Wie kann „LOSTPED“ helfen?

Von der Verpackung und dem Materialtransport bis hin zur Halbleiterfertigung und Automobilmontage beinhalten praktisch alle Fertigungsprozesse irgendeine Art von Linearbewegung, und da sich die Hersteller mit der Flexibilität und Einfachheit modularer Linearbewegungssysteme vertraut machen, finden diese Systeme – ob ein-, zwei- oder komplette dreiachsige kartesische Robotersysteme – ihren Weg in die Produktionsbereiche.

Ein häufiger Fehler von Ingenieuren und Konstrukteuren bei der Dimensionierung und Auswahl von Linearantriebssystemen ist die Vernachlässigung kritischer Anwendungsanforderungen. Dies kann im schlimmsten Fall zu kostspieligen Neukonstruktionen und Nacharbeiten führen, aber auch häufig zu einem überdimensionierten System, das teurer und weniger effektiv als gewünscht ist. Angesichts der vielen möglichen Lösungen kann man bei der Konstruktion eines Linearantriebssystems leicht den Überblick verlieren. Welche Last muss das System bewältigen? Wie schnell muss es sich bewegen? Welche Konstruktion ist am kostengünstigsten?

Alle diese und weitere Fragen wurden berücksichtigt, als die Gruppe Linear Motion and Assembly Technologies von Bosch Rexroth „LOSTPED“ entwickelte, ein einfaches Akronym, das den Ingenieur oder Konstrukteur bei der Sammlung der Informationen unterstützt, die zur Spezifizierung der geeigneten Linearbewegungskomponenten oder -module für eine bestimmte Anwendung erforderlich sind.

WAS IST VERLOREN?

LOSTPED steht für Last, Orientierung, Geschwindigkeit, Verfahrweg, Präzision, Umgebung und Arbeitszyklus. Jeder Buchstabe des Akronyms LOSTPED repräsentiert einen Faktor, der bei der Dimensionierung und Auswahl eines Linearbewegungssystems berücksichtigt werden muss. Beispielsweise stellt die Last bei Beschleunigung und Verzögerung andere Anforderungen an das Lagersystem als bei Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Da Linearbewegungslösungen zunehmend von Einzelkomponenten zu kompletten Linearmodulen oder kartesischen Systemen übergehen, werden die Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten – z. B. Linearführungen und Kugelgewindetrieben, Riemen- oder Linearmotorantrieben – komplexer, und die Entwicklung des richtigen Systems wird anspruchsvoller. Das Akronym LOSTPED kann Konstrukteuren helfen, Fehler zu vermeiden, indem es sie daran erinnert, alle zusammenhängenden Faktoren bei der Systementwicklung und -spezifikation zu berücksichtigen.

WIE MAN LOSTPED VERWENDET

Nachfolgend finden Sie Beschreibungen der einzelnen LOSTPED-Faktoren sowie wichtige Fragen, die Sie sich bei der Bestimmung der Kriterien für die Dimensionierung und Auswahl eines Linearbewegungssystems stellen sollten.

LADEN

Last bezeichnet das Gewicht oder die Kraft, die auf das System wirkt. Alle linearen Bewegungssysteme sind einer Last ausgesetzt, beispielsweise nach unten gerichteten Kräften bei der Materialhandhabung oder Schubkräften beim Bohren, Pressen oder Schrauben. Andere Anwendungen weisen eine konstante Last auf, wie etwa die Handhabung von Halbleiterwafern, bei der ein FOUP (Front-Opening Unified Pod) zum Absetzen und Aufnehmen von einem Lagerplatz zum anderen transportiert wird. Eine dritte Art von Last ist durch variable Lasten gekennzeichnet, wie beispielsweise bei der Medikamentendosierung, wo Reagenz nacheinander in Pipetten abgefüllt wird, wodurch die Last mit jedem Schritt abnimmt.

Bei der Betrachtung der Last sollte man auch den Werkzeugtyp am Ende des Arms berücksichtigen, der die Last aufnimmt oder transportiert. Obwohl dies nicht direkt mit der Last zusammenhängt, können Fehler hier kostspielig sein. Wird beispielsweise ein hochempfindliches Werkstück in einer Pick-and-Place-Anwendung aufgenommen, kann es durch die Verwendung des falschen Greifertyps beschädigt werden.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Woher kommt die Last und wie ist sie ausgerichtet?
• Gibt es besondere Handhabungsvorschriften?
• Wie viel Gewicht oder Kraft muss bewältigt werden?
• Handelt es sich um eine nach unten gerichtete Kraft, eine Abtriebskraft oder eine Seitenkraft?

ORIENTIERUNG

Die Ausrichtung, also die relative Position oder Richtung, in der die Kraft wirkt, ist ebenfalls wichtig, wird aber oft vernachlässigt. Manche Linearmodule oder Aktuatoren können aufgrund des verwendeten Linearführungssystems höhere Belastungen nach unten/oben als seitliche Belastungen aufnehmen. Andere Module mit anderen Linearführungen können die gleichen Lasten in alle Richtungen bewältigen.

Das Rexroth Compact Module CKK beispielsweise nutzt ein Doppelkugel-Führungssystem und wird häufig in Anwendungen mit seitlich oder axial ansetzenden Lasten eingesetzt. Da die meisten Anbieter hochwertiger Linearantriebe Module und Aktuatoren für verschiedene Anwendungsfälle fertigen, ist es wichtig sicherzustellen, dass die spezifizierten Module die Lastanforderungen in der für die Anwendung erforderlichen Ausrichtung bewältigen können.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Wie ist das Linearmodul bzw. der Aktor ausgerichtet?
• Ist es waagerecht, senkrecht oder auf dem Kopf stehend?
• Wo ist die Last relativ zum linearen Modul ausgerichtet?
• Wird die Last ein Roll- oder Nickmoment am Linearmodul verursachen?

GESCHWINDIGKEIT

Geschwindigkeit und Beschleunigung beeinflussen die Auswahl eines Linearantriebssystems. Eine aufgebrachte Last erzeugt beim Beschleunigen und Abbremsen deutlich andere Kräfte im System als bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Auch das Bewegungsprofil – trapezförmig oder dreieckig – muss berücksichtigt werden, da die für die gewünschte Geschwindigkeit oder Zykluszeit erforderliche Beschleunigung vom Bewegungsprofil abhängt. Bei einem trapezförmigen Bewegungsprofil beschleunigt die Last schnell, bewegt sich eine Zeit lang mit relativ konstanter Geschwindigkeit und bremst dann ab. Ein dreieckiges Bewegungsprofil bedeutet, dass die Last schnell beschleunigt und abbremst, wie beispielsweise bei Punkt-zu-Punkt-Anwendungen zum Aufnehmen und Absetzen. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind auch entscheidende Faktoren bei der Auswahl des geeigneten Linearantriebs, typischerweise einer Kugelumlaufspindel, eines Riemens oder eines Linearmotors.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Welche Geschwindigkeit bzw. Zykluszeit muss erreicht werden?
• Handelt es sich um eine konstante oder eine variable Geschwindigkeit?
• Wie wirkt sich die Last auf Beschleunigung und Verzögerung aus?
• Ist das Bewegungsprofil trapezförmig oder dreieckig?
• Welcher Linearantrieb erfüllt die Anforderungen an Geschwindigkeit und Beschleunigung am besten?

REISEN

Der Begriff „Verfahrweg“ bezeichnet die zurückgelegte Strecke oder den Bewegungsbereich. Dabei muss nicht nur die zurückgelegte Strecke, sondern auch ein möglicher Überhub berücksichtigt werden. Ein gewisser Sicherheitsabstand am Ende des Hubs gewährleistet die Sicherheit des Systems im Falle eines Notstopps.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Wie groß ist die Distanz (Bewegungsreichweite)?
• Wie viel Überhub ist bei einer Notbremsung erforderlich?

PRÄZISION

Präzision ist ein weit gefasster Begriff, der häufig entweder die Fahrgenauigkeit (das Verhalten des Systems bei der Bewegung von Punkt A nach Punkt B) oder die Positioniergenauigkeit (die Genauigkeit des Systems beim Erreichen der Zielposition) beschreibt. Er kann sich auch auf die Wiederholgenauigkeit beziehen. Das Verständnis des Unterschieds zwischen diesen drei Begriffen – Fahrgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit – ist oft entscheidend, um sicherzustellen, dass das System die Leistungsanforderungen erfüllt und nicht unnötigerweise eine hohe Genauigkeit anstrebt.

Der Hauptgrund für die Überlegung hinsichtlich der Präzisionsanforderungen liegt in der Wahl des Antriebsmechanismus: Riemenantrieb, Kugelgewindetrieb oder Linearmotor. Jeder Typ bietet Kompromisse zwischen Präzision, Geschwindigkeit und Tragfähigkeit, und die beste Wahl hängt hauptsächlich von der jeweiligen Anwendung ab.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Wie wichtig sind Fahrgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Anwendung?
• Ist Präzision wichtiger als Geschwindigkeit oder andere Faktoren, die den Status „LOSTPED“ beeinflussen?

UMFELD

Die Umgebungsbedingungen bezeichnen die Bedingungen, unter denen das System voraussichtlich betrieben wird. Beispielsweise können extreme Temperaturen die Leistung von Kunststoffkomponenten und die Schmierung im System beeinträchtigen, während Schmutz, Flüssigkeiten und andere Verunreinigungen die Lagerlaufbahnen und tragenden Elemente beschädigen können.

Dieser Leistungsfaktor wird oft übersehen, kann aber die Lebensdauer eines Linearbewegungssystems erheblich beeinflussen. Optionen wie Dichtungsstreifen und Spezialbeschichtungen helfen, Schäden durch Umwelteinflüsse zu verhindern. Darüber hinaus ermöglichen Optionen wie Spezialschmierung und Überdruck den Einsatz des Moduls oder Aktuators in Reinräumen.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Welche Gefahren oder Verunreinigungen sind vorhanden – extreme Temperaturen, Schmutz, Staub, Flüssigkeiten usw.?
• Umgekehrt stellt das Linearbewegungssystem selbst eine potenzielle Quelle für Umweltverschmutzungen dar (ESD, Schmierstoffe oder Partikel)?

ARBEITSZYKLUS

Die Betriebsdauer bezeichnet die Zeitspanne, die für einen vollständigen Arbeitszyklus benötigt wird. Bei allen Linearantrieben bestimmen die internen Komponenten im Allgemeinen die Lebensdauer des Gesamtsystems. Die Lagerlebensdauer in einem Modul wird beispielsweise direkt von der aufgebrachten Last und der Betriebsdauer beeinflusst. Ein Linearantriebssystem kann zwar die sechs genannten Faktoren erfüllen, aber bei Dauerbetrieb (24/7) ist seine Lebensdauer deutlich kürzer als bei einem Betrieb von nur acht Stunden täglich an fünf Tagen in der Woche. Das Verhältnis von Betriebs- zu Ruhezeit beeinflusst die Wärmeentwicklung im Linearantriebssystem und wirkt sich direkt auf dessen Lebensdauer und Betriebskosten aus. Die frühzeitige Klärung dieser Punkte spart später Zeit und Ärger, da Verschleißteile wie Riemen problemlos für den Austausch vorrätig gehalten werden können.

WICHTIGE FRAGEN, DIE SIE STELLEN SOLLTEN:

• Wie häufig wird das System genutzt, einschließlich etwaiger Pausen zwischen den Schlägen oder Bewegungen?
• Wie lange muss das System funktionieren?

EIN LETZTER RAT

Zusätzlich zu LOSTPED sollten Konstrukteure einen renommierten Händler oder die Anwendungstechnikabteilung des Herstellers konsultieren. Diese verfügen in der Regel über Erfahrung mit Hunderten von Anwendungen, von denen viele der vorliegenden Anwendung ähneln. Daher können sie durch die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme viel Zeit sparen und kostensparende Vorschläge unterbreiten. Schließlich geht es darum, das bestmögliche Linearbewegungssystem mit den niedrigsten Gesamtbetriebskosten zu erhalten; qualifizierte Anwendungstechniker, die mit LOSTPED vertraut sind, können sicherstellen, dass ihre Kunden genau das bekommen.