Durch Befolgen einiger einfacher Richtlinien für die Konstruktion linearer Bewegungssysteme können Sie die Systemleistung und die Lebensdauer des Antriebs verbessern.

Viele automatisierte Maschinen nutzen lineare Führungskomponenten wie Profilschienen, Rundschienen oder andere Wälz- oder Gleitlagerstrukturen, um die beweglichen Elemente der Anlage zu führen und zu stützen. Zusätzlich werden diese beweglichen Elemente häufig durch eine Art Linearantrieb angetrieben.

Eines der häufigsten Probleme bei Linearsystemen aller Art ist die Fehlausrichtung. Sie kann zu zahlreichen Problemen führen, wie z. B. inkonsistenten Linearbewegungsergebnissen, verkürzter Lebensdauer des Linearlagersystems, vorzeitigem Verschleiß oder Ausfall des Antriebssystems und unregelmäßigen Bewegungen wie Geschwindigkeitsschwankungen oder Wackeln.

Es gibt jedoch einige gängige Methoden, die Gesamtleistung des Systems durch Optimierung der Ausrichtung der Linearführung und des Antriebs zu verbessern.

Aktuatoren und Führungen

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, ein geführtes Maschinenelement in Bewegung zu versetzen. Die gängigsten lassen sich jedoch in zwei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie sind Stangenantriebe. Stangenantriebe können entweder flüssigkeitsbetrieben sein, beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch, oder elektrisch, beispielsweise Leitspindeln oder Kugelumlaufspindeln.

Die zweite Möglichkeit sind kolbenstangenlose Aktuatoren. Auch diese können entweder flüssigkeits- oder elektrisch über eine Leitspindel, Kugelumlaufspindel, einen Riemen oder einen Linearmotor angetrieben werden. Beide Aktuatorarten finden Anwendung in geführten Systemen. Allerdings gibt es bei beiden subtile Unterschiede in der optimalen Anwendung, um die Systemleistung und -lebensdauer zu maximieren.

Die Führungselemente selbst, ob Profilschienen, Rundschienen oder andere Roll- oder Gleitsysteme, müssen bereits in der Konstruktionsphase richtig dimensioniert und ausgewählt und gemäß den Empfehlungen des Herstellers eingebaut werden. Dabei ist insbesondere auf die Ausrichtung zu achten. Nur so wird die Leistung des ausgewählten Führungssystems für die jeweilige Anwendung maximiert.

Bedeutung von Compliance-Mitgliedern

Stangenantriebe, deren Kolbenstange bzw. Antriebsstange bei jedem Zyklus aus- und einfährt, bieten typischerweise verschiedene Montagemöglichkeiten. Die meisten Anbieter von Stangenantrieben bieten Montagemöglichkeiten wie Bohrungen und Gewindebohrungen im Gerät, Montagefüße, Kugelgelenke, Ausrichtkupplungen, Gabelköpfe oder Zapfen an. Beim Einsatz mit einem geführten Mechanismus ist darauf zu achten, dass jedes Subsystem, jeder Antrieb und jede Führungsbaugruppe ungehindert und gleichmäßig bewegt werden kann. Systeme, bei denen Antriebselement und Abtriebselement starr gekoppelt sind, können inkonsistente Leistung aufweisen, da sich beide Elemente in getrennten Ebenen bewegen und eines oder beide Subsysteme über ihre Kapazitäten hinaus belastet werden.

Ein stangenförmiger Aktuator in einem solchen System wird am besten mit einem nachgiebigen Element zwischen Antriebselement (Aktuator) und angetriebenem Element (Führungssystem) eingesetzt. Beispielsweise ermöglicht ein kugelförmiges Stangenende, das an der Aktuatorstange montiert ist, die Schwenkbarkeit des Befestigungspunkts um das Kugelgelenk. Diese Art der Verbindung an der Führung wird am besten in Verbindung mit einem Zapfen oder Gabelkopf am gegenüberliegenden Ende des Aktuators verwendet, wo dieser am Maschinenrahmenelement befestigt wird. Ein solches Befestigungskonzept ermöglicht eine nachgiebige Verbindung, ohne den Antrieb (Aktuator) oder das angetriebene Element (Führungssystem) übermäßig zu belasten.

Kolbenstangenlose Antriebe zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Hub innerhalb ihrer Gesamtlänge liegt. Sie können auch ein integriertes Führungssystem enthalten. In Verbindung mit einem separaten Führungssystem benötigen kolbenstangenlose Antriebe außerdem ein nachgiebiges Element in der Verbindung zwischen Antrieb und Abtrieb. Die meisten Hersteller von Antrieben bieten verschiedene Halterungen für diese Art der Installation an, beispielsweise schwimmende Halterungen.

Kolbenstangenlose Antriebe mit integriertem Führungssystem übernehmen die Führung und Unterstützung der Anlage und ersetzen gleichzeitig ein separates Führungssystem. Diese Funktion ist besonders nützlich und spart dem Maschinenbauer oft Zeit und Geld. Kolbenstangenlose Antriebe mit integrierten Führungen können in Kombinationen in Maschinen eingebaut werden, um eine Vielzahl von Bewegungsanforderungen zu erfüllen. Mehrachsige Konfigurationen wie xy oder xyz sowie Portalkonfigurationen sind bei entsprechender Dimensionierung möglich. Bei der Installation von kolbenstangenlosen Antrieben mit integrierten Führungen ist die Ausrichtung ebenso wichtig.

Parallelität und Rechtwinkligkeit der verbundenen Elemente

Ein kolbenstangenloser Aktuator mit integrierter Führung in einer einachsigen Konfiguration muss lediglich die Positionierungsanforderungen erfüllen. Der Ausrichtungsprozess ist unkompliziert, da der Aktuator seine Last einzeln und ohne externe Führung in Position bringt. Beispiele für diese Art der Konfiguration sind die Ausrichtung von Arbeitspunkt zu Arbeitspunkt oder die Ausrichtung zur Vorrichtung am Gerät.

Die Ausrichtung kolbenstangenloser Aktuatoren in mehrachsigen Konfigurationen wird schwieriger, da mehrere Aktuatoren zusammenarbeiten müssen. Bei der Montage dieser Aktuatoren muss daher auf Parallelität und Rechtwinkligkeit aller verbundenen Geräte geachtet werden, um optimale Leistung und maximale Lebensdauer zu gewährleisten.

Parallelität der verbundenen Elemente

Es gibt drei Variablen, die die Parallelität bei der Montage von Linearantrieben beeinflussen können. Durch das Stellen und Beantworten dieser Fragen können Sie die Parallelität und die Systemleistung maximieren.

1. Sind die Aktuatoren mit den Schlitten auf gleicher Höhe montiert? Eine Fehlausrichtung in dieser Ebene führt zu einem ungünstigen Biegemoment in der Mx-Achse auf das Lagersystem einer oder beider Einheiten.

2. Sind die Aktuatoren von einem Ende zum anderen in einem gleichmäßigen Abstand zueinander montiert? Eine Fehlausrichtung in dieser Ebene führt zu einer ungünstigen Seitenlast in der Fy-Achse auf das Lagersystem und kann bei starker Fehlausrichtung zum Blockieren der Einheiten führen.

3. Sind die Aktuatoren waagerecht zueinander montiert? Ein Winkelversatz führt zu einem ungünstigen Biegemoment in der My-Achse auf das Lagersystem beider Einheiten.

Rechtwinkligkeit der verbundenen Elemente

Bei der Montage von Linearantrieben gibt es zwei Variablen, die die Rechtwinkligkeit beeinflussen.

1. Ist in einem XYZ-System die Z-Achse senkrecht zur Y-Achse montiert? Eine Fehlausrichtung in dieser Ebene führt zu einem ungünstigen Biegemoment auf das Lagersystem des Y-Achsen-Aktuators in einer oder allen möglichen Achsen.

2. Bewegen sich in einem Portalsystem, in dem sich zwei Aktuatoren gleichzeitig in der X- oder Y-Achse bewegen müssen, diese auch gleichzeitig? Eine Fehlausrichtung oder unzureichende Servoleistung führt zu einem unerwünschten Biegemoment in der Mz-Achse auf das Lagersystem.

Die tatsächlichen Toleranzen in Bezug auf Ausrichtungsempfehlungen und Montage hängen vom jeweiligen Antriebshersteller und Lagertyp ab. Als Faustregel gilt jedoch, den Lagersystemtyp zu berücksichtigen. Hochleistungslagertypen wie Profilschienensysteme sind in der Regel recht starr, und die Ausrichtung ist kritischer. Mittelleistungssysteme mit Rollen oder Rädern weisen häufig Spielräume auf, die eine gewisse Toleranz bei der Ausrichtung ermöglichen. Gleitlager oder Gleitsysteme haben oft größere Spielräume und können noch nachgiebiger sein.

Für die Installation von Linearantriebs-Montagesystemen stehen verschiedene Messwerkzeuge zur Verfügung, die eine korrekte Ausrichtung gewährleisten – von Messgeräten bis hin zu Lasersystemen. Unabhängig von den verwendeten Werkzeugen sollten Sie immer eine Achse als Referenz für die XY- und Z-Ebenen erstellen und die anderen Geräte in Bezug auf diese Referenzachse montieren. So erzielen Sie maximale Leistung und eine lange Lebensdauer Ihres Antriebssystems.