Wie kann „LOSTPED“ helfen?

Von der Verpackung und Materialhandhabung bis hin zur Halbleiterfertigung und Automobilmontage beinhalten praktisch alle Fertigungsprozesse irgendeine Art von linearer Bewegung. Da die Hersteller mit der Flexibilität und Einfachheit modularer linearer Bewegungssysteme vertraut werden, 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 Linearsystemen besteht darin, kritische Anwendungsanforderungen im Endsystem zu übersehen. Dies kann im schlimmsten Fall zu kostspieligen Neukonstruktionen und Nacharbeiten führen, aber auch zu einem überdimensionierten System, das teurer und weniger effektiv ist als gewünscht. Bei so vielen möglichen Lösungen kann man bei der Konstruktion eines Linearsystems leicht überfordert sein. Wie viel Last muss das System bewältigen? Wie schnell muss es sich bewegen? Welches Design ist am kostengünstigsten?

All diese und weitere Fragen wurden berücksichtigt, als die Gruppe Linear Motion and Assembly Technologies von Bosch Rexroth „LOSTPED“ entwickelte, ein einfaches Akronym, das dem Ingenieur oder Designer dabei hilft, die Informationen zu sammeln, die zum Spezifizieren der geeigneten Linearbewegungskomponenten oder -module in einer bestimmten Anwendung erforderlich sind.

WAS IST LOSPED?

LOSTPED steht für Last, Ausrichtung, Geschwindigkeit, Verfahrweg, Präzision, Umgebung und Einschaltdauer. Jeder Buchstabe des Akronyms LOSTPED steht für einen Faktor, der bei der Dimensionierung und Auswahl eines Linearbewegungssystems berücksichtigt werden muss. Beispielsweise stellt die Last beim Beschleunigen und Abbremsen andere Anforderungen an das Lagersystem als bei Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Da immer mehr Linearbewegungslösungen von Einzelkomponenten zu kompletten Linearmodulen oder kartesischen Systemen übergehen, werden die Interaktionen zwischen Systemkomponenten – d. h. Linearführungen und Kugelumlaufspindeln, Riemen- oder Linearmotorantrieben – komplexer und die Entwicklung des richtigen Systems anspruchsvoller. Das Akronym LOSTPED kann Konstrukteuren helfen, Fehler zu vermeiden, indem es sie daran erinnert, bei der Systementwicklung und -spezifikation alle miteinander verbundenen Faktoren zu berücksichtigen.

SO VERWENDEN SIE LOSTPED

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

LADEN

Unter Last versteht man das Gewicht oder die Kraft, die auf das System ausgeübt wird. Alle linearen Bewegungssysteme sind einer bestimmten Art von Last ausgesetzt, beispielsweise Abwärtskräften bei der Materialhandhabung oder Schubkräften beim Bohren, Pressen oder Schrauben. Andere Anwendungen sind mit konstanter Last behaftet, beispielsweise bei der Handhabung von Halbleiterwafern, bei der ein FOUP (Front-Opening Unified Pod) zum Absetzen und Aufnehmen von Station zu Station transportiert wird. Ein dritter Typ ist durch variierende Lasten gekennzeichnet, beispielsweise bei medizinischen Dosieranwendungen, bei denen Reagenzien nacheinander in eine Reihe von Pipetten gegeben werden, wodurch die Last bei jedem Schritt geringer wird.

Bei der Betrachtung der Last lohnt es sich auch, einen Blick darauf zu werfen, welche Art von Werkzeug sich am Ende des Arms befindet, um die Last aufzunehmen oder zu tragen. Obwohl Fehler hier nicht direkt mit der Last zusammenhängen, können sie kostspielig sein. Wird beispielsweise bei einer Pick-and-Place-Anwendung ein hochempfindliches Werkstück aufgenommen, kann es durch die Verwendung des falschen Greifertyps beschädigt werden.

WICHTIGE FRAGEN:

• Woher kommt die Last und wie ist sie ausgerichtet?
• Gibt es besondere Handhabungshinweise?
• 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 der Krafteinwirkung ist ebenfalls wichtig, wird aber oft übersehen. Einige Linearmodule oder -antriebe können aufgrund ihrer Linearführung höhere Belastungen nach unten/oben als seitlich bewältigen. Andere Module mit anderen Linearführungen können die gleichen Belastungen in alle Richtungen bewältigen.

Das Rexroth Kompaktmodul CKK beispielsweise nutzt ein duales Kugelschienenführungssystem zur Führung und wird häufig in Anwendungen mit seitlichen oder axialen Lasten eingesetzt. Da die meisten Anbieter hochwertiger Linearantriebe Module und Aktuatoren für unterschiedliche Einsatzbedingungen herstellen, ist es wichtig sicherzustellen, dass die angegebenen Module die Lastanforderungen in der für die Anwendung erforderlichen Ausrichtung bewältigen können.

WICHTIGE FRAGEN:

• Wie ist das Linearmodul bzw. der Aktuator ausgerichtet?
• Ist es horizontal, vertikal oder verkehrt herum?
• Wo ist die Last relativ zum Linearmodul ausgerichtet?
• Verursacht die Last ein Roll- oder Nickmoment auf dem Linearmodul?

GESCHWINDIGKEIT

Geschwindigkeit und Beschleunigung beeinflussen ebenfalls die Auswahl eines linearen Bewegungssystems. 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 von der Art der erforderlichen Bewegung abhängt. 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 Absetzanwendungen. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind ebenfalls entscheidende Faktoren bei der Bestimmung des geeigneten Linearantriebs, in der Regel eine Kugelumlaufspindel, ein Riemen oder ein Linearmotor.

WICHTIGE FRAGEN:

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

REISEN

Der Hub bezeichnet die Distanz oder den Bewegungsbereich. Nicht nur der Hubweg, sondern auch der Nachlaufweg muss berücksichtigt werden. Ein gewisser Sicherheitshub bzw. zusätzlicher Freiraum am Hubende gewährleistet die Sicherheit des Systems im Falle eines Notstopps.

WICHTIGE FRAGEN:

• Wie groß ist die Distanz (Bewegungsbereich)?
• Wie viel Überhub kann bei einer Notbremsung erforderlich sein?

PRÄZISION

Präzision ist ein weit gefasster Begriff, der häufig zur Definition der Verfahrgenauigkeit (Verhalten des Systems bei der Bewegung von Punkt A nach Punkt B) oder der Positioniergenauigkeit (Annäherung des Systems an die Zielposition) verwendet wird. Er kann sich auch auf die Wiederholgenauigkeit beziehen. Das Verständnis des Unterschieds zwischen diesen drei Begriffen – Verfahrgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit – ist oft entscheidend, um sicherzustellen, dass das System die Leistungsspezifikationen erfüllt und nicht für eine möglicherweise unnötig hohe Genauigkeit überkompensiert.

Der Hauptgrund für die sorgfältige Prüfung der Präzisionsanforderungen 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.

WICHTIGE FRAGEN:

• Welche Bedeutung haben Verfahrgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Anwendung?
• Ist Präzision wichtiger als Geschwindigkeit oder andere LOSTPED-Faktoren?

UMFELD

Unter Umgebungsbedingungen 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 die Laufbahnen und tragenden Elemente des Lagers beschädigen können.

Dies ist ein oft übersehener Leistungsfaktor, der jedoch die Lebensdauer eines Linearantriebssystems erheblich beeinflussen kann. Optionen wie Dichtungsstreifen und Spezialbeschichtungen können Schäden durch diese Umwelteinflüsse verhindern. Darüber hinaus können Optionen wie Spezialschmierung und Überdruck das Modul oder den Antrieb für den Einsatz in Reinräumen geeignet machen.

WICHTIGE FRAGEN:

• Welche Arten von Gefahren oder Verunreinigungen sind vorhanden – extreme Temperaturen, Schmutz, Staub, Flüssigkeiten usw.?
• Ist umgekehrt das Linearbewegungssystem selbst eine potenzielle Quelle von Verunreinigungen für die Umwelt (elektrostatische Entladung, Schmiermittel oder Partikel)?

ARBEITSZYKLUS

Die Einschaltdauer ist die Zeit, die für einen Betriebszyklus benötigt wird. Bei allen Linearantrieben bestimmen die internen Komponenten im Allgemeinen die Lebensdauer des Systems. Die Lagerlebensdauer in einem Modul wird beispielsweise direkt von der aufgebrachten Last und der Einschaltdauer des Lagers beeinflusst. Ein Linearsystem kann die oben genannten sechs Faktoren erfüllen, aber bei Dauerbetrieb rund um die Uhr ist der Ausfall deutlich schneller, als wenn es nur acht Stunden am Tag, fünf Tage die Woche läuft. Das Verhältnis von Betriebszeit zu Ruhezeit beeinflusst die Wärmeentwicklung im Linearsystem und wirkt sich direkt auf die Systemlebensdauer und die Betriebskosten aus. Die frühzeitige Klärung dieser Fragen kann später Zeit und Ärger sparen, da Verschleißteile wie Riemen leicht für den Austausch vorrätig gehalten werden können.

WICHTIGE FRAGEN:

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

EINIGE LETZTE RATSCHLÄGE

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