Der beste Ansatz zum Spezifizieren und Bemessen von Linearschienen besteht darin, zunächst die wichtigsten Parameter der Anwendung zu definieren, die Auswahl anhand dieser Anforderungen einzugrenzen und dann die entscheidenden Variablen anzuwenden, um die endgültige Auswahl der Linearschiene zu treffen.

Zuerst die Grundlagen:Linearführungen, Führungsbahnen und Schlitten sind mechanische Systeme aus Schienen und Lagern, die physikalische Lasten mit geringem Reibungskoeffizienten entlang einer linearen Bahn tragen und bewegen. Sie werden üblicherweise als Wälzkörper- oder Gleitlagertypen klassifiziert. Da viele Formen und Größen verschiedener Hersteller für spezifische technische Anforderungen erhältlich sind, bestimmt Ihre individuelle Anwendung die Liste der zu berücksichtigenden kritischen Parameter sowie deren Wichtigkeit.

Zu den gängigsten Führungs- und Lagerarten gehören Profilschienen (Vierkantschienen) mit Kugelumlaufblöcken, Führungen für Rollenlager und Rundschienen mit Kugelumlaufbuchsen oder Gleitbuchsen. Profilschienen eignen sich für Anwendungen, die außergewöhnliche Steifigkeit und Präzision erfordern, wie beispielsweise Werkzeugmaschinenköpfe und Präzisionsbewegungen von Leiterplatten. Rollenlagersysteme eignen sich für ein breiteres Anwendungsspektrum, beispielsweise zum Heben und Transportieren von Teilen oder für Pick-and-Place-Anwendungen.

Um die optimale Schienenlösung für eine Anwendung auszuwählen, analysieren Sie zunächst die spezifischen Systemanforderungen. Informieren Sie sich anschließend über die Kundenanforderungen oder Programmrichtlinien, einschließlich der Anzahl der Achsen, der Wiederholgenauigkeit, der Toleranz und der erforderlichen Genauigkeit für das Endergebnis. Berücksichtigen Sie abschließend Umweltbelastungen wie Staub, Wasser, Fasern und andere Substanzen.

Die Betriebsumgebung bestimmt bei jedem System die Wahl des Lagertyps. Beispielsweise können verschmutzte Umgebungen die Baugruppe verunreinigen und die ordnungsgemäße Funktion der Kugelumlaufbahnen beeinträchtigen. Bei Rollensystemen ist die Verschmutzung aufgrund der in der Regel größeren Wälzkörper leichter zu kontrollieren. Gleitlager eignen sich für Anwendungen, bei denen Oberflächenkontaktschmierung nicht empfohlen wird oder nicht der Umgebung ausgesetzt werden kann, wie beispielsweise in bestimmten Forschungslabors oder Fertigungsanlagen für Siliziumchips.

Nachdem Sie ein System ausgewählt haben, stellen Sie die Parameter zusammen, um es optimal zu dimensionieren. Berücksichtigen Sie für jede Bewegung in einem Linearführungssystem die folgenden Parameter: Hub, Last, Geschwindigkeit, Einschaltdauer, Montagebereich und Montageausrichtung.

Dimensionierung des Linearführungssystems

Die statische Belastung setzt sich aus dem Gewicht des Sattels, der Nestvorrichtung, der Nutzlast und der Lager zusammen. Wenn 40,0 lb (ca. 18 kg) in einem typischen Doppelschienen- und Vierschlittensatz horizontal vorne/hinten und von links nach rechts zentriert sind, würde jeder der Lagerblöcke statisch mit 10,0 lb (ca. 4,5 kg) belastet.

Schlitten gibt es in zwei Grundtypen: Sattelschlitten und Auslegerschlitten. Der standardmäßige, horizontal gelagerte Sattelschlitten verwendet einen Sattel oder Block, der sich zwischen zwei festen Endblöcken bewegt. Beim Auslegerschlitten bleiben Hauptkörper und Zylinder statisch, während die Werkzeugplatte aus- und einfährt. Eine zweite Auslegeranwendung bietet sich beim vertikalen Bewegen von Lasten an. Mit einer Schiene und zwei Schlitten können beide Lagerschlitten radial gleichmäßig belastet werden. Zur Dimensionierung des Lagers oder Schlittens wird typischerweise die Gesamtlast des statisch am stärksten beanspruchten Schlittens als Worst-Case-Szenario angenommen.

Berücksichtigen Sie bei der Dimensionierung der Lager den Lastparameter und dessen Abstand zum Schwerpunkt. Unter Last versteht man das auf das System einwirkende Gewicht bzw. die Kraft, die sowohl die statische als auch die dynamische Belastung umfasst. Die statische Belastung umfasst das Gewicht von Sattel, Nestvorrichtung, Nutzlast und Lagern. Die dynamische (oder kinetische) Belastung muss die einwirkenden Kräfte berücksichtigen, die auf den lagerbelasteten Sattel einwirken. Normalerweise würde diese Belastung eine Torsionsbelastung der Lager darstellen. Der Schwerpunkt des Sattels stellt einen einzelnen Lastwert in einiger Entfernung von den Lagermitten dar.

Diese dynamischen und statischen Belastungswerte können dann als radial (Corad), axial (Coax), Drehmoment um die X-Achse (Mx), Drehmoment um die Y-Achse (My) und Drehmoment um die Z-Achse (Mz) organisiert werden. Die Variablen können dann in nahezu jeder Lagerdimensionierungsanwendung verwendet werden, um die passende Schlittengröße auszuwählen. Belastungswerte werden üblicherweise in lb oder Newton (N) für statische Belastungen und in in.-lb oder Newtonmeter (Nm) für dynamische Belastungen angegeben.

Die Schwerpunkte der einzelnen Lasten liegen relativ zum Mittelpunkt des Führungssystems bzw. der Lagermitten. Die Gesamtmasse hat einen Schwerpunktabstand von 1,5 Zoll (60 in.-lb/40 lb) zu den Führungsschienen. Die Lager müssen ein Drehmoment von 60 in.-lb bewältigen, insbesondere bei schneller Beschleunigung oder Verzögerung des Schlittens.

Geschwindigkeit:Die Geschwindigkeit ist entscheidend, da die eingesetzten Lasten das System bei Beschleunigung und Verzögerung anders beeinflussen als bei 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 erforderliche Beschleunigung zum Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit oder Zykluszeit. Bei einem trapezförmigen Bewegungsprofil beschleunigt die Last schnell und bewegt sich dann mit konstanter Geschwindigkeit, bevor sie wieder langsamer wird. Bei einem dreieckigen Bewegungsprofil hingegen erfolgt eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der Anwendungsgeschwindigkeit außerdem die maximale Bewegungsgeschwindigkeit sowie die Beschleunigung und Verzögerung, die zum Erreichen des Gesamtzeitpunkts einer Bewegung erforderlich sind.

Arbeitszyklus:Der Arbeitszyklusparameter muss die gesamte Bewegung des Schlittens über einen vollständigen Zyklus berücksichtigen. Dieser entspricht meist dem doppelten Hub plus Leerlaufvorgängen in einer gewünschten Zeitspanne. Der Hub der Anwendung ist die Länge der gesamten Bewegung in eine Richtung entlang eines linearen Pfades. Typischerweise wird der Arbeitszyklusparameter als Anzahl der benötigten Zyklen pro Minute angegeben.

Montagebereich:Der Montagebereich für Führungsschiene und Sattellager bestimmt die Gesamtlänge (Länge) und den Schienenabstand des Führungssystems. In den meisten Anwendungen empfiehlt es sich, den größtmöglichen Platzbedarf für die Lager zu berücksichtigen. Sofern Sie keine Teleskop-Linearlager verwenden, die ähnlich wie einfache Schubladenführungen funktionieren, muss die Gesamtlänge der Führungsschiene den Hub der Linearbewegung sowie den Lagerplatzbedarf berücksichtigen.

Bei der Wahl des Montagebereichs muss auch der Untergrund oder das Rahmensystem zur Aufnahme der Führung berücksichtigt werden. Der Lagerabdruck ist der Abstand zwischen der Vorderseite eines Schlittens und der Rückseite des am weitesten entfernten Schlittens entlang einer linearen Führung. Viele Profilwellen müssen auf vollständig bearbeiteten und geschliffenen Oberflächen montiert werden, um die Präzisionsanforderungen des Programms zu erfüllen. Andere Konstruktionen können direkt auf Strukturaluminium oder Rohrrahmen aufgebracht werden, ohne dass dabei an Tragfähigkeit oder Steifigkeit eingebüßt wird.

Orientierung:Die Einbaulage der Führungen ist entscheidend für die Festlegung der Belastungsparameter, da sich der Schlitten horizontal, vertikal, entlang einer Wandhalterung oder sogar in umgekehrter Position bewegen kann. Für optimale Leistung sollte die Belastung der Anwendung mit dem stärksten Teil des Lagersystems gesteuert werden. Beispielsweise sollte der Radialkugellagerschlitten so ausgerichtet sein, dass er die Last radial und nicht axial trägt.

Treffen Sie nun eine Linearführungsauswahl

Dies ist ein Anwendungsbeispiel in einer Umgebung mit normaler, leicht staubiger Belastung und mittlerer Wiederholgenauigkeit. Aus diesen beiden Gründen wurde ein vorgespanntes Wälzlagersystem mit gehärteten Stahllaufbahnen gewählt. Die Drehzahl ist hoch und die Lebensdauer kann verlängert werden, ohne die maximale Kapazität auszuschöpfen.

Bei einer 1-Zoll-Führungsbahn sollten Gleitlager im Allgemeinen 20 Zoll/s, Kugelumlaufsysteme 80 Zoll und Rollen etwa 200 Zoll/s nicht überschreiten. Um den vollen Hub von 118 Zoll in 3 s zu erreichen, beschleunigen und verzögern wir jeweils 6 Zoll in 0,5 s. Dies würde einen Hub von 106 Zoll und 2 s zum Erreichen der Zielzeit ermöglichen. Jede Führung muss mindestens 162 Zoll lang sein, da der Hub 118 Zoll und die Sattellänge entlang der Führung 44 Zoll beträgt. Manchmal ist es sinnvoll, an jedem Ende des Hubs ein oder zwei Zoll zusätzlich für Endschalter, Stoßdämpfer oder Sensoren einzuplanen.

Jedes Lager wird gleichmäßig mit 45 kg belastet, da die Lager an jeder Ecke des Sattels montiert sind und der Schwerpunkt der Masse vorne/hinten und links/rechts zentriert ist. Jeder Lagerwagen kann eine maximale radiale Belastung von 227 kg aufnehmen, sodass hier eine ausreichende Lebensdauer berechnet wird, da die Lager im Bereich von 20 bis 50 % der Gesamtkapazität belastet werden.