Linearachsen im Vergleich

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke
der TU Dresden
Linearachsen im Vergleich
1. Einleitung
2. Vergleich von NC-Linearachsen
3. Versuchsergebnisse und Praxisempfehlungen
4. Kostenaspekt für Beschaung und Betrieb
5. Zusammenfassung der Vergleichsergebnisse von NC-Linearachsen
6. Vergleich von pneumatischen Endlagenachsen mit Linarmotor-Achsen
7. Zusammenfassung

1. Einleitung
9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 1)
Im Bereich der Montageautomation besteht ein großer Informationsbedarf über die Stärken
und Schwächen der Antriebsarten von NC- Linearachsen. Zum einen, um die
Automationsaufgabe optimal zu lösen, und zum anderen, um eine fundierte Planungs- und
Entscheidungsbasis zu erhalten, die auch bei künftigen Vorhaben die notwendige Sicherheit
bietet. Dabei gilt es, neben produktspezifischen Merkmalen wie Einbausituation, Kraft,
Geschwindigkeit, Genauigkeit und Lebensdauer, vor allem die Beschaffungs- und die
Betriebskosten mit in die Entscheidungsfindung einzubeziehen, um so die geeigneten
Linearachsen unter ganzheitlichen Gesichtspunkten gezielt auswählen zu können.
2. Vergleich von NC-Linearachsen
Wegen ihrer hohen Dynamik und Genauigkeit werden NC-Linearachsen in der Montage-
automation vorwiegend mit folgenden Antriebsarten eingesetzt:
• servopneumatischer, kolbenstangenloser Zylinderantrieb mit Servoventilen,
• servoelektrischer Zahnriemenantrieb mit Getriebe und AC-Motor (rotativ),
• servoelektrischer Spindelantrieb mit Getriebe und AC-Motor (rotativ),
• servoelektrischer Linearmotorantrieb mit AC-Motor (linear).
Gemeinsames Merkmal dieser Antriebe ist das Führungssystem, das aus einem Aluminium-
Profil mit vier geschliffenen Führungsbahnen und einem in der Regel auf acht
hochdynamischen Stahlrollen gleitenden Schlitten aus Aluminium besteht.
Um die Vergleichbarkeit der Antriebe zu gewährleisten, wurden für die Versuchsreihen
Achsen mit annähernd gleicher Nennkraft am Schlitten und einem Hub von 400 mm
ausgewählt (Bild 1). Alle Achsen mussten eine Nutzlast von 3,5 kg bewegen. Dabei ist zu
berücksichtigen, dass die elektrischen Achsen im Gegensatz zu den pneumatischen kurzfristig
Maximalkräfte aufbringen können, die ein Mehrfaches ihrer Nennkräfte betragen. Dieses
charakteristische Merkmal der elektrischen Linearachsen ist bei kurzen Beschleunigungs- und
Bremsphasen sehr von Vorteil. Durch die unterschiedlichen Messsysteme, die
Übersetzungsverhältnisse und die Teilungsfaktoren in den Servoreglern ergeben sich auch

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 2)
verschieden hohe Auflösungen an den Achsschlitten. Die höchste Auflösung bietet die
Linearmotorachse mit 0,03 µm (Tabelle1).
Bild 1: Probanten der Versuchsreihe „Achssysteme im Vergleich“ ( von links nach
rechts): pneumatische Zylinderachse (SP), elektrische Zahnriemenachse
(ZR), Spindelachse (SM) und Linearmotorachse (LM)

Voraussetzungen Dim.
Antriebsprinzip
Bauvolumen komplett dm 3
Masse des kompletten
Schlittens
Masse der kompletten
Führung
Antriebsgewicht
komplett
9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 3)
Pneumatikachse
(SP)
Pneumatischer
Zylinder, Kolben,
Zugband
Zahnriemen-
achse (ZR)
AC-Servomotor,
Getriebe, Zahnrad,
Zahnriemen
Spindelachse
(SM)
AC-Servomotor,
Spindel , Mutter
Linearmotor-
achse (LM)
AC-Linearmotor
am Schlitten,
Sekundärteil auf
Führung
5,0 11,6 10,6 6,6
kg 1,2 1,5 2 4,6
kg 5,3 16,4 11,0 6,4
kg 6,5 17,9 13 11
Nennkraft am Schlitten N 210 347 196 200
max. zulässige
Geschwindigkeit
Meßprinzip
Auflösung des
Meßsystems (auf den
Schlitten bezogen)
Einbaulage
Aufspannung
Maximalhub mm
Nutzlast kg
m/s 4,0 4,9 2,4 4,0
inkremental,
optisch am
Schlitten
Antriebsarten
Multiturn-Resolver
im Motor
Multiturn-Resolver
im Motor
inkremental,
magnetisch am
Schlitten
µm 5 2,1 0,8 0,03
horizontale Bewegungsrichtung
Schlitten oder Führungsprofil bewegt
400
Tabelle 1: Technische Daten der im Vergleich verwendeten Antriebsarten
Bei den Versuchsreihen wurden alle Achsen nur horizontal bewegt. Zur Beurteilung ihres für
Positionieraufgaben in der Montageautomation entscheidenden Bewegungsverhaltens wurden
die Ergebnisse für ein fest eingespanntes Führungsprofil mit bewegtem Schlitten sowie für
einen fest eingespannten Schlitten mit bewegtem Führungsprofil getrennt untersucht.
3,5

Position s [mm]
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 4)
Bild 2: Bewegungsprofil bei bewegtem Schlitten mit 0,2 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast
Achskonfigurationen mit Schlittenbewegungen in X-Richtung sind bei Linienportalen,
Flächenauslegern, Flächenportalen sowie Kreuztischen zu finden. Die Positionierzeiten
wurden bei Erreichen des Sollwertes (Toleranz +/- 0,02 mm) ermittelt. Auffällig ist das
unruhige Positionierverhalten der servopneumatischen Achse (SP) bei kurzen Wegen (Bild 2).
Hier führt das Stick-Slip-Verhalten zu unkontrollierbaren Bewegungen mit „längeren“
Stillstandszeiten und damit zu einer Gesamtpositionierzeit von 93 ms. Die Zahnriemen- (ZR)
und Spindelachse (SM) benötigt aufgrund der sich schneller aufbauenden Verfahrkräfte mit
0,2 s eine kurze Anfahrzeit zur Zielposition. Wegen der langen Einregelzeiten ergeben sich
trotzdem Positionierzeiten von 75 ms und 85 ms. Dagegen zeigt die Linearmotorachse (LM)
einen sehr harmonischen Verlauf und erreicht aufgrund der geringen Reibung und Elastizität
mit 65 ms die kürzeste Positionierzeit.
Als Folge der geringen Positionsauflösung des Wegmesssystems ist der
Geschwindigkeitsverlauf der Pneumatikachse (SP) sehr unruhig (Bild 3). Auch der Verlauf der
Zahnriemen- (ZR) und Spindelachse (SM) erweist sich gegenüber der Linearmotorachse (LM)
als unruhig (Bild 3).
SM
LM
SP
ZR
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Zeit t [ms]

Geschwindigkeit v [m/s]
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 5)
Bild 3: Geschwindigkeitverläufe bei bewegten Schlitten mit 0,2 mm Hub und 3,5 kg
Nutzlast
Position s [mm]
0
-0,005
-0,01
-0,015
250
200
150
100
50
0
SM
ZR
LM SP
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ZR
SM
Zeit t [ms]
0 50 100 150 200 250 300
Zeit t [ms]
Bild 4: Positionierverläufe bei bewegten Schlitten mit 200 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast
LM
SP
Wird der Positionierhub auf 200 mm erhöht, benötigt die Zahnriemenachse mit 140 ms die
kürzeste Positionierzeit, gefolgt von der Linearmotorachse mit 150 ms, der Spindelachse mit
210 ms und der Pneumatikachse mit 240 ms (Bild 4). Keine großen Veränderungen ergeben

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 6)
sich bei der Betriebsart „Bewegtes Führungsprofil, fest eingespannter Schlitten“ im Hinblick
auf die Positionsverläufe. Dagegen unterscheiden sich die Positionierzeiten deutlich. Die
Linearmotorachse benötigt mit 200 ms die kürzeste Zeit, gefolgt von der Spindel- und
Zahnriemenachse mit 210 ms und 220 ms sowie der Pneumatikachse mit 300 ms.
3. Versuchsergebnisse und Praxisempfehlungen
Die Versuchsergebnisse unterstreichen bei bewegten Führungsprofilen die Überlegenheit der
Linearmotorachsen in der Positionierqualität, sowohl bei extrem kurzen Hüben von 0,2 mm
als auch bei Hüben bis 400 mm (Tabelle 2).
Messungen Dim.
Pneumatikachse
(SP)
Zahnriemen-
achse (ZR)
Spindelachse
(SM)
Linearmotor-
achse (LM)
Positionsgenauigkeit mm 0,01 0,15 0,01 < 0,001
Geschwindigkeitsgenauigkeit
bei 1 m/s
MaximalgeschwindigkeitenMinimalgeschwindigkeitenMaximalbeschleunigungen
Antriebsarten
mm/s 20 11 2,5 2,5
m/s 3 3,4 2,7 3,3
mm/s 3 1 0,2 0,3
m/s2 16 52 26 44
Zykluszeiten s 0,76 0,38 0,59 0,42
Geräuschentwicklung dbA 67 79 76 73
Tabelle 2: Versuchsergebnisse bei bewegten Schlitten, 400 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast
Bei der Linearmotorachse liegt die Positionier- und Wiederholgenauigkeit unter 1 µm. Ihre
Geschwindigkeitsgenauigkeit entlang des Gesamthubes ist selbst bei diffizilen
Montagevorgängen ausreichend, und auch die Minimal- und Maximalgeschwindigkeiten liegen
im Spitzenfeld der Prüflinge. Bei der Geräuschentwicklung überzeugt die Pneumatikachse mit
dem geringsten Geräuschpegel. Berücksichtigt man außerdem die wenigen Verschleißteile der
Linearmotorachse, so muss ihr Langzeitverhalten zwangsläufig besser als das der anderen
Achsen bewertet werden. Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Linearmotorachse

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 7)
hinsichtlich Genauigkeit, Geschwindigkeit, Regelbarkeit, Langzeitverhalten und Kompaktheit
gegenüber allen anderen Linearachsen deutliche Vorteile aufweist.
4. Kostenaspekt für Beschaffung und Betrieb
Um eine fundierte Vergleichsbasis zu erhalten, wurden die Investitionskosten der Achsen auf
das Kostenniveau der Pneumatikachse bezogen (Tabelle 3). Zeile 1 zeigt, dass die Investition
für eine elektrische Achse durchschnittlich 50% höher liegt, wobei die Linearmotorachse bei
dieser Antriebsart die günstigste ist.
Kostenberechnung
Pneumatikachse
(SP)
Zahnriemenachse
(ZR)
Spindelachse
(SM)
Linearmotorachse
(LM)
1 rel. Investitionskosten 100% 155% 156% 138%
2
3
Zykluszeit bei 2x400mm
Hub
Zyklen in 5 Jahren
und 2 Schichten
4 Leistungsbedarf
5
6
Energiekosten in 5 Jahren
und 2 Schichten
Energiekosten auf 0,76 s
Zykluszeit bezogen
0,76 s 0,38 s 0,59 s 0,42 s
91 Mio 182 Mio 117 Mio 165 Mio
200 Nl/min bei
6 bar
Antriebsarten
400 W 380 W 500 W
8.290 € 371 € 352 € 464 €
8.290 € 185 € 274 € 256 €
7 rel. Energiekosten 100% 2% 3% 3%
8 rel. Inbetriebnahmekosten 100% 293% 293% 286%
9 rel. Servicekosten 100% 38% 35% 33%
10 rel. Gesamtkosten 100% 45% 44% 40%
Tabelle 3: Kenndaten zur Beurteilung der Investitions- und Betriebskosten der NC-
Linearachsen
Aus den Zykluszeiten (Zeile 2) und den Zyklen von fünf Jahren bei 2-Schicht-Betrieb (Zeile
3) lassen sich die vom Leistungsbedarf (Zeile 4) abhängigen Energiekosten (Zeile 5)
errechnen. Dabei wird deutlich, dass die elektrischen Achsen erheblich weniger Kosten
verursachen als die pneumatischen. In der Versuchsreihe wurden alle Antriebe im
Dreiecksbetrieb, ohne wirkende Geschwindigkeitsbegrenzung und ohne Unterbrechungen,

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 8)
betrieben. Diese Betriebsart hat eine hohe Erwärmung der Motoren zur Folge und ist für den
Dauerbetrieb unzulässig.
Werden dagegen die elektrischen Achsen mit der längeren Zykluszeit der Pneumatikachse
betrieben, so ergeben sich die Energiekosten aller Achsen gemäß Zeile 6. Bezieht man diese
Kosten wieder auf die Pneumatikachse (Zeile 7), so beeindruckt die Linearmotorachse mit nur
3% der Energiekosten der Pneumatikachse. Die Kosten für die Inbetriebnahme (Zeile 8) der
elektrischen Achsen sind aufgrund der aufwändigen Absicherungen und Verkabelungen
deutlich höher als bei der pneumatischen Achse. Dagegen liegen die Servicekosten (Zeile 9)
dieser Achse wegen der größeren Zahl an Verschleißteilen höher. Schließlich wird aus Zeile
10 deutlich, dass die Gesamtkosten der elektrischen Achsen im Mittel nur 43% der Kosten der
pneumatischen Achsen betragen.
5. Zusammenfassung der Vergleichsergebnisse von NC-Linearachsen
Beim Vergleich der handelsüblichen NC-Linearachsen mit unterschiedlichen Antrieben
erweist sich, was die Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Daten anbelangt, die
Linearmotorachse als eindeutig besser. Die herausragenden und ergebnisbestimmenden
Eckdaten sind dabei die Investitions- und Energiekosten. Erstere liegen bei den elektrischen
Achsen um 50% höher als die der pneumatischen Achsen. Dagegen sind bei den
Energiekosten der elektrischen Achsen aufgrund des besseren Wirkungsgrades nur 3% der
pneumatischen Achsen aufzuwenden. Bei den Gesamtkosten schlagen die elektrischen
Achsen mit nur 43% der Kosten der pneumatischen Achsen zu Buche.
6. Vergleich von pneumatischen Endlagenachsen mit Linarmotor-Achsen
Aus Abschnitt 4 geht hervor, daß erst die Betrachtung der Gesamtkosten einen echten
Vergleich zwischen der Wirtschaftlichkeit pneumatischer und elektrischer Achsen gestattet.
Es wurde auch deutlich, dass die höheren Investitionskosten der elektrischen Antriebe durch
die hohen Betriebskosten der pneumatischen Achsen überkompensiert wurden. Insbesondere
gilt, dass größere zu belüftende Volumina und niedrige Zykluszeiten die Betriebskosten
pneumatischer Achsen stark erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit der Linearmotorachsen
begründen.

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 9)
Andererseits wäre es interessant festzustellen, wo die Grenze der Wirtschaftlichkeit von
Linearmotor-Achsen im Vergleich zu kleineren Pneumatikachsen liegt.
Es wurden deshalb endlagengesteuerte Pneumatikachsen mit den Zylinderdurchmessern 16
mm und 32 mm mit ensprechenden Linearmotorachsen ähnlicher Vorschubkräfte verglichen.
Bild 5 zeigt den Baukasten der pneumatischen Endlagenachsen, aus dem die beiden kleineren
Achsen ausgewählt wurden.
Bild 5: Pneumatische Endlagenachsen

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 10)
Entsprechend sind in Bild 6 die Linearmotorachsen dargestellt, von denen die Achsen 2 und 4
(von links gezählt) untersucht wurden.
Bild 6: Linearmotor-Achsen
Für alle untersuchten Achsen wurde ein Hub von 100 mm und wiederum die Zykluszeit von
0,76 s gewählt.
Ähnlich wie in Tabelle 3 zeigt Tabelle 4 die Ergebnisse des Achsverlgeichs.
Auffällig sind die hohen Investitionskosten der Linearmotor-Achsen von durchschnittlich
266% gegenüber den Endlagenachsen (Zeile 1). Der wesentliche Grund sind die
kostenintensiven Regelverstärker der Linearmotor-Achsen. Die relativen Energiekosten in
Zeile 2 sind bei den Linearmotor-Achsen erwartungsgemäß niedriger – aber aufgrund der
geringeren Zylindervolumina höher als in Tabelle 3. Die Inbetriebnahme- und Servicekosten
(Zeilen 3 und 4) sind ähnlich zu denen in Tabelle 3.
Aus Zeile 5 geht das Gesamtergebnis hervor. Es zeigt sich, daß die Linearmotor-Achsen auch
gegenüber pneumatischen Endlagenachsen nicht nur wirtschaftlicher sind, sondern durch die
freie Positionierbarkeit auch deutliche technische Vorteile besitzen.

9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 11)
Kostenberechnung
pneum. Endlagen-Achse
PE
32/250/100
Linearachsen
Linearmotor-
Achse
LM
0/200/100
pneum. Endlagen-Achse
PE 16/120/100
Linearmotor-
Achse
LM
0/100/100
1 rel. Investitionskosten 100% 248% 100% 285%
2 rel. Energiekosten 100% 13% 100% 29%
3 rel. Inbetriebnahmekosten 100% 202% 100% 202%
4 rel. Servicekosten 100% 36% 100% 36%
5 rel. Gesamtkosten 100% 77,4% 100% 98,4%
Tabelle 4: Wirtschaftlichkeitsvergleich von pneumatischen Endlagenachsen und Linear-
motorachsen
7. Zusammenfassung
Im Diagramm in Bild 7 sind alle untersuchten Achsen (Servopneumatik-,
Endlagenpneumatik- und Linearmotor-Achsen bezuglich Ihrer Wirtschaftlichkeit
zusammengestellt.
Es wird nochmals deutlich, dass die Linearmotor-Achse bezüglich der Gesamtkosten deutlich
niedriger liegt als die servopneumatische Achse. Auch zeigt es sich, dass Linearmotor-Achsen
sogar wirtschaftlicher sind als vergleichbare pneumatische Endlagenachsen. Der Schnittpunkt
der Wirtschaftlichkeit liegt bei pneumatischen Endlagenachsen bei einem
Zylinderdurchmesser von 8 mm und einem Hub von 100 mm.

elative Gesamtkosten %
9. Tagung „Zahnriemengetriebe“
am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, 14./15.9.2004
Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 12)
Bild 7: Relative Gesamtkosten für alle untersuchten Achsen
Aufgrund der rasanten technischen Entwicklung der Linearmotor-Achsen sind in absehbarer
Zeit Ergebnisse zu erwarten, die den Forderungen nach höherer Dynamik, Genauigkeit,
Verfügbarkeit und Wirschaftlichkeit noch stärker nachkommen. Damit werden zukünftig
Linearmotor-Achsen immer stärker auch in jene Bereiche vordringen, in denen heute
pneumatische Endlagenachsen eingeführt sind.
Literatur:
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Gesamtkostenvergleich von Linearachsen
SP
210/400
LM
200/400
PE
250/100
LM
200/100
W.-D. Goedecke, Volker Langguth: Vergleich servopneumatischer und servoelektrischer
Linearachsen, O + P, Zeitschrift für Fluidtechnik, Nr. 4/2004.
PE
120/100
LM
100/100