Verkürzung der Konstruktionszeit für lineare Bewegungssysteme

3-Achsen-kartesisches Portalsystem

Die Designzeit kann reduziert werden, während gleichzeitig Haltbarkeit und hohe Leistung gewährleistet werden.

Erfassen Sie möglichst viele relevante Anwendungsinformationen zu Beginn, um zu vermeiden, dass Sie Teile oder sogar den gesamten Designprozess wiederholen müssen. Seien Sie vorsichtig und auf Änderungen im Umfang vorbereitet. Ermitteln Sie anhand theoretischer Berechnungen und Analysen die besten Erstentwürfe und vergleichen Sie diese anschließend mit Testmessungen der wichtigsten Leistungsmerkmale an realen Geräten. Bestätigen Sie die Ergebnisse von Prüfstandstests durch Zyklustests unter realen Bedingungen.

IDENTIFIZIERUNG DER ANFORDERUNGEN

Der erste und entscheidende Schritt in fast jedem Entwicklungsprozess ist die Ermittlung der Anwendungsanforderungen. Jedes Produkt kann individuelle Kriterien haben, die seine Leistung beeinflussen. Mithilfe einer Checkliste können Sie sicherstellen, dass Parameter berücksichtigt werden, die sonst möglicherweise übersehen werden.

Zu den wichtigsten Bewerbungsinformationen in einer Beispiel-Checkliste können gehören:

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

Die Auswahl des richtigen Kugelgewindetriebs für eine bestimmte Anwendung kann einen iterativen Prozess erfordern, um die kleinstmögliche und kostengünstigste Lösung zu ermitteln. Anhand der Auslegungslast, der Lineargeschwindigkeit und der Anforderungen an die Positionsgenauigkeit werden Durchmesser, Steigung und Tragfähigkeit des geeigneten Kugelgewindetriebs berechnet. Einzelne Kugelgewindetriebkomponenten können dann anhand von Lebensdauer, Maßbeschränkungen, Montagekonfiguration und Umgebungsbedingungen ausgewählt werden.

Ein guter Ausgangspunkt ist die Definition von Richtung und Größe der Last. Die Systemausrichtung kann sehr wichtig sein. Bei horizontaler Ausrichtung entspricht die Antriebslast dem Nutzlastgewicht multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten. Bei vertikaler Ausrichtung entspricht die Antriebslast dem Gewicht. Auf Linearlager und -führungen wirkende Lasten können vertikale, horizontale, Nick-, Roll- oder Giermomente oder eine beliebige Kombination davon sein. Auch Größe und Richtung der Lasten können variieren.

Die resultierenden Lastvektoren an jedem Lager müssen aus der richtigen Kombination der verschiedenen Lastvektoren ermittelt werden, denen das Linearlagersystem ausgesetzt ist, da die Lebensdauer nicht allein anhand der Gesamtlastvektoren des Systems abgeschätzt werden kann. Die Belastung jedes Linearlagers wird als äquivalente Belastung für das jeweilige Lager bezeichnet. Die Dimensionierung des Systems erfolgt dann anhand der Dimensionierung des am stärksten belasteten Lagers. Weitere Informationen zu Berechnungsmethoden für eine äquivalente Belastung finden Sie in den Katalogen der Anbieter von Linearlagern und Führungen.

Eine Kugelumlaufspindel beispielsweise soll axiale Lasten aufnehmen und Drehbewegungen in axiale Bewegungen umwandeln. Die Widerstandsfähigkeit der Kugelumlaufspindel gegen Knicken unter Druckbelastung wird als Säulenfestigkeit bezeichnet. Die Spindel trägt eine axiale Last, die effektiv gleich groß und entgegengesetzt zur Last der Kugelmutter – ihres komplementären Teils – ist und durch die Konstruktionsgeometrie mit dem Drehmoment des Antriebsmotors zusammenhängt. Im Allgemeinen ist die Säulenfestigkeit der limitierende Konstruktionsparameter, da sie bei größeren Längen deutlich geringer sein kann als die tatsächliche Druckfestigkeit des Materials. Da das Verhältnis von freier Länge zu Durchmesser eng mit dem Knicken der Säule zusammenhängt, folgt daraus, dass die axiale Belastbarkeit einer Kugelumlaufspindel bei einem gegebenen Durchmesser von ihrer freien Länge abhängt.

Die Lebensdauer eines Linearsystems lässt sich anhand seines Betriebsprofils vorhersagen. Dabei wird die Anzahl der Stunden pro Tag, Tage pro Woche und Wochen pro Jahr ermittelt, die der Kugelgewindetrieb im Einsatz sein wird. Für komplexere Anwendungen oder eine genauere Lebensdauervorhersage ist ein detailliertes, umfassendes Bewegungsprofil erforderlich, das die Bewegungen in grundsätzlich gerade Segmente unterteilt. Jedes Segment des Bewegungsprofils erfordert Informationen über die Geschwindigkeit zu Beginn und Ende des Segments, die Dauer des Segments und das Drehmoment während des Segments.

Bestimmen Sie die Positionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit, die Ihre Anwendung erfordert. Beispielsweise werden Kugelumlaufspindeln in Zollabmessungen typischerweise in zwei Qualitäten hergestellt – Präzision und Präzision Plus. Präzisions-Kugelumlaufspindeln werden bei Anwendungen eingesetzt, die relativ grobe Bewegungen erfordern oder bei denen lineare Rückmeldung zur Positionsbestimmung benötigt wird. Präzisions-Plus-Kugelumlaufspindeln werden verwendet, wenn eine wiederholbare Positionierung im Mikrometerbereich entscheidend ist und kein lineares Feedbackgerät verwendet wird. Während Präzisions-Kugelumlaufspindeln über die gesamte Nutzlänge eine größere kumulative Abweichung aufweisen, begrenzen Präzisions-Plus-Kugelumlaufspindeln die Ansammlung von Steigungsfehlern und ermöglichen so eine präzisere Positionierung über die gesamte Nutzlänge der Spindel.

GRÖSSE UND AUSWAHL

Die von Anbietern linearer Bewegungssysteme bereitgestellten Diagramme können eine zeitsparende Abkürzung bei der richtigen Dimensionierung und Auswahl linearer Bewegungssysteme 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 durch Lagerböcke gestützt. Der Einfachheit halber definieren wir die Mutterbefestigung als Flansch, das Material als legierten Stahl, die Gewinderichtung als rechtsgängig und die Produktreihe als metrisch. Die Systemausrichtung in dieser Anwendung ist horizontal, mit einem spindelgetriebenen Design und einer Länge der X-Achse von 6 Metern. Es werden feste Enden mit einem thermisch stabilen Flansch 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″), die freitragende Länge 5,818 m (229,055″). Die erforderliche Geschwindigkeit beträgt 0,1 m/s (3,927 in/sec), und eine Beschleunigung von ±2,5 m/s2 (98,4 in/s2) ist erforderlich. Die Einschaltdauer beträgt 8 Stunden pro Tag, 5 Tage pro Woche und 50 Wochen pro Jahr mit durchschnittlich 10 Zyklen pro Stunde. Die Lebensdauer der Kugelumlaufspindel beträgt 20 Jahre und die der Komponenten 5 Jahre. Eine zusätzliche Anforderung ist der Einsatz eines Schrittmotors aufgrund einer Präferenz der Elektrotechnikabteilung.

Als nächstes wählen wir die Linearlager für die X-Achse aus. Die Hauptanforderungen dieser Anwendung sind hohe Tragfähigkeit und hohe Steifigkeit. Die Anwendung hat einen relativ langen Verfahrweg von 5.500 Metern (18 Fuß); die Verfügbarkeit von 6 Meter langen Schrauben macht jedoch eine Stoßverbindung überflüssig. Geringer Wartungsaufwand ist eine wichtige Voraussetzung für diese Anwendung. Das Ergebnis war die Wahl von Linearführungen mit Kugelprofilschienen der Serie 500.

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

Anschließend wird die Lebensdauer überprüft. Die Lebensdauer wird typischerweise mit L10 angegeben. Dies entspricht der Zeit, nach der 90 % der Kugelumlaufspindeln noch leistungsfähig sind. In dieser Anwendung beträgt die Lebensdauer 1.035.752,6 Jahre. Der Grund für diese hohe Lebensdauer liegt darin, dass wir die Kugelumlaufspindel anhand der kritischen Drehzahl und nicht anhand der Lebensdauer ausgewählt haben.

TESTEN DES VORGESCHLAGENEN DESIGNS

Nachdem Sie Ihr Design anhand der Berechnungen ausgewählt haben, müssen Sie es testen, um sicherzustellen, dass Ihre Prämissen korrekt sind. Die Tests sollen bestätigen, dass das vorgeschlagene Ergebnis tatsächlich erreicht wurde, und, falls dies nicht der Fall war, gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen einleiten. Validierungstests sollten Fragen wie diese beantworten:

• Erfüllt das fertige Produkt die Designspezifikation?
• Stimmt die Leistung innerhalb der experimentellen Grenzen mit den theoretischen Berechnungen überein, und wenn nicht, um wie viel weicht sie ab und warum?
• Bietet das Produkt das erforderliche Maß an Zuverlässigkeit?
• Was sind die potenziellen Fehlerarten und -punkte des Produkts?
• Wie schneidet die aktuelle Lösung im Vergleich zu Alternativen ab?

Bei großen Systemen und Maschinen empfiehlt es sich, zunächst Komponenten zu testen, bevor die Unterbaugruppen auf dem Prüfstand getestet werden und schließlich die komplette Baugruppe getestet wird. In jeder Testphase sollten die Testergebnisse überprüft und mit den theoretischen Berechnungen verglichen werden, um sicherzustellen, dass die Konstruktion auf dem richtigen Weg ist, oder um sinnvolle Verbesserungsmöglichkeiten zu prüfen. Die Tests sollen aufdecken, was wir bei unseren Berechnungen und Modellierungen möglicherweise übersehen haben.

KONFIGURIERTE LINEARE BEWEGUNGSSYSTEME

Während des gesamten Prozesses ist es außerdem wichtig zu überlegen, ob der Kauf eines konfigurierten Linearsystems sinnvoller ist, als ein eigenes zu entwickeln und zu montieren. In diesem Fall teilen Sie einem Linearsystem-Integrator die Anforderungen Ihrer Anwendung mit, wie z. B. Montagekonfiguration, Positionierungsanforderungen, Umgebungsbedingungen, Belastungsverhältnisse, Bewegungsanforderungen und etwaige besondere Anforderungen. Der Integrator nutzt dann in der Regel ein webbasiertes Dimensionierungs- und Auswahlsystem, um basierend auf Ihren Angaben ein individuelles Linearsystem zu entwickeln und zu konfigurieren. Der Integrator kann Ihnen oft innerhalb von 24 Stunden nach Ihrer Anfrage ein Angebot und eine CAD-Datei des vorgeschlagenen Designs zukommen lassen. Die Kosten für ein solches System sind in den meisten Fällen geringer als die Kosten der Einzelkomponenten.

Dieser Ansatz kann den Entwicklungsaufwand und die Montagekosten typischerweise um 90 % oder mehr reduzieren und oft zu Materialeinsparungen von 20 bis 30 % führen. Am wichtigsten ist jedoch, dass Ihre Ingenieure durch die Reduzierung des Zeitaufwands für die Entwicklung linearer Bewegungssysteme weniger Zeit mit Arbeiten außerhalb ihrer Kernkompetenzen verbringen und sich mehr auf das konzentrieren können, was sie am besten können – die Gesamtsystemintegration.

Kurz gesagt: Nutzen Sie alle nützlichen Ressourcen, um Entwicklungszeit zu sparen. Anbieter von Linearsystemen bieten Ihnen vorkonfigurierte Linearsysteme, die Ihnen helfen, Ihre Entwicklungs- und Montagekosten zu senken. Bewerten Sie den Kauf von Komponenten, Modulen oder Komplettsystemen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Entwicklungs- und Montagezeit. Nutzen Sie alle verfügbaren Entwicklungstools wie Diagramme, Formeln, Online-Auswahlsysteme und 3D-Modelle. Nutzen Sie außerdem den technischen Support, um von dessen Produktexpertise für Standard-, modifizierte Standard- und Speziallösungen zu profitieren. Stellen Sie sicher, dass der Anbieter über Daten zur Designverifizierung, -prüfung und -analyse verfügt, um seine Konstruktionsansprüche und -positionen zu untermauern. So können Sie die Entwicklungszeit auf ein Minimum reduzieren und gleichzeitig sicherstellen, dass Linearsysteme die Anforderungen an Leistung und Haltbarkeit erfüllen.

Veröffentlichungszeit: 28. März 2022

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