Auswahl der optimalen Lineartechnologie für hochpräzise Anwendungen

Wenn Fertigungsprozesse hohe Präzision, schnelle Geschwindigkeiten bei hoher Wiederholgenauigkeit und maximale Flexibilität für Anwendungen wie CNC-Maschinen, Robotik und die Materialhandhabung erfordern, spezifizieren Produktionsingenieure häufig die Lineartechnologien. Die Grundkomponenten eines Linearsystems sind eine Antriebseinheit, z.B. in Form eines Motors, ein Verstellmechanismus wie ein Aktuator und eine Führungskonstruktion, beispielsweise eine Schiene. Innerhalb dieser Kategorien gibt es zahllose Subsysteme, aber um den idealen Linearantrieb für Ihre Anwendung zu ermitteln, müssen Sie Ihre Optionen zunächst überhaupt kennen.

CNC- und Materialfluss-Anwendungen erfordern exakte und langlebige lineare Antriebssysteme (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thomson Industries, Inc.).

Antriebskomponenten im Überblick

Zu den Antriebskomponenten eines Linearsystems gehören Motoren, Frequenzumrichter und Steuerungseinheiten. Sie verwandeln elektrische Energie in mechanische Energie und sorgen für die Positionierung der Last.

Die mechanische Energie kann entweder rotatorisch-linear oder direkt-linear eine Bewegung erzeugen. Antriebe, die rotatorisch-linear arbeiten, wandeln das Drehmoment eines Motors über eine Getriebe/Getriebemotor- oder Aktuator-Verbindung in eine axiale Verstellbewegung. Elektrische Linearmotoren erzeugen dagegen eine direkte Linearbewegung ohne rotatorische Bauteile. Um die gewünschte Verstellgeschwindigkeit, Beschleunigung, Verstellkraft und Positionierung für eine optimale Leistungsfähigkeit des Systems zu erreichen, wird der Antriebsmotor angesteuert.

Linearantriebssysteme machen eine umständliche Auswahl der einzelnen Komponenten überflüssig und integrieren sich mühelos in jedes Maschinendesign. Die Thomson WM (Powerline) Lineareinheit liefert ausreichend Steifigkeit, Stabilität und Präzision für anspruchsvolle Anwendungen wie die Automation von Werkzeugmaschinen sowie Prüf- und Messsysteme.

Zu den Antriebsoptionen zählen Servomotoren, mit denen sich mehrere Positionen auf mehreren Achsen am genauesten anfahren lassen. Schrittmotoren bieten ebenfalls eine exakte Positionierung, aber nur bei einer begrenzten Anzahl von Positionen, während drehzahlgeregelte Antriebe lediglich die Geschwindigkeit steuern können.

Die Positioniergenauigkeit wird durch die Einbindung von Steuerungen, Schalter, Sensoren und optischen Drehgebern (Encodern) erreicht. Ein Servomotor hat beispielsweise so viele Pole, dass es zur Ermittlung der Stellung an einem bestimmten Punkt einen Encoder erfordert, der die exakte Position der Motorwelle zurückgibt. Steuerungen nutzen diese Information, um Abweichungen zwischen der aktuellen Systemposition und der gewünschten Position zu errechnen. Steuerungssysteme wie z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) können anschließend programmiert werden, um bei erkannten Abweichungen korrigierend einzugreifen oder komplexe Verfahrsequenzen wie Mehrachsbewegungen auszuführen. Mit der vermehrten Digitalisierung der Antriebskomponenten können die Rückmeldefunktionen, die bislang externe Geräte erforderten, heute direkt integriert werden. Auf diese Weise reduzieren sich sowohl die Komplexität als auch die Einbaugröße der Lösungen.

Bewegen der Last

Angetrieben von Motoren und Frequenzumrichtern und unter der Kontrolle einer SPS oder anderer Steuerungen stellen die linearen Verstellmechanismen die mechanische Verbindung dar, mit denen die Last von einer Position zur anderen bewegt wird. Da sie die Last „verstellen“ werden sie häufig allgemein als Stellglieder oder Aktuatoren (ausc dem englischen „actuate“) bezeichnet. Aber Verstellmechanismen können auch Kugelgewindetriebe, Hubspindeln, Zylinder, Hubmagnete, Riemenantriebe oder sonstige Vorrichtungen sein, die eine Drehbewegung (ein Drehmoment) in eine lineare Bewegung auf einer oder mehreren Achsen umwandelt.

Führung und Abstützung

Die Führungskomponenten eines Linearsystems bestimmen die Bewegungsrichtung des Verstellmechanismus und stützen ihn gleichzeitig ab. Zu diesen Führungskomponenten gehören Rundschienen – auch Wellen genannt – oder Profilschienen mit eckigem Querschnitt. Beide Varianten können in geschmierten, in einem Metallblock verpressten Lagern laufen, oder man verwendet z.B. eine Ausführung mit doppelter Kugelführung, die auf gehärteten Wellen läuft, wie Thomson Industries sie anbietet Sämtliche dieser Alternativen und die darauf laufenden Lagerblöcke dienen gleichermaßen zur Abstützung des Systems und zur Richtungsvorgabe.

Die Lager und Profilschienen von Thomson, die in Prüf- und Messausrüstung, Robotern und Bestückungseinheiten zum Einsatz kommen, bieten die Länge, Langlebigkeit und Genauigkeit, die Konstrukteure für ihre Systeme benötigen.

Die Lagerblöcke sind an einem Schlitten montiert und werden auch Lagergehäuse, Buchsen oder Laufwagen genannt. Der Schlitten selbst wird auch als Sattel, Tragplatte oder Tisch bezeichnet. In einer Verarbeitungsanwendung wird der Schlitten fest mit dem zu bearbeiteten oder zu bewegenden Werkstück verbunden und kann auch durch Roboterarme bewegt werden. Bei der Verwendung eines Schlittens können mehrere Schienen-Baugruppen verwendet werden, um Bewegungen auf mehreren Achsen zu erzeugen. Die Schienen bieten eine zusätzliche Unterstützung für den Schlitten und die Lagerblöcke.

Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, müssen diese Schienen perfekt gerade und ohne Unebenheiten ausgeführt sein. Stahlschienen und -wellen, die in Führungs- und Stützvorrichtungen verwendet werden, sind nach höheren Standards und in engeren Toleranzen gefertigt als Gleitlager, die bei Wellen zur reinen Kraftübertragung genutzt werden. Führungssysteme stützen den Schlitten und nehmen all Kräfte auf, die während des Verfahrvorgangs auf die Last wirken. Daher bildet die sorgfältige Spezifikation für kolbenstangenlose Aktuatoren einen entscheidenden Erfolgsfaktor, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen.

Linearlager unterstützen hauptsächlich laterale und weniger rotatorische Bewegungen. Sie bewegen sich auf den Schienen in einem festgelegten Arbeitsspiel hin und zurück. Bei Rundschienen können sie als Kugellagerbuchsen oder selbstschmierende Gleitlager ausgeführt sein, untergebracht in einem gekapselten Block oder Gehäuse.

Spezifikation der Linearantriebskomponenten

Die wichtigsten Faktoren, die es bei der Auslegung, Auswahl, Montage und Verwendung eines Linearsystems zu beachten gilt, sind die auftretenden Lasten und Momente, Geschwindigkeit, Beschleunigung/Verzögerung, die benötigte Genauigkeit, Einschaltdauer, Parallelität, Steifigkeit und die Wiederholgenauigkeit. Im Folgenden einige auf die einzelnen Punkte bezogene Faktoren.

• Last und Moment - Die Lasten werden unterteilt in radial, gegenradial, lateral, gegenlateral, axial und gegenaxial. Die Momentkräfte werden mit Nicken, Gieren und Rollen beschrieben. Analog zu einem Flugzeug bezeichnet Nicken das Heben oder Senken der Flugzeugnase, Gieren ist eine Bewegung nach links oder rechts, während das Rollen eine Auf- und Abwärtsbewegung der Tragflächenspitzen beschreibt. Die Führungsvorrichtung des Systems nimmt sämtliche Lasten auf, jedoch mit Ausnahme der Axial- und Gegenaxiallasten, für die der Verstellmechanismus zuständig ist.
• Geschwindigkeit – bezeichnet den Wert, um den ein bewegliches Objekt seine Position verändern kann und wird normalerweise mit der höchsten Konstantgeschwindigkeit angegeben, die das Objekt erreicht. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit geht mit einem höheren Energiebedarf einher, sodass das gesamte Bewegungsprofil sorgfältig geplant werden muss, um die Energieaufnahme so gering wie möglich zu halten.
• Beschleunigung/Verzögerung – bezeichnet den Wert, um den sich die Geschwindigkeit eines Objekts, bezogen auf die Zeit, verändert. Übermäßige Beschleunigung/Verzögerung führt zu einer instabilen Bewegung und aufgrund daraus resultierender Momentlasten zu einer starken Beanspruchung der Führungskomponenten – beides mit dem Risiko einer verkürzten Lebensdauer des Systems.
• Erforderliche Genauigkeit – gibt an, wie eng sich das System an eine vorgegebene Position hält. Sie hängt von zahlreichen Variablen ab, darunter die Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Komponenten, die Vorgehensweise bei der Montage und die Montagegenauigkeit des Maschinengrundgestells.
• Einschaltdauer – bezeichnet das Verhältnis der „Einschaltzeit“ zur „Gesamtzeit“ oder kann als die Anzahl von Lateralbewegungen pro Minute definiert werden. Dies ist einer der kritischsten Faktoren mit Auswirkung auf die Lebensdauer des Systems.
• Parallelität – Die Einhaltung der Parallelität von Linearschienen und -wellen entscheidet über eine einheitliche Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Bei der Bewegung des Tisches verhindert die Parallelität der Schienen ein Verkanten in den Lagern und gewährleistet die Genauigkeit des Systems.
• Steifigkeit – ist wichtig, da ein System möglichst starr und verwindungssteif sein muss, um eine Verformung oder ungewollte Bewegungen auszuschließen. Ungewollte Auslenkungen im Betrieb können zu kostspieligen Produktionsfehlern führen. Vorgespannte Kugelgewindemuttern, eine korrekte Befestigung der Komponenten und Verschraubung mit dem richtigen Anzugsmoment sowie solide Endenabstützungen für die Verstellmechanismen tragen sämtlich zur optimalen Steifigkeit bei.
• Wiederholgenauigkeit – Die Wiederholgenauigkeit eines Linearsystems hängt von der einheitlichen Bewegung der Komponenten mit minimalem Abweichungsfehler von einem Punkt zum anderen und zurück ab. Bei Servosysteme liefern z.B. Sensoren, Endlagenschalter und Drehgeber entsprechende Rückführungsgrößen, die zur Kompensation von Fehlern und zur Ansteuerung der Positionen genutzt werden.

Bei derart vielen zu berücksichtigenden Faktoren ist die Gefahr relativ groß, eine Antriebstechnologie auszuwählen, die nicht optimal zur Anwendung passt. Daher bieten Hersteller von Linearkomponenten automatisierte Tools an, mit denen die verfügbaren Möglichkeiten verglichen sowie die damit verbundenen Vor-und Nachteile gegeneinander abgewogen werden können. Thomson Industries bietet auf seiner Website z.B. spezielle Online-Tools, die Konstrukteure bei der exakten Auslegung und Auswahl der Linearsysteme und übrigen Komponenten unterstützen. Diese Tools führen den Anwender durch eine Reihe von Fragen, beginnend mit einer umfassenden Analyse der Antriebsanforderungen, und führen ihn schnell zur idealen Lösung für das jeweilige Einsatzszenario.

Das Thomson Auslegungs- und Auswahltool Linear MOTIONEERING erlaubt Konstrukteuren die Echtzeit-Anpassung ihrer Parameter sowie eine intuitive Produktfilterung und Vergleichstabellen – für die Spezifikation der Komponenten in zumeist weniger als 15 Minuten.

Ob Sie nun ein automatisiertes Auswahltool oder Ihre eigene Berechnung verwenden: eine sorgfältige Wahl der Antriebskomponenten, Verstellmechanismen sowie Führungs- und Abstützungssysteme gewährleistet letztlich die maximale Präzision und Wiederholgenauigkeit Ihrer Produktionsabläufe. Während die geschickte Auswahl die Basis des Erfolgs ist, bilden Montage, Betrieb und Wartung die weiteren Bausteine.

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RICHTLINIEN FÜR MONTAGE, BETRIEB UND WARTUNG

Eine ordnungsgemäße Montage, genauso wie der Betrieb und die Wartung der Linearkomponenten, trägt ganz wesentlich zur Lebensdauer eines Linearsystems bei. Im Folgenden einige allgemeine Richtlinien für lineare Verstell- und Führungsmechanismen.

Tipps zur Montage

• Sorgen Sie dafür, dass die gesamte Linearbaugruppe so starr wie möglich montiert wird.
• Stellen Sie mithilfe von Messuhren sicher, dass alle Schienen auf einer Ebene und parallel zueinander verlaufen.
• Achten Sie beim Einbau darauf, dass sich der Verstellmechanismus in beide Richtungen frei bewegen kann.
• Minimieren Sie die Abstände zwischen den Antriebskomponenten. Kurze, gerade Verbindungswellen sind zu bevorzugen.
• Verwenden Sie, wo immer möglich, zusätzliche Lagerabstützungen für die Antriebswellen.
• Verwenden Sie spielfreie, flexible Kupplungen und Getriebe.
• Integrieren Sie Endlagenschalter und Sensoren, um die Verstellwege und Positionierung zu steuern.
• Beachten Sie beim Einbau von Profilschienen die Bezugslinie an der Referenzschiene und platzieren Sie diese gegen die Bezugsfläche.

Tipps zum Betrieb

• Vermeiden Sie übermäßige Drucklasten (Knicklast) auf die Verstelleinheiten. Vertikale Anwendungen mit schweren Lasten und horizontale Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind Knicklasten ausgesetzt.
• Überschreiten Sie nie die Geschwindigkeits-/Drehzahlbegrenzungen der Komponenten.
• Verwenden Sie Bremsen und Verdrehschutz-Vorrichtungen, um ungewollten Rücklauf zu vermeiden und die Last sicher anzuhalten.
• Verwenden Sie eine Vorrichtung zur Drehmomentbegrenzung, um zum Schutz der Komponenten eine Überlastung des Systems zu vermeiden.

Tipps zur Wartung

• Sperren und kennzeichnen Sie das System gegen Wiedereinschalten; prüfen Sie, ob das System energiefrei ist, bevor Sie Wartungsarbeiten durchführen.
• Verwenden Sie wann immer möglich Faltenbälge, Schutzmanschetten, Dichtungen oder Abdeckungen, um das Eindringen verschleißfördernder Fremdkörper zu vermeiden.
• Ziehen Sie sämtliche Schrauben mit dem angegebenen Drehmoment fest.
• Schmieren Sie alle Stahlflächen mit einem leichten Maschinenöl.