Eine lineare Führungsschiene aus Stahl dehnt sich aus, wenn die Temperatur steigt, und zieht sich zusammen, wenn die Temperatur sinkt. Bei einer kurzen Schiene mag die Dimensionsänderung gering sein, bei langen Achsen ist sie jedoch messbar und kann sich auf die Montagespannung, die Schienenausrichtung und die Genauigkeit der Maschinenpositionierung auswirken.
Als praktischer Vergleich: Eine 1.000 mm lange Stahlschiene dehnt sich bei einer Erwärmung um 20 °C um etwa 0,23 mm aus. Eine 3.000-mm-Schiene dehnt sich bei gleicher Temperaturänderung um etwa 0,69 mm aus. Ob diese Bewegung einen Maschinenfehler verursacht, hängt von der Montage der Schiene, dem Maschinenbasismaterial und dem Ort der Positionsmessung ab.
Wärmeausdehnungsformel für lineare Führungen
Die theoretische Längenänderung einer linearen Führungsschiene kann mithilfe der Standardformel für die lineare Wärmeausdehnung geschätzt werden:
α = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
L = ursprüngliche Schienenlänge
ΔT = Schienentemperaturänderung
Für eine typische lineare Führungsschiene aus Stahl beträgt ein praktischer technischer Wert für den Wärmeausdehnungskoeffizienten ungefähr:
Bei der Berechnung sollte die tatsächliche Schienentemperaturänderung zugrunde gelegt werden, nicht automatisch die Änderung der Raumtemperatur. Während des Betriebs kann Wärme von Motoren, Kugelumlaufspindeln, Stützlagern, Schneidvorgängen, in der Nähe befindlichen Heizgeräten oder warmen Maschinenstrukturen ausgehen.
Die Schienenlänge und ihre tatsächliche Temperaturänderung bestimmen die theoretische Längenausdehnung.
Das thermische Verhalten muss zusammen mit der Schiene, den Blöcken, der Montagebasis und der gesamten Maschinenstruktur bewertet werden.
Berechnungsbeispiele für Stahlschienen
In den folgenden Beispielen wird ein Stahlausdehnungskoeffizient von 11,5 × 10 verwendet−6/°C. Sie zeigen eine theoretische freie Ausdehnung, bevor Montagebeschränkungen und strukturelle Effekte berücksichtigt werden.
Beispiel 1: 1.000-mm-Schiene mit einer 10°C-Erhöhung
ΔL = 11,5 × 10−6× 1.000 × 10
ΔL =0,115 mm
Beispiel 2: 1.000-mm-Schiene mit 20°C-Erhöhung
ΔL = 11,5 × 10−6× 1.000 × 20
ΔL =0,230 mm
Beispiel 3: 3.000-mm-Schiene mit einer 20°C-Erhöhung
ΔL = 11,5 × 10−6× 3.000 × 20
ΔL =0,690 mm
| Länge der Stahlschiene | 10°C Wechsel | 20°C Wechsel | 30°C Wechsel |
|---|---|---|---|
| 500 mm | 0,058 mm | 0,115 mm | 0,173 mm |
| 1.000 mm | 0,115 mm | 0,230 mm | 0,345 mm |
| 2.000 mm | 0,230 mm | 0,460 mm | 0,690 mm |
| 3.000 mm | 0,345 mm | 0,690 mm | 1,035 mm |
Diese Werte beschreiben die Änderung der gesamten Schienenlänge. Sie bedeuten nicht, dass die Maschine automatisch den gleichen Positionierungsfehler entwickelt. Der endgültige Effekt hängt vom Referenzpunkt der Schiene, den Montagebeschränkungen, dem Rückkopplungssystem und der Temperaturverteilung ab.
Wie sich die Wärmeausdehnung auf die Maschine auswirkt
Änderung der Schienenlänge
Wenn sich die Schiene von einem definierten Referenzende aus frei ausdehnen kann, ändert sich ihre Gesamtlänge ungefähr entsprechend der Wärmeausdehnungsformel. Bei einer Präzisionsmaschine kann die sich ändernde Beziehung zwischen Schiene, Encoder, Kugelumlaufspindel, Arbeitstisch und Schnitt- oder Prüfreferenz zu Positionierungsfehlern beitragen.
Zunehmender Stress
Eine durch Befestigungsschrauben und einen Maschinensockel gehaltene Schiene kann sich nicht immer als völlig freie Stahlstange ausdehnen. Wenn sich Schiene und Sockel unterschiedlich stark ausdehnen, kann es zu thermischen Spannungen in der Montagekonstruktion kommen.
Dies bedeutet nicht, dass normale Befestigungsschrauben locker gelassen werden sollten. Das Anziehen der Schrauben, die Positionierungsschultern, die Referenzkanten und die zulässige Bewegung müssen durch das Maschinendesign und die Installationsanforderungen des Schienenherstellers bestimmt werden.
Geradheit und Parallelität ändern sich
Eine gleichmäßige Erwärmung verändert hauptsächlich die Schienenlänge. Ungleichmäßige Erwärmung ist häufig problematischer, da sich ein Teil der Schiene oder des Maschinensockels stärker ausdehnt als ein anderer. Ein Temperaturgradient kann zu einer Biegung, Verdrehung oder einer Änderung der Parallelität zweier Schienen führen.
Bei Doppelschienensystemen kann eine thermische Verformung der Maschinenbasis die Parallelität und Blockbelastung beeinträchtigen, selbst wenn die einzelnen Schienen korrekt hergestellt wurden.
Vorspannung und Laufwiderstand
Die Vorspannung verbessert die Steifigkeit und verringert das Innenspiel, gleicht jedoch nicht die Längsausdehnung der Schiene aus. Temperaturunterschiede zwischen Schiene, Block, Kugeln und Montagestruktur können den internen Kontaktzustand verändern.
Wenn die ursprüngliche Vorspannung bereits hoch ist, können zusätzliche thermische Verformungen oder Fehlausrichtungen den Laufwiderstand und die Hitze erhöhen. Die Vorspannung sollte daher entsprechend der Belastung, Steifigkeit, Geschwindigkeit und Temperaturstabilität ausgewählt werden und nicht als allgemeine Methode zur thermischen Kompensation verwendet werden.
Stahlschiene und Aluminiumbasis passen nicht zusammen
Viele Linearführungsschienen sind aus Stahl gefertigt, während einige Automatisierungsrahmen und Kompaktmodule Aluminium-Montagesockel verwenden. Normalerweise dehnt sich Aluminium bei gleicher Länge und Temperaturänderung etwa doppelt so stark aus wie Stahl.
| Material | Typischer Expansionskoeffizient | 1.000 mm Länge, 20°C Anstieg |
|---|---|---|
| Stahlschiene | Ungefähr 11–12 × 10−6/°C | Ungefähr 0,23 mm |
| Aluminiumbasis | Ungefähr 22–24 × 10−6/°C | Ungefähr 0,46 mm |
In diesem Beispiel versucht die Aluminiumbasis, sich über eine Länge von einem Meter etwa 0,23 mm stärker auszudehnen als die Stahlschiene. Die tatsächliche Bewegung und Belastung hängt von der Montageanordnung, dem Lochabstand, der Grundsteifigkeit und der Temperaturverteilung ab.
Diese Materialinkongruenz ist einer der Gründe dafür, dass bei der Konstruktion von Präzisionsmaschinen die Schiene und die Montagebasis als vollständige Struktur betrachtet werden müssen, anstatt die Schiene allein zu bewerten.
So kontrollieren Sie thermische Effekte
Die Wärmeausdehnung kann nicht vollständig eliminiert werden, ihr Einfluss kann jedoch vorhersehbar und beherrschbar gemacht werden.
- Messen Sie die Schienen- oder Maschinenstrukturtemperatur, anstatt sich nur auf die Raumtemperatur zu verlassen.
- Halten Sie Motoren, Heizungen und andere konzentrierte Wärmequellen soweit möglich von der Anleitung fern.
- Lassen Sie die Maschine vor dem Präzisionsbetrieb einen kontrollierten Aufwärmzyklus durchlaufen.
- Verwenden Sie bei der Maschinenkonstruktion eine klar definierte Referenzseite bzw. Referenzende.
- Berücksichtigen Sie den Ausdehnungsunterschied zwischen einer Stahlschiene und einer Basis aus Aluminium, Gusseisen oder Stahl.
- Achten Sie auf die korrekte Schienenausrichtung und vermeiden Sie es, falsch ausgerichtete Blöcke mit Gewalt in Position zu bringen.
- Wählen Sie die Vorspannung je nach Belastung, Geschwindigkeit, Steifigkeit und erwartetem Temperaturbereich.
- Verwenden Sie direkte lineare Rückmeldung oder Softwarekompensation, wenn die erforderliche Positionierungsgenauigkeit dies rechtfertigt.
- Bestätigen Sie bei verbundenen langen Schienen die Anordnung der Verbindungen, die Referenzflächen und die Installationstemperatur.
Für einen detaillierteren Vergleich der Vergütungsstrategien lesen SieSo wählen Sie eine Temperaturkompensationsmethode für Linearführungen aus.
Informationen zur Auswahl der Linearführung
Zhejiang DLY Automation Manufacturing Co., Ltd. liefert lineare Führungsschienen und passende Führungsblöcke für CNC-Maschinen, Automatisierungsgeräte, Verpackungsmaschinen und industrielle Linearbewegungssysteme.
Wenn sich Temperaturschwankungen auf die Anwendung auswirken können, geben Sie bei der Modellauswahl die folgenden Informationen an:
- Linearführungsserie und Schienengröße
- Gesamtschienenlänge und erforderlicher Hub
- Anzahl und Anordnung der Führungsblöcke
- Einschienen- oder Zweischienenmontage
- Material der Montagebasis
- Minimale, normale und maximale Betriebstemperatur
- Erwartete Wärmequellen und Temperaturverteilung
- Erforderliche Genauigkeitsklasse und Vorspannung
- Zulässiger Positionierungs- oder Ausrichtungsfehler
- Einbauzeichnung und Bestellmenge
Sehen Sie sich die anDLY lineare KugelführungSeite für Produkt- und Kaufinformationen.
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