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#Produkttrends
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Sechs Tasten für präzisere Linearbewegungen
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Hier sind sechs mechanische und strukturelle Faktoren, die die Leistung der Steuerungstechnik beeinflussen
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Selbst mit der fortschrittlichsten Bewegungssteuerung ist es für Konstrukteure immer noch schwierig, präzise Linearbewegungen zu erreichen, wenn die mechanischen Komponenten nicht entsprechend der Anwendung ausgelegt sind
Ausgestattet mit einer hoch entwickelten Bewegungssteuerung ist es für die Ingenieure immer noch schwierig, präzise Linearbewegungen zu erreichen, wenn die mechanischen Komponenten nicht entsprechend der Anwendung ausgelegt sind. Zugegeben, verschiedene Märkte haben unterschiedliche Präzisionsdefinitionen, von nanoskaligen Niveaus in der Halbleiterindustrie bis hin zu den relativ großzügigen 0,01 Zoll-Standards im Verpackungs- oder Zeitungsdruck. So bestimmen Industrie und Anwendung in der Regel das erforderliche Maß an Präzision. Es ist auch wichtig, die Betriebsumgebung zu kennen, da einige Umgebungen es schwieriger machen, das gewünschte Ziel zu erreichen.
Lassen Sie uns damit beginnen, darüber nachzudenken, wie man Präzision definiert. Präzision ist eine Kombination aus Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Die Genauigkeit, die Diskrepanz zwischen der Zielposition einer Bewegung und der Ist-Position, reflektiert Bewegungsziele, die aus verschiedenen Richtungen angefahren werden (multidirektional). Die Positioniergenauigkeit ist also die maximale Abweichung zwischen Ist- und Sollposition bei jeder Bewegung. Die Wiederholgenauigkeit bezieht sich darauf, wie genau sich ein Linearsystem positioniert, wenn es sich wiederholt aus der gleichen Richtung einer Position nähert, wobei Abweichungen der Ist-Position von der Soll-Position berücksichtigt werden. Ingenieure können diese Parameter verbessern, indem sie sich auf die folgenden sechs Bereiche konzentrieren.
Verfahrgenauigkeit
Die Verfahrgenauigkeit misst Neigung (auf und ab), Gieren (von Seite zu Seite) und Rollen (um die Achse). Die Minimierung dieser Bewegungen hängt von der Qualität des Fahrwegführungssystems und der Oberfläche ab, auf der es montiert ist. Linearbewegungssysteme passen sich typischerweise ihren Montageflächen an, so dass die Verfahrgenauigkeit je nach Ausrichtung, Vorbereitung und Toleranzen der Maschinenoberfläche variiert.
führungssysteme entsprechen den branchenüblichen Toleranzen für Höhe, Breite und Parallelität. So bietet Bosch Rexroth, Charlotte, N.â€...C., Produkte an, die eine Bandbreite von sechs Genauigkeiten abdecken, von N (Normal Precision) Höhen-/Breitentoleranzen von ±100 μm/±40 μm bis UP (Ultra Precision) Höhen-/Breitentoleranzen von ±5 μm. Beachten Sie, dass mit abnehmendem Toleranzband die Bauteilkosten steigen. Mehr für Komponenten auszugeben und die Ebenheit und Geradheit der Strukturelemente nicht zu berücksichtigen, verschwendet Geld und verringert die Verfahrgenauigkeit von Achse und Maschine.
Außerdem können Lager, die in einer Linearführung zirkulieren, präzisionsmindernde Vibrationen verursachen, wenn die Lager von "lasttragenden" zu "nicht lasttragenden" Bedingungen wechseln. Einige Hersteller optimieren die Übergangsstellengeometrie der Lager mit speziellen hochpräzisen Laufwagen, um Vibrationen zu minimieren. So verwendet beispielsweise die hochpräzise Kugelschiene von Bosch Rexroth einen Stahleinsatz mit Entlastungszonen, die die Kugeleintrittskräfte an den Enden der Laufbahn dämpfen. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige, extrem leichtgängige Bewegung, da die Kugeln in den Laufbahnen der Lager zirkulieren.
Positioniergenauigkeit
Die Positioniergenauigkeit hängt von den Fähigkeiten und Toleranzen des Antriebs ab, wie z.B. elektromechanischer Kugelgewindetrieb, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, elektrischer Linearmotor oder Zahnstange.
Kugelgewindetriebe können einen signifikanten Steigungsfehler oder eine Abweichung innerhalb des Kugelgewindetriebs oder der Kugelmutter aufweisen - das Element, das typischerweise mit der Last verbunden ist und diese antreibt. Der Grad des Fehlers hängt oft von der Herstellungsmethode ab, mit der die Gewinde erzeugt werden. Das Schleifen kann zu einem Leitungsfehler durch maschinenbedingte Ungenauigkeiten, Werkzeugverschleiß oder Erwärmung der Kugelgewindespindel während des Schleifvorgangs führen. Das Umformen von Gewinden durch Walzen kann vor allem durch die nachträgliche Wärmebehandlung zu einem Leitungsfehler führen.
Das Schleifen wird traditionell als genauer als das Walzen angesehen, aber der Spalt wird kleiner. Einige gerollte Rexroth-Schrauben liefern Präzision der Klasse 5 oder sogar der Klasse 3 für die Hub-(Steigungs)Abweichung mit einer maximalen Abweichung von ±12 μm über 300 mm Hub. Elektronische Korrekturverfahren, die kleine Vorlauffehler bei Standardfahrten kompensieren, können die Genauigkeit weiter verbessern
Das Hinzufügen von externem Feedback zur Maschinenachse kann auch die Positioniergenauigkeit verbessern. Dies kann indirekt über einen Drehgeber oder direkt über einen Linearmaßstab erfolgen. Ein Beispiel, das IMS (Integrated Measuring System) von Bosch Rexroth, integriert eine Skala in die Führungsschiene und einen Sensorkopf am Lagerblock. Durch die Positionsrückmeldung des Sensors kann der Servoantrieb die Endposition korrigieren.
Systemsteifigkeit
Dies ist ein Bereich, in dem mechanische Faktoren oft die Effizienz der feinsten Steuerungen beeinträchtigen. Die Rahmen- und Bodensteifigkeit, die Dicke, das Material (z.B. Aluminium gegenüber Stahl) und die Rahmenkonstruktion (massiv oder rohrförmig) der Maschine können einen Einfluss auf die Präzision haben. Mechanisch angetriebene Faktoren wie Vorspannung, Achslänge, Art der Wälzkörper und Lagerträger sowie die Verbindungselemente zwischen Linearsystem und Rahmen können die Maschinengenauigkeit indirekt beeinflussen.
Die Systemsteifigkeit ist entscheidend, da jede Kraft oder Belastung, die auf die Bewegungskomponenten ausgeübt wird - nach unten, oben oder seitlich - eine Ablenkung verursachen kann, die ein Feind der Wiederholbarkeit ist. Größere Kraft erzeugt mehr Durchbiegung. Um dies zu verhindern, verbessern die Konstrukteure oft die Gesamtsteifigkeit oder Steifigkeit des Linearführungsblocks, indem sie eine Vorspannung mit überdimensionalen Wälzkörpern einführen. Die Grafik "Auswirkungen der Vorspannung" zeigt eine typische Vorspannung mit überdimensionalen Wälzkörpern (Dk) im Führungsschienenspalt (Durchmesser D). Hersteller von Linearführungen bieten in der Regel eine sehr unterschiedliche Vorspannung an, um die Durchbiegung zu minimieren.
Der Antrieb kann durch die Steifigkeit seiner Stützlager, der Kugelmuttereinheit und des Kugelgewindetriebs selbst zur Gesamtsteifigkeit des Systems beitragen. Der größte Einflussfaktor für die Steifigkeit des Spindelantriebs ist seine Länge: Je länger die Schraube, desto schwieriger ist es, die Durchbiegung auszugleichen. Kompensationstechniken beinhalten zusätzliche Vorspannung oder die Auswahl einer steiferen Kugelmutter.
Geschwindigkeit
Anspruchsvolle Anwendungen mit hohem Durchsatz stellen hohe Anforderungen, da kurze Zykluszeiten manchmal Geschwindigkeitsanforderungen mit sich bringen, die die Grenzen der Geschwindigkeit und Beschleunigung von Linearführungen und Kugelgewindetrieben sprengen.
Die erste Grenze ist die kritische Drehzahl der Kugelgewindespindel - die Drehzahl, mit der die Spindel vibriert oder übermäßig schwingt (sog. Spindelpeitsche). Diese Drehzahl ist stark von der Wellenlänge und den Lagerungen abhängig. Die Fähigkeit der Konstrukteure, die kritische Drehzahl zu ändern, beschränkt sich hauptsächlich auf die Wahl der Endlagerstützen. Festfixierte Halterungen (bei denen die Lagerung an beiden Enden der Schraube begrenzt ist) ermöglichen die höchsten kritischen Drehzahlen, und festfreie Systeme die niedrigsten.
Bei einer festen Montage ist die Lageranordnung fest mit der Schraube verbunden und verfügt über einen Lagersatz zur Aufnahme der axialen Belastung. Schwimmende Halterungen können gewählt werden, weil sie weniger Reibung erzeugen und somit eine bessere Wärmeleistung ermöglichen, aber eine niedrigere kritische Drehzahl als feste Halterungen aufweisen. Schwimmende Befestigungen verwenden in der Regel nur ein Radiallager, um die radiale Belastung oder das Gewicht der Schraube im Raum aufzunehmen. Diese Anordnung erhält ihren schwebenden Namen, da das Lager im Kissenblockgehäuse schweben oder sich bewegen darf, wenn sich die Gewindespindel aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt und zusammenzieht.
Die zweite Einschränkung ist die charakteristische Drehzahl des Lagersystems, basierend auf der Zirkulation von Wälzkörpern. Bei einem Kugelgewindetrieb stellt die Kugelmutter das Lagersystem dar. Temperatur, Vibration und Trägheit der Kugeln spielen eine Rolle.
Die niedrigere der beiden Geschwindigkeiten ist am wichtigsten für eine präzise Bewegungssteuerung. Die charakteristische Drehzahl ist unabhängig von der Wellenlänge, aber die kritische Drehzahl nimmt mit zunehmender Länge ab. Wenn ein System eine kritische Geschwindigkeit erreicht, steigen die Vibrationen, die Genauigkeit sinkt und die Leistung (z.B. die Oberflächenqualität der Bearbeitung in einer Werkzeugmaschine) nimmt ab. Darüber hinaus wird die Kugelgewindetriebseinheit viel schneller ermüden.
Thermische Überlegungen
Alle Linearbewegungskomponenten (Motor, Lager und Mutter) erzeugen Wärme, die berücksichtigt werden muss; ein korrektes Management dieser thermischen Einflüsse kann die Leistung und Präzision eines Systems verbessern. Verschiedene Teile einer Achse können unterschiedliche Temperaturen aufweisen, basierend auf Laufzeit, dynamischem Zyklus und Kräften auf jedem Teil. Das Schwimmenlassen von Lagern innerhalb eines Stehlagerblocks ermöglicht die Ausdehnung und Kontraktion von Kugelgewindetrieben, aber ein Kompromiss ist, dass sie weniger steif sind. Die Verwendung einer Kombination aus Festlagern oder Lagern, die Axial-/Axiallasten aufnehmen können, und schwimmenden Stehlagern mit Radiallagern bietet thermische Flexibilität bei gleichzeitiger Verbesserung der Drehzahleigenschaften.
Die thermoelastische Verformung stellt eine weitere Herausforderung für die Ingenieure dar, da Wärme die Längenausdehnung aller Komponenten beeinflusst. Verformungen können zu Fehlausrichtungen oder Verschiebungen führen, die zu einer Überlastung der Lager und Muttern führen. Diese Kraft erzeugt Reibung, was zu noch mehr Wärmeentwicklung führt. Je höher die Steifigkeit, die eine Anwendung erfordert, desto mehr Reibungswärme beeinflusst die Ausrichtung, Steifigkeit und Leistung. Die gute Nachricht ist, dass Konstrukteure mit Fortschritten in der Antriebs- und Steuerelektronik diese thermischen Einflüsse oft kompensieren oder kompensieren können.
Maschinenresonanz
All diese Faktoren können Maschinen zum Schwingen oder Vibrieren bringen, was die Präzision und Qualität beeinträchtigt. Im Extremfall können Vibrationen - wie sie z.B. bei Überschreitung der kritischen Drehzahl auftreten - ein "Auspeitschen" der Schraube und Maschinenschäden verursachen. Weitere mögliche Ursachen für Vibrationen sind:
Übermäßiger Rundlauf oder unzulässiges konzentrisches Drehspindelverhalten in Bezug auf die Mittelachse der Kugelgewindespindel, des Antriebszapfens oder anderer Komponenten.
Übermäßiges Umkehrspiel.
Äußere Einflüsse (Resonanz von nahegelegenen Maschinen, Gabelstaplern, der HLK-Anlage usw.). Dies wird oft übersehen. Dem kann entgegengewirkt werden, indem die Maschine auf einem speziellen, isolierten Fundamentpad montiert wird.
Design-Entscheidungen
In einigen Märkten rechtfertigt eine höhere Präzision möglicherweise nicht, erhebliche Ressourcen für kleinere Verbesserungen aufzuwenden - aber andererseits kann sie dazu beitragen, ein neues Produkt zu unterscheiden. Denken Sie auch an die Präzision, die die Normen und Notwendigkeiten des Marktes erfordern.
In einer bestimmten Anwendung können extrem hohe Durchsatzanforderungen auch die Präzision einschränken. Und die Notwendigkeit schneller Umrüstzeiten kann einige Kompromisse bei der Präzision erfordern, um ein einfacheres Design zu erreichen.
Schließlich sollten die Anforderungen der Schwellenländer berücksichtigt werden, insbesondere in den Bereichen Energieverbrauch und Lean Manufacturing. Eine verbesserte Präzision kann den Ausschuss und die Ausschussquote erheblich reduzieren und ergänzt die Vorteile präziserer Linearbewegungssysteme um ein weiteres Element.