Der beste Ansatz zur Spezifizierung und Dimensionierung von Linearführungen besteht darin, zunächst die wichtigsten Parameter der Anwendung zu definieren, die Auswahlmöglichkeiten anhand dieser Anforderungen einzugrenzen und dann kritische Variablen anzuwenden, um die endgültige Auswahl der Linearführung zu treffen.

Zunächst die Grundlagen:Linearführungen, -schienen und -schlitten sind mechanische Systeme aus Schienen und Lagern, die Lasten entlang einer linearen Bahn mit geringem Reibungskoeffizienten führen und transportieren. Sie werden üblicherweise in Wälzlager- und Gleitlagerführungen unterteilt. Da zahlreiche Formen und Größen verschiedener Hersteller für spezifische technische Anforderungen erhältlich sind, bestimmt Ihre individuelle Anwendung die Liste der zu berücksichtigenden Parameter sowie deren Prioritätsreihenfolge.

Zu den gängigsten Führungsschienen und Lagertypen zählen Profilschienen (Vierkantschienen) mit Kugelumlaufbuchsen, Rollenlagerführungen und Rundschienen mit Kugelumlaufbuchsen oder Gleitbuchsen. Profilschienen eignen sich für Anwendungen, die höchste Steifigkeit und Präzision erfordern, wie beispielsweise Werkzeugmaschinenköpfe und Präzisionsbewegungen von Leiterplatten. Rollenlagersysteme sind für ein breiteres Anwendungsspektrum vorgesehen, etwa zum Heben und Transportieren von Teilen oder für Pick-and-Place-Anwendungen.

Um die für eine Anwendung optimalen Schienen auszuwählen, analysieren Sie zunächst die spezifischen Systemanforderungen. Berücksichtigen Sie anschließend die Kundenvorgaben bzw. Programmrichtlinien, einschließlich der Achsenanzahl, Wiederholgenauigkeit, Toleranz und erforderlichen Genauigkeit für das Endergebnis. Abschließend müssen Sie Umwelteinflüsse wie Staub, Wasser, Fasern und andere Substanzen einbeziehen.

Bei jedem System bestimmt die Betriebsumgebung die Art der benötigten Lager. Beispielsweise können verschmutzte Umgebungen die Lager verunreinigen und die ordnungsgemäße Funktion der Kugelumlaufbahnen beeinträchtigen. Bei Wälzlagern ist die Verunreinigung besser zu handhaben, da die Wälzkörper in der Regel größer sind. Gleitlager eignen sich für Anwendungen, bei denen eine Oberflächenschmierung nicht empfohlen wird oder nicht mit der Umgebung in Kontakt kommen darf, wie beispielsweise in bestimmten Forschungslaboren oder Siliziumchip-Fertigungsanlagen.

Nach der Systemauswahl müssen die Parameter für die korrekte Dimensionierung zusammengestellt werden. Für jede Bewegung in einem Linearführungssystem sind folgende Parameter zu berücksichtigen: Hub, Last, Geschwindigkeit, Betriebsdauer, Montagefläche und Montageausrichtung.

Dimensionierung des Linearführungssystems

Die statische Last setzt sich aus dem Gewicht des Sattels, der Aufnahmevorrichtung, der Nutzlast und der Lager zusammen. Bei einer typischen Doppelschienen- und Vierwagenkonstruktion, bei der 40,0 lb horizontal in Längs- und Querrichtung zentriert sind, beträgt die statische Last auf jedem Lagerblock 10,0 lb.

Schlitten gibt es in zwei Grundtypen: Sattel- und Kragarmschlitten. Der standardmäßige, horizontal gelagerte Sattelschlitten verwendet einen Sattel oder Block, der sich zwischen zwei festen Endblöcken bewegt. Beim Kragarmschlitten bleiben Hauptkörper und Zylinder statisch, während die Werkzeugplatte aus- und eingefahren wird. Eine weitere Anwendung von Kragarmschlitten besteht bei der vertikalen Lastbewegung. Mit einer Schiene und zwei Schlitten können beide Lagerschlitten radial gleichmäßig belastet werden. Zur Dimensionierung des Lagers oder Schlittens wird die Gesamtlast des statisch am stärksten beanspruchten Schlittens typischerweise als Worst-Case-Szenario festgelegt.

Bei der Dimensionierung der Lager ist der Lastparameter und sein Abstand zum Schwerpunkt (SP) bzw. Massenmittelpunkt zu berücksichtigen. Die Last bezeichnet das Gewicht oder die Kraft, die auf das System wirkt und sowohl statische als auch dynamische Belastungen umfasst. Die statische Last setzt sich aus dem Gewicht des Sattels, der Aufnahmevorrichtung, der Nutzlast und der Lager zusammen. Die dynamische (oder kinetische) Last muss die auf den lagerbelasteten Sattel wirkenden Kräfte in Wechselwirkung berücksichtigen. Normalerweise stellt diese Last eine Torsionsbelastung für die Lager dar. Der SP des Sattels liefert einen einzelnen Lastwert in einem bestimmten Abstand von den Lagerzentren.

Diese dynamischen und statischen Belastungswerte lassen sich in radiale (Corad), axiale (Coax), Drehmomente um die X-Achse (Mx), Drehmomente um die Y-Achse (My) und Drehmomente um die Z-Achse (Mz) unterteilen. Die Variablen können dann in nahezu jeder Anwendung zur Lagerauslegung verwendet werden, um die passende Lagergröße zu bestimmen. Belastungswerte werden üblicherweise in Pfund (lb) oder Newton (N) für statische und in Zoll-Pfund (in.-lb) oder Newtonmeter (Nm) für dynamische Belastungen angegeben.

Die Schwerpunkte der einzelnen Lasten liegen relativ zum Mittelpunkt des Führungssystems bzw. der Lagerzentren. Der Schwerpunkt der Gesamtmasse hat einen Abstand von 1,5 Zoll (60 in.-lb/40 lb) zu den Führungsschienen. Die Lager müssten ein Drehmoment von 60 in.-lb aufnehmen, insbesondere bei schnellen Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgängen des Sattels.

Geschwindigkeit:Die Geschwindigkeit ist ein entscheidender Faktor, da sich die einwirkenden Lasten bei Beschleunigung und Verzögerung anders auf das System auswirken als bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit wird üblicherweise in Zoll/s oder dem metrischen Äquivalent in m/s angegeben. Faktoren wie die Art des Bewegungsprofils bestimmen die Beschleunigung, die erforderlich ist, um die gewünschte Geschwindigkeit oder Zykluszeit zu erreichen. Bei einem trapezförmigen Bewegungsprofil beschleunigt die Last schnell und bewegt sich dann mit konstanter Geschwindigkeit, bevor sie abbremst. Ein dreieckiges Bewegungsprofil hingegen beschleunigt und verzögert schnell. Darüber hinaus müssen bei der Berechnung der Anwendungsgeschwindigkeit die maximale Bewegungsgeschwindigkeit sowie die Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt werden, die erforderlich sind, um die Gesamtzeit für eine Bewegung zu erreichen.

Arbeitszyklus:Der Tastgradparameter muss die vollständige Bewegung des Sattels über einen kompletten Zyklus berücksichtigen. Dieser entspricht meist dem doppelten Hub zuzüglich Leerlaufzeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne. Der Hub ist die Länge der gesamten Bewegung in eine Richtung entlang einer linearen Bahn. Typischerweise wird der Tastgradparameter als Anzahl der erforderlichen Zyklen pro Minute angegeben.

Montagebereich:Die Montagefläche für die Führungsschiene und die Sattellager bestimmt die Gesamtlänge (GL) und den Schienenabstand des Führungssystems. In den meisten Anwendungen ist es ratsam, eine möglichst große Auflagefläche für die Lager zu berücksichtigen. Sofern keine Teleskop-Linearführungen verwendet werden, die ähnlich wie einfache Schubladenschienen funktionieren, muss die GL der Führungsschiene sowohl den Hub der Linearbewegung als auch die Auflagefläche der Lager umfassen.

Der Montagebereich muss auch das Substrat oder die Rahmenkonstruktion für die Führungsschiene berücksichtigen. Die Lagerauflagefläche ist der Abstand von der Vorderkante eines Schlittens zur Hinterkante des entferntesten Schlittens entlang einer Linearführung. Viele Profilwellen müssen auf vollständig bearbeiteten und geschliffenen Oberflächen montiert werden, um die Anforderungen des Programms an die Präzision zu erfüllen. Andere Konstruktionen können direkt auf Aluminium- oder Rohrrahmenkonstruktionen aufgebracht werden, ohne dass die Tragfähigkeit oder Steifigkeit beeinträchtigt wird.

Orientierung:Die Montageausrichtung der Führungsbahnen ist entscheidend für die Einstellung der Belastungsparameter, da sich der Sattel horizontal, vertikal, entlang einer Wandhalterung oder sogar in umgekehrter Position bewegen kann. Für optimale Leistung sollte die Belastung der Anwendung über den stärksten Teil des Lagersystems erfolgen. Beispielsweise sollte der Radialkugelgleiter so ausgerichtet sein, dass er die Last radial und nicht axial aufnimmt.

Treffen Sie nun eine Auswahl für eine Linearführung.

Dies ist ein Beispiel für eine Anwendung in einer Umgebung mit normaler, leichter Staubbelastung, die mittlere Wiederholgenauigkeit erfordert. Aufgrund dieser beiden Faktoren wird ein vorgespanntes Wälzlagersystem mit Laufbahnen aus gehärtetem Stahl gewählt. Es ermöglicht hohe Laufgeschwindigkeiten und eine lange Lebensdauer, ohne die maximale Tragfähigkeit auszuschöpfen.

Im Allgemeinen sollten Gleitlager bei einer 1-Zoll-Führungsschiene eine Geschwindigkeit von maximal 20 Zoll/s, Kugelumlauflager maximal 80 Zoll/s und Rollenlager maximal 200 Zoll/s erreichen. Um den vollen Hub von 118 Zoll in 3 Sekunden zu realisieren, beschleunigen und verzögern wir jeweils 6 Zoll in 0,5 Sekunden. Dadurch ergibt sich ein Hub von 106 Zoll und die Zielzeit von 2 Sekunden. Jede Führungsschiene muss mindestens 162 Zoll lang sein, da der Hub 118 Zoll und die Sattellänge in Längsrichtung der Führungsschiene 44 Zoll beträgt. Gelegentlich ist es sinnvoll, an jedem Ende des Hubs ein bis zwei Zoll zusätzlichen Platz für Endschalter, Stoßdämpfer oder Sensoren einzuplanen.

Jedes Lager wird gleichmäßig mit 100 lb belastet, da die Lager an jeder Ecke des Sattels montiert sind und der Schwerpunkt der Masse mittig in Längs- und Querrichtung liegt. Jeder Lagerwagen kann eine maximale Radialbelastung von 500 lb aufnehmen. Da die Lager nur zu 20 bis 50 % ihrer Gesamtkapazität belastet werden, wird hier eine ausreichende Lebensdauer angenommen.