Wie kann „LOSTPED“ helfen?

Von der Verpackung und Materialhandhabung bis hin zur Halbleiterfertigung und Automobilmontage umfassen praktisch alle Fertigungsprozesse irgendeine Art von linearer Bewegung, und da Hersteller mit der Flexibilität und Einfachheit modularer linearer Bewegungssysteme vertraut werden, werden diese Systeme – ob ein-, zwei- oder komplett Dreiachsige kartesische Robotiksysteme halten Einzug in Produktionsbereiche.

Ein häufiger Fehler, den Ingenieure und Designer bei der Dimensionierung und Auswahl von Linearbewegungssystemen machen, besteht darin, kritische Anwendungsanforderungen im endgültigen System zu übersehen. Dies kann im schlimmsten Fall zu kostspieligen Neukonstruktionen und Überarbeitungen führen, oft aber auch zu einem überentwickelten System führen, das teurer und weniger effektiv ist als gewünscht. Bei so vielen möglichen Lösungen ist man leicht überfordert, wenn man mit der Entwicklung eines linearen Bewegungssystems beauftragt wird. Wie viel Last muss das System bewältigen? Wie schnell muss es sich bewegen? Welches ist das kostengünstigste Design?

All diese und weitere Fragen wurden berücksichtigt, als die Linear Motion and Assembly Technologies-Gruppe von Bosch Rexroth „LOSTPED“ entwickelte, ein einfaches Akronym, das den Ingenieur oder Designer beim Sammeln der Informationen unterstützt, die zur Spezifikation der geeigneten Linearbewegungskomponenten oder -module in einer bestimmten Anwendung erforderlich sind.

WAS IST VERLOREN?

LOSTPED steht für Load, Orientation, Speed, Travel, Precision, Environment und Duty Cycle. Jeder Buchstabe des Akronyms LOSTPED stellt einen Faktor dar, der bei der Dimensionierung und Auswahl eines Linearbewegungssystems berücksichtigt werden muss. Beispielsweise stellt die Belastung beim Beschleunigen und Abbremsen andere Anforderungen an das Lagersystem als bei Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Je mehr Linearbewegungslösungen von Einzelkomponenten zu kompletten Linearmodulen oder kartesischen Systemen übergehen, desto komplexer werden die Wechselwirkungen zwischen Systemkomponenten – z. B. Linearlagerführungen und Kugelumlaufspindel-, Riemen- oder Linearmotorantrieben – und die Entwicklung des richtigen Systems wird immer anspruchsvoller . Das Akronym LOSTPED kann Designern helfen, Fehler zu vermeiden, indem es sie einfach daran erinnert, alle miteinander verbundenen Faktoren bei der Systementwicklung und -spezifikation zu berücksichtigen.

ANWENDUNG VON LOSTPED

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

LADEN

Unter Last versteht man das Gewicht oder die Kraft, die auf das System ausgeübt wird. Alle linearen Bewegungssysteme unterliegen irgendeiner Art von Belastung, wie z. B. Abwärtskräften bei Materialhandhabungsanwendungen oder Schubbelastungen bei Bohr-, Press- oder Schraubanwendungen. Andere Anwendungen unterliegen einer konstanten Belastung, beispielsweise bei der Handhabung von Halbleiterwafern, bei der ein FOUP (Front-Opening Unified Pod) zur Abgabe und Abholung von Bucht zu Bucht transportiert wird. Ein dritter Typ wird durch unterschiedliche Belastungen definiert, beispielsweise bei einer medizinischen Abgabeanwendung, bei der das Reagenz nacheinander in eine Reihe von Pipetten gegeben wird, was bei jedem Schritt zu einer geringeren Belastung führt.

Bei der Betrachtung der Last lohnt es sich auch, einen Blick darauf zu werfen, welches Werkzeug sich am Ende des Arms befindet, um die Last aufzunehmen oder zu tragen. Obwohl dies nicht speziell mit der Belastung zusammenhängt, können Fehler hier kostspielig sein. Wird beispielsweise bei einer Pick-and-Place-Anwendung ein hochempfindliches Werkstück aufgenommen, kann es bei Verwendung des falschen Greifertyps zu Beschädigungen kommen.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Woher kommt die Belastung und wie ist sie ausgerichtet?
• Gibt es besondere Handhabungsaspekte?
• Wie viel Gewicht bzw. Kraft muss bewältigt werden?
• Handelt es sich bei der Kraft um eine Abwärtskraft, eine Abhebekraft oder eine Seitenkraft?

ORIENTIERUNG

Die Ausrichtung bzw. relative Position oder Richtung, in der die Kraft ausgeübt wird, ist ebenfalls wichtig, wird jedoch häufig übersehen. Einige Arten von Linearmodulen oder Aktuatoren können aufgrund des im Moduldesign verwendeten linearen Führungssystems eine höhere Abwärts-/Aufwärtsbelastung als eine seitliche Belastung bewältigen. Andere Module, die andere Linearführungen verwenden, können die gleichen Lasten in alle Richtungen aufnehmen.

Das Rexroth-Kompaktmodul CKK beispielsweise verwendet ein doppeltes Kugelschienensystem zur Führung und wird häufig bei Anwendungen eingesetzt, bei denen seitliche oder axiale Lasten erforderlich sind. Da die meisten Anbieter hochwertiger Linearantriebe Module und Aktuatoren für verschiedene Situationen herstellen, ist es wichtig sicherzustellen, dass die angegebenen Module die Lastanforderungen in der für den Erfolg der Anwendung erforderlichen Ausrichtung bewältigen können.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Wie ist das Linearmodul bzw. der Aktor ausgerichtet?
• Liegt es horizontal, vertikal oder auf dem Kopf?
• Wo ist die Last relativ zum Linearmodul ausgerichtet?
• Verursacht die Belastung ein Roll- oder Nickmoment am Linearmodul?

GESCHWINDIGKEIT

Auch Geschwindigkeit und Beschleunigung beeinflussen die Auswahl eines Linearbewegungssystems. Eine aufgebrachte Last erzeugt beim Beschleunigen und Abbremsen ganz andere Kräfte auf das System als bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Auch die Art des Bewegungsprofils – trapezförmig oder dreieckig – muss berücksichtigt werden, da die zum Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit oder Zykluszeit erforderliche Beschleunigung durch die Art der erforderlichen Bewegung bestimmt wird. Ein trapezförmiges Bewegungsprofil bedeutet, dass die Last schnell beschleunigt, sich eine Zeit lang mit relativ konstanter Geschwindigkeit bewegt und dann langsamer wird. Ein dreieckiges Bewegungsprofil bedeutet, dass die Last schnell beschleunigt und abgebremst wird, wie bei Punkt-zu-Punkt-Aufnahme- und -Abgabeanwendungen. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind ebenfalls entscheidende Faktoren bei der Auswahl des geeigneten Linearantriebs, bei dem es sich typischerweise um eine Kugelumlaufspindel, einen Riemen oder einen Linearmotor handelt.

WICHTIGSTE FRAGEN:

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

REISEN

Unter Reisen versteht man die Entfernung oder den Bewegungsbereich. Dabei muss nicht nur der Verfahrweg berücksichtigt werden, sondern auch der Nachlaufweg. Durch das Zulassen eines gewissen „Sicherheitswegs“ oder zusätzlichen Raums am Ende des Hubs wird die Sicherheit des Systems im Falle eines Notstopps gewährleistet.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Wie groß ist die Entfernung (Bewegungsbereich)?
• Wie viel Nachlauf kann bei einem Notstopp erforderlich sein?

PRÄZISION

Präzision ist ein weit gefasster Begriff, der häufig verwendet wird, um entweder die Fahrgenauigkeit (wie sich das System bei der Bewegung von Punkt A nach Punkt B verhält) oder die Positionierungsgenauigkeit (wie nah das System die Zielposition erreicht) zu definieren. Es kann sich auch auf Wiederholbarkeit beziehen. Das Verständnis des Unterschieds zwischen diesen drei Begriffen – Verfahrgenauigkeit, Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit – ist oft entscheidend, um sicherzustellen, dass das System die Leistungsspezifikationen erfüllt und dass das System nicht einen hohen Grad an Genauigkeit überkompensiert, der möglicherweise unnötig ist.

Der Hauptgrund, die Präzisionsanforderungen zu überdenken, ist die Wahl des Antriebsmechanismus: Riemenantrieb, Kugelumlaufspindel oder Linearmotor. Jeder Typ bietet Kompromisse zwischen Präzision, Geschwindigkeit und Tragfähigkeit, und die beste Wahl wird hauptsächlich von der Anwendung bestimmt.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Wie wichtig sind Verfahrgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Anwendung?
• Ist Präzision wichtiger als Geschwindigkeit oder andere LOSTPED-Faktoren?

UMFELD

Unter Umgebung versteht man die Umgebungsbedingungen, 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 Schäden an den Lagerlaufbahnen und lasttragenden Elementen verursachen können.

Dies ist ein oft übersehener Leistungsfaktor, der jedoch die Lebensdauer eines Linearbewegungssystems stark beeinflussen kann. Optionen wie Dichtungsstreifen und spezielle Beschichtungen können helfen, Schäden durch diese Umwelteinflüsse zu verhindern. Darüber hinaus können Optionen wie spezielle Schmierung und positiver Luftdruck das Modul oder den Aktuator für den Einsatz in einer Reinraumanwendung geeignet machen.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Welche Arten von Gefahren oder Verunreinigungen bestehen – extreme Temperaturen, Schmutz, Staub, Flüssigkeiten usw.?
• Ist umgekehrt das lineare Bewegungssystem selbst eine potenzielle Quelle von Schadstoffen für die Umwelt (ESD, Schmierstoffe oder Partikel)?

LEISTUNGSZYKLUS

Der Arbeitszyklus ist die Zeit, die benötigt wird, um einen Betriebszyklus abzuschließen. Bei allen Linearantrieben bestimmen im Allgemeinen die internen Komponenten die Lebensdauer des endgültigen Systems. Die Lebensdauer eines Lagers innerhalb eines Moduls wird beispielsweise direkt von der aufgebrachten Last und der Einschaltdauer des Lagers beeinflusst. Ein lineares Bewegungssystem mag zwar in der Lage sein, die oben genannten sechs Faktoren zu erfüllen, aber wenn es ununterbrochen rund um die Uhr läuft, geht es viel früher kaputt, als wenn es nur acht Stunden am Tag, fünf Tage die Woche läuft. Die Dauer der Nutzung im Vergleich zur Ruhezeit beeinflusst die Wärmeentwicklung innerhalb des Linearbewegungssystems und wirkt sich direkt auf die Systemlebensdauer und die Betriebskosten aus. Die vorherige Klärung dieser Fragen kann später Zeit und Ärger ersparen, da Verschleißteile wie Riemen problemlos für den Austausch bevorratet werden können.

WICHTIGSTE FRAGEN:

• Wie oft wird das System verwendet, einschließlich der Verweildauer zwischen Schlägen oder Bewegungen?
• Wie lange muss das System halten?

EINIGE ABSCHLIEßENDE HINWEISE

Zusätzlich zu LOSTPED sollten Designer einen seriösen Händler oder die Anwendungstechnikabteilung des Herstellers konsultieren. Diese Ressourcen verfügen in der Regel über Erfahrung mit Hunderten von Anwendungen, von denen viele der vorliegenden Anwendung ähneln. Daher können sie möglicherweise viel Zeit sparen und Vorschläge zur Kosteneinsparung machen, indem sie potenzielle Probleme vorhersehen. Schließlich besteht das Endziel darin, das bestmögliche Linearbewegungssystem mit den niedrigsten Betriebskosten zu erhalten. Erfahrene Anwendungstechniker, die mit LOSTPED vertraut sind, können dafür sorgen, dass ihre Kunden genau das bekommen.