: eine Schraube. Dreht sich eine Schraube in einer Mutter, wandert sie vor – und genau das nutzt der Spindelantrieb im Großen.

Eine Spindel ist eine lange Gewindestange. Auf ihr sitzt eine Mutter, die mit dem Schlitten verbunden ist. Dreht der Motor die Spindel, und ist die Mutter gegen Mitdrehen gesichert, schiebt sich die Mutter samt Schlitten entlang der Spindel. Eine Umdrehung der Spindel bewegt den Schlitten genau um eine Steigung weiter.

Die Spindelsteigung ist die zentrale Größe. Sie gibt an, wie viel Millimeter Vorschub eine volle Umdrehung erzeugt. Eine Spindel mit 5 mm Steigung schiebt den Schlitten pro Umdrehung um 5 mm. Kleine Steigung heißt feine Auflösung und hohe Kraft, aber langsamer Vorschub. Große Steigung heißt schneller Vorschub, dafür weniger Kraftübersetzung.

Trapezgewinde oder Kugelgewinde?

Es gibt zwei wichtige Bauformen, und der Unterschied ist in der Praxis erheblich.

Die Trapezgewindespindel hat ein gleitendes Gewinde – Mutter und Spindel reiben direkt aufeinander. Das ist robust und günstig, hat aber einen schlechten Wirkungsgrad (oft nur 30 bis 50 Prozent), weil viel Energie in Reibung verloren geht. Ein Vorteil dieser Reibung: Trapezspindeln sind oft selbsthemmend. Eine Last bleibt stehen, auch wenn der Motor stromlos ist – nützlich bei senkrechten Hubachsen.

Die Kugelgewindespindel ist die hochwertige Variante. Zwischen Spindel und Mutter laufen kleine Stahlkugeln in der Gewinderille, die in der Mutter umgewälzt werden. Statt Gleitreibung gibt es nur noch Rollreibung. Der Wirkungsgrad steigt dadurch auf über 90 Prozent, das Gewinde läuft praktisch spielfrei und sehr genau. Der Preis dafür: höhere Kosten und keine Selbsthemmung – eine senkrechte Achse muss extra gegen Absinken gesichert werden, etwa durch eine Bremse.

Den Aufbau einer Kugelgewindespindel kann man sich gut vorstellen: Die Kugeln rollen in der schraubenförmigen Rille zwischen Spindel und Mutter ab. Damit sie nicht am Ende der Mutter herausfallen, werden sie über einen Rückführkanal wieder an den Anfang geleitet – sie laufen also in einem geschlossenen Kreislauf um. Dieser Kugelumlauf ist der Grund für die geringe Reibung und die hohe Genauigkeit.

Vorschubgeschwindigkeit und Verfahrzeit

Aus Drehzahl und Steigung lässt sich direkt berechnen, wie schnell der Schlitten fährt:

Das / 60 rechnet die Drehzahl von Umdrehungen pro Minute in Umdrehungen pro Sekunde um. Die Verfahrzeit für einen bestimmten Weg ergibt sich dann einfach aus Weg durch Geschwindigkeit:

Vorschubkraft aus dem Drehmoment

Das eigentlich Spannende am Spindelantrieb ist die Kraftübersetzung. Ein kleines Motordrehmoment erzeugt über die feine Steigung eine große Vorschubkraft. Der Zusammenhang lautet:

Wichtig: Die Steigung muss hier in Metern eingesetzt werden, damit das Ergebnis in Newton herauskommt (Drehmoment in Nm). Eine Steigung von 5 mm entspricht also 0,005 m. Der Faktor 2·π kommt daher, dass eine volle Umdrehung dem Drehweg 2·π·r entspricht und die Spindel dabei genau eine Steigung Vorschub leistet.

Man sieht sofort: Je kleiner die Steigung, desto größer die Kraft bei gleichem Drehmoment. Deshalb wählt man für hohe Vorschubkräfte eine feine Steigung – auf Kosten der Geschwindigkeit.

Der Riemenantrieb löst dasselbe Problem auf eine andere Weise. Statt einer Gewindestange läuft hier ein Zahnriemen über zwei Riemenscheiben. Der Schlitten ist an einem Trum des Riemens befestigt – so heißt der gerade laufende Strang zwischen den beiden Scheiben. Treibt der Motor eine der Scheiben an, läuft der Riemen um und zieht den Schlitten mit.

Der große Vorteil: Ein Riemen kann beliebig lang sein. Während eine Spindel ab einer gewissen Länge durchhängt und nur mit Mühe schnell gedreht werden kann, überbrückt ein Zahnriemen problemlos mehrere Meter und erreicht dabei hohe Geschwindigkeiten. Riemenachsen sind die typische Wahl, wenn lange Verfahrwege schnell zurückgelegt werden müssen.

Der Nachteil liegt in der Steifigkeit. Ein Zahnriemen ist elastisch und dehnt sich unter Last ein Stück. Bleibt der Schlitten an einer Position stehen und wirkt eine Kraft, gibt der Riemen leicht nach. Für höchste Positioniergenauigkeit ist das ein Nachteil – hier ist die Spindel überlegen. Außerdem überträgt der Riemen die Kraft über die Zahnflanken; ein Zahnriemen verhindert Schlupf, ein glatter Flachriemen würde durchrutschen.

Vorschubgeschwindigkeit beim Riemenantrieb

Die Geschwindigkeit hängt davon ab, wie weit der Riemen pro Umdrehung der Antriebsscheibe transportiert wird. Das ist genau der Umfang der Scheibe. Aus Durchmesser und Drehzahl ergibt sich:

Bei Zahnriemenscheiben wird der Wirkdurchmesser oft nicht direkt angegeben, sondern über Zähnezahl und Zahnteilung. Der Umfang entspricht dann der Zahnteilung mal Zähnezahl:

Mit diesem Umfang rechnet man die Geschwindigkeit ebenso einfach: pro Umdrehung wandert der Riemen um einen Umfang weiter.

Spindel und Riemen haben eines gemeinsam: Sie wandeln eine Drehbewegung in eine gerade um. Es gibt immer ein mechanisches Übertragungsglied dazwischen. Der Linearmotor geht einen radikal anderen Weg – er erzeugt die geradlinige Kraft direkt, ohne jeden Umweg über die Drehung.

Die Grundidee: Man nehme einen normalen Drehstrommotor und „wickle ihn ab“. Ein Rotationsmotor besteht aus einem Ständer mit Wicklungen und einem Läufer, die rund angeordnet sind und ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen. Schneidet man diesen Ring auf und legt ihn flach aus, läuft das Magnetfeld nicht mehr im Kreis, sondern wandert in einer Geraden. Statt zu drehen, schiebt der Motor jetzt geradeaus.

Beim Linearmotor heißen die beiden Teile Primärteil und Sekundärteil. Das Primärteil enthält die stromdurchflossenen Wicklungen und erzeugt das Wanderfeld. Das Sekundärteil ist meist eine Bahn mit Permanentmagneten. Schickt man Strom durch die Wicklungen des Primärteils, entsteht ein wanderndes Magnetfeld, das das Primärteil entlang der Magnetbahn vortreibt – wie ein Surfer auf einer Welle, die das Magnetfeld vorgibt.

Das Primärteil mit den Wicklungen gleitet über die feststehende Magnetbahn. Zwischen beiden liegt ein schmaler Luftspalt – sie berühren sich nicht. Der Antrieb arbeitet also berührungslos.

Vor- und Nachteile

Weil kein mechanisches Übertragungsglied dazwischensteht, hat der Linearmotor einige herausragende Eigenschaften. Es gibt kein Spiel, weil nichts ineinandergreift, was ausschlagen könnte. Die Dynamik ist extrem hoch – Beschleunigungen, die mit Spindel oder Riemen unerreichbar sind. Und es gibt praktisch keinen Verschleiß im Antrieb, weil sich nur das Magnetfeld bewegt und nichts reibt.

Die häufigste Bauform ist der Synchron-Linearmotor: Das Sekundärteil trägt Permanentmagnete, das wandernde Feld des Primärteils läuft synchron mit. Die erzeugte Schubkraft ist im Wesentlichen proportional zum Strom im Primärteil – mehr Strom, mehr Kraft.

Dem stehen deutliche Nachteile gegenüber. Linearmotoren sind teuer. Sie erzeugen im Betrieb Wärme direkt an der Achse, die abgeführt werden muss. Und sie haben keine Selbsthemmung: Im stromlosen Zustand gibt es keine Haltekraft – eine senkrechte Achse sinkt ab, sobald der Strom wegfällt, und braucht zwingend eine Bremse. Die Magnetbahn zieht außerdem ständig magnetisch an, was die Führung zusätzlich belastet.

Die drei Prinzipien lösen dieselbe Grundaufgabe, sind aber für unterschiedliche Situationen gemacht. Die Auswahl folgt im Kern fünk Fragen: Wie viel Kraft? Wie schnell? Wie lang ist der Weg? Wie genau? Und was darf es kosten?

Daraus ergibt sich eine praktische Entscheidungslogik. Steht hohe Kraft bei feiner Genauigkeit im Vordergrund und ist der Weg eher kurz – etwa beim Werkzeugvorschub – ist die Kugelgewindespindel die erste Wahl. Geht es um lange Wege bei hoher Geschwindigkeit und reicht eine moderate Genauigkeit, wie bei Transport- und Handlingaufgaben, passt der Zahnriemenantrieb. Verlangt die Anwendung höchste Dynamik und Genauigkeit und ist das Budget vorhanden, etwa in der Hochgeschwindigkeitsfertigung, fällt die Wahl auf den Linearmotor.

Ein Begriff taucht bei der Auswahl immer wieder auf: die Wiederholgenauigkeit. Sie beschreibt, wie genau eine Achse dieselbe Position bei wiederholtem Anfahren trifft. Gerade beim Riemen ist sie durch die Riemendehnung begrenzt, während Kugelgewinde und Linearmotor hier deutlich besser sind. Wie genau eine Achse eine Position am Ende hält und ausregelt, hängt zusätzlich von der Lageregelung des Antriebs ab – das ist ein eigens Thema der Antriebsregelung.