Verkürzung der Entwurfszeit für lineare Bewegungssysteme

3-Achsen-kartesisches Portalsystem

Die Entwicklungszeit kann verkürzt werden und gleichzeitig Haltbarkeit und hohe Leistung gewährleistet werden.

Erfassen Sie zu Beginn so viele relevante Anwendungsinformationen wie möglich, um zu vermeiden, dass Sie Teile oder sogar den gesamten Entwurfsprozess wiederholen müssen. Seien Sie vorsichtig und bereit für Änderungen des Umfangs. Verwenden Sie theoretische Berechnungen und Analysen, um die besten Anfangsentwürfe zu ermitteln, und vergleichen Sie diese dann mit Testmessungen der wichtigsten Leistungsmerkmale an tatsächlichen Geräten. Bestätigen Sie die Prüfstandstestergebnisse, indem Sie Zyklustests unter tatsächlichen Feldbedingungen durchführen.

ERKENNUNG DER ANFORDERUNGEN

Der erste und sehr kritische Schritt fast jedes Engineering-Prozesses ist die Ermittlung der Anwendungsanforderungen. Für jedes Produkt gelten möglicherweise einzigartige Kriterien, die sich auf seine Leistung auswirken. Mithilfe einer Checkliste können Sie sicherstellen, dass Parameter berücksichtigt werden, die sonst möglicherweise übersehen werden.

Zu den wichtigsten Anwendungsinformationsdaten in einer Beispielcheckliste können gehören:

• Last/Geschwindigkeit (dynamisch und statisch)
• Spannung: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220, VAC
• Belastungsrichtung
• Hublänge
• Lebens-/Einsatzzyklus
• Umweltfreundlich
• Endlagensicherung: Kupplung? Endschalter?
• Wie wird der Antrieb gesteuert?
• Rückmeldung
• UL, CSA, CE
• Sonstiges: Wenden Sie sich für weitere Designüberlegungen an Ihren Stellantriebs-Anwendungsingenieur.

Die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel für eine bestimmte Anwendung kann einen iterativen Prozess erfordern, um den kleinsten Bauraum und die kostengünstigste Lösung zu ermitteln. Die Anforderungen an die Auslegungslast, die Lineargeschwindigkeit und die Positionsgenauigkeit werden zur Berechnung des Durchmessers, der Steigung und der Belastbarkeit der geeigneten Kugelumlaufspindelbaugruppe verwendet. Anschließend können einzelne Kugelumlaufspindelkomponenten basierend auf Lebensdauer, Maßbeschränkungen, Montagekonfiguration und Umgebungsbedingungen ausgewählt werden.

Ein guter Ausgangspunkt ist die Definition der Richtung und Größe der Last. Die Systemorientierung kann sehr wichtig sein. Bei horizontaler Ausrichtung entspricht die Antriebslast dem Nutzlastgewicht mal dem Reibungskoeffizienten. Bei vertikaler Ausrichtung entspricht die Antriebslast dem Gewicht. Auf Linearlager und Führungen wirkende Lasten können vertikale Lasten, horizontale Lasten oder Nick-, Roll- oder Giermomentlasten oder eine beliebige Kombination davon sein. Belastungen können auch in ihrer Größe und Richtung variieren.

Die resultierenden Lastvektoren an jedem Lager müssen aus der richtigen Kombination der verschiedenen Lastvektoren ermittelt werden, denen das lineare Lagersystem ausgesetzt ist, da die Lebenserwartung nicht allein auf der Grundlage der Gesamtlastvektoren des Systems geschätzt werden kann. Die Belastung, der jedes Linearlager ausgesetzt ist, wird als äquivalente Belastung für das jeweilige Lager bezeichnet. Die Systemdimensionierung erfolgt dann anhand der Dimensionierung des am stärksten belasteten Lagers. Weitere Informationen zu Berechnungsmethoden für eine äquivalente Belastung finden Sie in den Katalogen der Lieferanten von Linearlagern und -führungen.

Beispielsweise soll eine Kugelumlaufspindel axiale Lasten tragen und Drehbewegungen in axiale Bewegungen umwandeln. Die Fähigkeit der Kugelumlaufspindel, einem Knicken unter Druckbelastungen standzuhalten, wird als Säulenfestigkeit bezeichnet. Die Spindel trägt eine axiale Last, deren Größe praktisch der auf die Kugelmutter – ihrem Komplementärteil – ausgeübten Last entspricht und deren Richtung entgegengesetzt ist, und die durch die Konstruktionsgeometrie mit dem Drehmoment des Antriebsmotors in Zusammenhang steht. Im Allgemeinen ist die Säulenfestigkeit der begrenzende Konstruktionsparameter, da sie bei größeren Längen viel niedriger sein kann als die tatsächliche Druckfestigkeit des Materials. Da das Verhältnis von freier Länge zu Durchmesser eng mit der Säulenverformung zusammenhängt, folgt daraus, dass bei einem gegebenen Durchmesser die axiale Belastbarkeit einer Kugelumlaufspindel von ihrer freien Länge abhängt.

Die Lebensdauer des Linearbewegungssystems kann anhand seines Betriebsprofils vorhergesagt werden; Einfach gesagt, wie viele Stunden pro Tag, Tage pro Woche und Wochen pro Jahr die Kugelumlaufspindel betrieben wird. Für komplexere Anwendungen oder eine verfeinerte Lebensvorhersage muss ein detailliertes, umfassendes Bewegungsprofil erstellt werden, das die Bewegungen in im Wesentlichen gerade Segmente zerlegt. Für jedes Segment des Bewegungsprofils wären Informationen über die Geschwindigkeit am Anfang und am Ende des Segments, die Zeitdauer des Segments und das Drehmoment während des Segments erforderlich.

Bestimmen Sie die Positionsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit, die Ihre Anwendung erfordert. Zoll-Kugelumlaufspindeln werden beispielsweise typischerweise in zwei Qualitäten hergestellt – Precision und Precision Plus. Präzisions-Kugelumlaufspindeln würden in Anwendungen eingesetzt, die eine relativ grobe Bewegung erfordern oder eine lineare Rückmeldung zur Positionsbestimmung nutzen. Kugelumlaufspindeln der Güteklasse Precision Plus werden verwendet, wenn eine wiederholbare Positionierung im Mikrometerbereich entscheidend ist und kein lineares Feedbackgerät verwendet wird. Während Schrauben der Güteklasse Precision eine größere kumulative Variation über die Nutzlänge der Schraube aufweisen, begrenzen Schrauben der Güteklasse Precision Plus die Anhäufung von Steigungsfehlern und ermöglichen eine präzisere Positionierung über die gesamte Nutzlänge der Schraube.

GRÖSSE UND AUSWAHL

Von Anbietern von Linearbewegungssystemen bereitgestellte Diagramme können eine zeitsparende Abkürzung für die richtige Dimensionierung und Auswahl von Linearbewegungssystemen sein. Wir verwenden eine dreiachsige Schweißportalanwendung als Beispiel, um zu demonstrieren, wie Kugelumlaufspindeln mithilfe von Katalogformeln ausgewählt und dimensioniert werden (Abbildung 2). Die Kugelumlaufspindel verläuft über die gesamte Länge der x-Achse und wird an beiden Enden von Lagerstützen getragen. Der Einfachheit halber definieren wir die Mutternbefestigung als Flansch, das Material als legierter Stahl, die Gewinderichtung als rechtsgängig und die Produktserie als metrisch. Die Systemausrichtung in dieser Anwendung ist horizontal, mit Schraubenantrieb und einer Länge der x-Achse von 6 Metern. Es werden feste Enden mit einer thermisch stabilen Flanschmenge verwendet.

Eine Last von 2.668,9 Newton (600 lbs.) wird von einem auf Profilschienen laufenden Schlitten aufgebracht. Die Verfahrlänge beträgt 4,5 m (177,165″) und die freitragende Länge beträgt 5,818 Meter (229,055″). Die erforderliche Geschwindigkeit beträgt 0,1 Meter pro Sekunde (3,927 Zoll/s) und eine Beschleunigung von ±2,5 m/s2 (98,4 Zoll/s2) ist erforderlich. Der Arbeitszyklus beträgt 8 Stunden pro Tag, 5 Tage pro Woche und 50 Wochen pro Jahr mit durchschnittlich 10 Zyklen pro Stunde. Die Lebensdaueranforderung beträgt 20 Jahre für die Kugelumlaufspindel und 5 Jahre für die Komponenten. Eine zusätzliche Anforderung besteht darin, dass aufgrund einer Präferenz der Elektrotechnikabteilung ein Schrittmotor verwendet werden muss.

Als nächstes wählen wir die Linearlager für die x-Achse aus. Die Hauptanforderungen dieser Anwendung sind eine hohe Belastbarkeit und eine hohe Steifigkeit. Die Anwendung hat eine relativ große Verfahrlänge von 5.500 Metern (18 Fuß); Durch die Verfügbarkeit von Schrauben mit einer Länge von 6 Metern entfällt jedoch die Notwendigkeit einer stumpfen Verbindung. Ein geringer Wartungsaufwand ist eine wichtige Anforderung dieser Anwendung. Das Ergebnis war die Auswahl von Kugelprofilschienen-Linearführungen der Serie 500.

Mit dieser Auswahl kann die Belastung der Kugelumlaufspindeln berechnet werden. Basierend auf dieser Belastung wird die NEFF KGF-D Kugelmutter als Ausgangspunkt ausgewählt. Diese Kugelmutter verfügt über einen integrierten Flansch, einen integrierten Abstreifer und eine DIN 69051-Befestigung. Die Kugelumlaufspindel hat eine Genauigkeit von ±50 μm/300 mm Genauigkeit.

Als nächstes wird die Lebenserwartungsanforderung überprüft. Die Lebensdauer wird üblicherweise mit L10 angegeben, was der Zeit entspricht, nach der 90 % der Kugelumlaufspindeln noch funktionieren. In dieser Anwendung beträgt die Lebenserwartung 1.035.752,6 Jahre. Der Grund dafür, dass die Lebensdauer so hoch ist, liegt darin, dass wir die Kugelumlaufspindel aufgrund der kritischen Geschwindigkeit und nicht aufgrund der Lebensdauer ausgewählt haben.

TESTEN DES VORGESCHLAGENEN DESIGNS

Nachdem Sie Ihren Entwurf anhand der Berechnungen ausgewählt haben, müssen Sie einen Test durchführen, um sicherzustellen, dass Ihre Prämissen korrekt sind. Die Tests sollen bestätigen, dass das, was vorgeschlagen wurde, tatsächlich geliefert wurde, und, falls dies nicht der Fall war, als Leitfaden für eventuell erforderliche Korrekturmaßnahmen dienen. Validierungstests sollten darauf ausgelegt sein, Fragen zu beantworten wie:

• Entspricht das fertige Produkt den Designspezifikationen?
• Stimmt die Leistung innerhalb der experimentellen Grenzen mit den theoretischen Berechnungen überein, und wenn nicht, um wie viel variiert sie und warum?
• Bietet das Produkt das erforderliche Maß an Zuverlässigkeit?
• Welche möglichen Fehlerquellen und -quellen gibt es für das Produkt?
• Wie schneidet die aktuelle Lösung im Vergleich zu Alternativen ab?

Bei großen Systemen und Maschinen möchten Sie möglicherweise mit der Prüfung der Komponenten beginnen, bevor Sie mit der Prüfung der Unterbaugruppen auf dem Prüfstand und schließlich mit der Prüfung der gesamten Baugruppe fortfahren. In jeder Testphase sollten die Testergebnisse überprüft und mit den theoretischen Berechnungen verglichen werden, um sicherzustellen, dass das Design auf dem richtigen Weg ist, oder um angemessene Verbesserungsmöglichkeiten zu prüfen. Tests sollen aufdecken, was uns bei unseren Berechnungen und Modellierungen möglicherweise entgangen ist.

KONFIGURIERT LINEARE BEWEGUNGSSYSTEME

Während des gesamten Prozesses ist es auch wichtig zu überlegen, ob es sinnvoller ist, ein konfiguriertes Linearbewegungssystem zu kaufen, als ein eigenes zu entwerfen und zu montieren. In diesem Fall würden Sie einem Linearbewegungsintegrator die Anforderungen der Anwendung mitteilen, z. B. die Montagekonfiguration, Positionierungsanforderungen, Umgebungsbedingungen, Belastungsbedingungen, Bewegungsanforderungen und alle besonderen Überlegungen. Der Integrator würde dann normalerweise ein webbasiertes Dimensionierungs- und Auswahlsystem verwenden, um basierend auf Ihren Eingaben ein benutzerdefiniertes lineares Bewegungssystem zu entwerfen und zu konfigurieren. Der Integrator kann häufig innerhalb von 24 Stunden nach Ihrer Anfrage ein Angebot und eine CAD-Datei des vorgeschlagenen Entwurfs bereitstellen. Die Kosten eines solchen Systems liegen in den meisten Fällen unter den Kosten der einzelnen Komponenten.

Dieser Ansatz kann in der Regel die Entwicklungszeit und die Montagekosten um 90 % oder mehr reduzieren und oft zu Einsparungen bei den Materialkosten von 20 bis 30 % führen. Am wichtigsten ist, dass Ihre Ingenieure durch die Reduzierung des Zeitaufwands für die Entwicklung linearer Bewegungssysteme weniger Zeit damit verbringen, in einem Bereich außerhalb ihrer Kernkompetenzen zu arbeiten, und sich mehr auf das konzentrieren können, was sie am besten können – die Gesamtsystemintegration.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie alle nützlichen Ressourcen nutzen können, um Entwurfszeit zu sparen. Übersehen Sie nicht die Fähigkeit von Linearantriebsanbietern, konfigurierte Linearantriebsbaugruppen anzubieten, die Ihnen dabei helfen können, die Konstruktions- und Montagekosten zu senken. Bewerten Sie die Alternativen des Kaufs von Komponenten gegenüber Modulen oder kompletten Systemen im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf Design und Montagezeit. Nutzen Sie zu Ihrem Vorteil alle verfügbaren Design-Tools wie Diagramme, Formeln, Online-Auswahlsysteme und 3D-Modelle. Nehmen Sie schließlich den technischen Support in Anspruch, um die Produktkompetenz in Standard-, modifizierten Standard- und Speziallösungen zu nutzen. Stellen Sie sicher, dass der Anbieter über Designverifizierungs-, Test- und Analysedaten zur Untermauerung von Designansprüchen und Designpositionen verfügt. Dieser Ansatz kann die Entwicklungszeit auf ein Minimum reduzieren und gleichzeitig sicherstellen, dass lineare Bewegungssysteme die Leistungs- und Haltbarkeitsanforderungen erfüllen.

Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. März 2022

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