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Linearführung

Profilschienenführung Teil 2: Auswahl der geeigneten Führung

| Autor: Stefanie Michel

Bild 1: Rexroth-Kugelschienenführungen sind so konzipiert, dass sie sich für Maximalgeschwindigkeiten bis 10 m/s und für Beschleunigungen bis 500 m/s² eignen.
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Bild 1: Rexroth-Kugelschienenführungen sind so konzipiert, dass sie sich für Maximalgeschwindigkeiten bis 10 m/s und für Beschleunigungen bis 500 m/s² eignen. (Bild: Bosch Rexroth)

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Ob Neukonstruktion oder Variantenkonstruktion: die Anforderungen an eine Applikation müssen festliegen, um die Auswahl der benötigten Profilschienenführungen beginnen. Wie der Anwender zur optimalen Lösung gelangen kann, zeigt Bosch Rexroth anhand wichtiger Auswahlkriterien Schritt für Schritt.

Aufgrund der vielen möglichen Einsatzbereiche von Profilschienenführungen sind eine Vielzahl an Bauformen und Baugrößen der Führungswagen und -schienen erhältlich. Je nach Anwendung sind beispielsweise bestimmte Anforderungen an Belastbarkeit, Genauigkeit oder Geschwindigkeit zu erfüllen. Deshalb hängt die Auswahl der optimalen Führung von vielen Parametern ab und bedarf einer genauen Kenntnis der Ansprüche sowie der Betriebsbedingungen der Applikation.

Rexroth zeigt beispielhaft die Auswahl von Profilschienenführungen

Im „Handbuch Lineartechnik“ gibt Rexroth einen beispielhaften Ablauf zur Produktauswahl vor, der als Leitfaden in der Planung dienen kann. Zu Beginn muss der Konstrukteur alle Anforderungen an die Profilschienenführungen sowie die Betriebsbedingungen der Anwendung definieren: Hierzu gehören neben den Gewichts- und Prozesskräften auch die gewünschte Hublänge, die erforderliche Genauigkeit und Steifigkeit, der verfügbare Einbauraum, die Verfahrzyklen (Beschleunigung und Geschwindigkeit), die geforderte Lebensdauer sowie die Umgebungseinflüsse. Anhand der zu erwartenden Belastung lässt sich über die Tragzahl und über Auswahltabellen der geeignete Profilschienenführungstyp auswählen (Bild 1).

Profilschienenführungen Teil 1: Grundlagen zum Konstruieren

Grundsätzlich unterscheiden sich Profilschienenführungen durch die Art der Wälzkörper, die Anzahl der Wälzkörperreihen und deren Anordnung. Sind alle anderen Parameter konstant, dann erhöhen sich Tragzahl und Steifigkeit mit steigender Anzahl tragender Wälzkörper. Rexroth produziert zwei- und vierreihige Kugelschienenführungen sowie vierreihige Rollenschienenführungen. Bei den Vierreihigen unterscheidet man zwischen X- und O-Anordnung der Laufbahnen (Bild 2). Die beiden Varianten unterscheiden sich darin, dass die O-Anordnung, wie Rexroth sie anbietet, höhere Torsionsmomente aufnehmen kann und eine höhere Momentsteifigkeit hat.

Mit Abdeckkappen oder -bändern Linearführung vor Schmutz schützen

Nach Festlegung der Anzahl Führungswagen und Führungsschienen sind Einbaulage und Art der Befestigung zu definieren. Die Einbaulage von Linearführungen ist variabel. So lässt sich jede Raumlage realisieren. Je nach Anforderung, Bauraum und Einbaulage gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Befestigung und Abdeckung der Führungsschienen. Standard-Führungsschienen können je nach Ausführung von oben oder von unten verschraubt werden. Um die Komponenten vor Schmutz zu schützen, müssen beim Verschrauben von oben die Bohrungen wieder verschlossen werden. Hierfür eignen sich Abdeckkappen aus Kunststoff oder Stahl. Eine effektive und gleichermaßen wirtschaftliche Variante zum Abdecken der Befestigungsbohrungen der Führungsschienen ist das patentierte Stahl-Abdeckband von Rexroth. Beim Befestigen von Führungsschienen ist zudem auf die Lage und Nutzung der sogenannten Anschlagkanten zu achten, die die Aufnahme hoher seitlicher Belastungen ermöglichen.

Eine Sonderform unter den Führungsschienen ist die V-Führungsschiene, die sich durch seitliches Klemmen mit Hilfe von Druckstücken befestigen lässt. So ist weder eine Abdeckung noch eine zusätzliche seitliche Fixierung notwendig. Eine andere Möglichkeit ist das Verstemmen der V-Führungsschienen, indem die Schiene durch plastisches Verformen in den Unterbau geklemmt wird. Auf diese Weise lässt sich die Führungsschiene ohne Bohren und Verschrauben sehr schnell und kostengünstig montieren.

Kostengünstiges Konstruieren
  • 1. So genau wie nötig, so ungenau wie möglich: hohe Genauigkeitsklassen sind nur bei entsprechend hoher Genauigkeit der Anschlusskonstruktion sinnvoll.
  • 2. Vorspannung nur so groß wie notwendig: bei der Wahl der Vorspannungsklasse ist zu Berücksichtigen: je größer die Vorspannung, desto größer die Genauigkeitsanforderungen der Anschlusskonstruktion.
  • 3. Auf angemessen großen Abstand zwischen den Führungsschienen achten: je geringer der Abstand parallel verlaufender Schienen, desto genauer müssen sie in der Höhe ausgerichtet sein.
  • 4. Kurze Führungswagen oder Super-Führungswagen bei großen Ungenauigkeiten: Führungswägen mit Selbsteinstellung können Ungenauigkeiten im Aufbau innerhalb bestimmter Grenzen ausgleichen.
  • 5. Großzügiger Bauraum für Linearführungen: ein optimaler Einbau, eine spätere Wartung oder der unkomplizierte Austausch sollte immer möglich sein.

Bestimmung der Lebensdauer von Profilschienenführungen

Auf Grundlage der geforderten Steifigkeit ist in einem nächsten Schritt die Vorspannung der Führungswagen zu wählen. Abhängig von den Einsatzbereichen bietet Rexroth Linearführungen in vier Vorspannungsklassen an. Während leichtgängige Führungssysteme mit geringer Reibung, wie sie beispielsweise im Handlingbereich genutzt werden, keine bis geringe Vorspannung benötigen, ist für hochsteife Führungssysteme, wie zum Beispiel für Präzisionswerkzeugmaschinen, eine hohe Vorspannung erforderlich.

Auf Basis der nun zusammengestellten Daten werden die Lebensdauer und die statische Tragsicherheit berechnet (Bild 3). Hierfür sind zunächst Angaben zum Führungssystem (Tragzahl, Torsionsmoment, Längstragmoment und Vorspannung), zur Lage und Anordnung der Führungswagen, zum Dynamikzyklus (Verfahrweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung) sowie zur Belastung des Systems nötig. In Abhängigkeit von der Anordnung der Schienen und der Führungswagen müssen dann für jeden Führungswagen und jede Bewegungsphase die Belastungen durch Kräfte und Momente sowie die kombinierte äquivalente Lagerbelastung berechnet werden. Des Weiteren muss die Vorspannung mit in die Lebensdauerberechnung einfließen, da sie zur Belastung im Wälzkontakt beiträgt. Greifen veränderliche Kräfte an, dann ist auch die dynamische äquivalente Lagerbelastung zu bestimmen.

Der Einsatzbereich bestimmt die erforderliche Genauigkeit

Aus den vorangegangenen Ergebnissen lässt sich schließlich die nominelle Lebensdauer berechnen. Sie ist definiert als die mit 90 % Erlebenswahrscheinlichkeit erreichbare rechnerische Lebensdauer der Führungen. Ist eine höhere Wahrscheinlichkeit erwünscht, wird die nominelle Lebensdauer mit dem Lebensdauerbeiwert multipliziert. Treten hohe Belastungen der Führungswagen auf, so ist zusätzlich die statisch äquivalente Lagerbelastung zu ermitteln. Sie darf die statische Tragzahl nicht überschreiten und fließt letztendlich in die Berechnung der statischen Tragsicherheit ein. Damit sollen unzulässige Belastungen der Wälzkörper und Laufbahnen vermieden werden.

Ausführliche Formeln sowie weitere Hinweise zu allen Berechnungen sind im „Handbuch Lineartechnik“ beschrieben. Sollten die geforderten Lebensdauerwerte in den einzelnen Rechenabschnitten nicht erreicht werden, müssen entsprechend andere Profilschienenführungen (Wälzkörpertyp, Baugröße, Baulänge) ausgewählt werden.

Genauigkeit der Führungen mit Führungswägen abstimmen

Sind die Lebensdaueranforderungen erfüllt, sollte abhängig vom Einsatzbereich die Genauigkeitsklasse der Führung bestimmt werden (Bild 4). Aufgrund der Präzisionsfertigung des Herstellers kann ein Führungswagen auf allen Rexroth-Führungsschienen der gleichen Baugröße eingesetzt werden. Dies gilt umgekehrt ebenso für den Einsatz verschiedener Führungswagenbauformen auf einer Führungsschiene. Die Führungswagen können somit unabhängig voneinander bestellt und miteinander kombiniert werden. Bei kleinen Führungswagenabständen empfiehlt Rexroth, die Führungswagen mit höherer Genauigkeitsklasse als die Führungsschiene auszuwählen, da hier die Toleranzen hinsichtlich der möglichen Vorspannung von Systemen mit mehreren Führungswagen dominieren. Umgekehrt ist es wirtschaftlicher, bei größeren Führungswagenabständen Führungsschienen zu wählen, deren Genauigkeit höher ist als die der Führungswagen.

Ebenso von Bedeutung ist die geometrische Ablaufgenauigkeit (Bild 5), die von der Wälzkörperbewegung im Umlauf sowie der Führungsschiene beeinflusst wird. Die Wälzkörperpulsation, geometrische Schwächen der Anschlusskonstruktion und auch Welligkeiten aufgrund der lokalen Verformungen nach dem Verschrauben der Führungsschienen führen zu räumlichen Mikrobewegungen der Führungswagen. Um diese Ablaufgenauigkeit zu optimieren, bieten sich unter Anderem die Verwendung von Führungswagen der Hochpräzisionsausführung oder der Einsatz längerer Führungswagen an.

Berechnungsservice erleichtert Auswahl und Bestellung

Sind alle Elemente ausgewählt, wird abschließend die Peripherie der Linearführung festgelegt. Abhängig von den Betriebsbedingungen, wie Belastung, Temperatur oder Kühlschmiermittel-Beaufschlagung, muss zunächst der geeignete Schmierstoff gewählt werden. Dies ist die Basis zum Festlegen der Nachschmiermengen und -intervallen. Zum Schutz vor schädigenden Fremdpartikeln bietet Rexroth ein breites Spektrum an Dichtsystemen an, auf die bereits im ersten Teil eingegangen wurde. Je nach Umgebungsbedingungen können Komponenten mit entsprechendem Korrosionsschutz gewählt werden. Weitere Zusatzfunktionen, wie Bremselemente, Zahnstangenantriebe oder ein integriertes Längenmesssystem, komplettieren nun die Führungseinheit. Jetzt liegen alle benötigten Angaben vor, um die Bestellung durchzuführen.

Um dem Kunden die Auswahl seiner Profilschienenführungen zu erleichtern, bietet Rexroth mit dem „Linear Motion Designer“ einen Berechnungsservice zur Lebensdauerberechnung an. Hierfür müssen lediglich die Betriebsbedingungen festgelegt werden, denn das Programm deckt das komplette Rexroth-Spektrum an Rollen-, Kugel-, Miniatur-Kugelschienen- sowie e-Line-Kugelschienenführungen ab. So kann der Konstrukteur auf eine bedienungsfreundliche Weise die Auslegung der Lineartechnik auch selbst durchführen. Der Linear Motion Designer berücksichtigt eine Vielzahl von Varianten bzw. Applikationen beginnend bei einer Schiene mit einem Führungswagen bis hin zu zwei Schienen mit acht Führungswagen. Für drei dieser Varianten ist zusätzlich eine Verlagerungsberechnung integriert. Außerdem wird direkt bei der Berechnung eine entsprechende Visualisierung erzeugt. Rexroth stellt das Berechnungsprogramm für das Betriebssystem Windows dem Kunden kostenfrei zur Verfügung.

Dieser Beitrag erschien erstmals 2009 in der Fachzeitschrift „konstruktionspraxis“.

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