So passen Sie eine Kugelumlaufspindel und eine Linearführung für eine Achse an: Last, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Größe

A KugelumlaufspindelUndLinearführungFühren Sie verschiedene Funktionen auf derselben Bewegungsachse aus. In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Sie sie anhand von Last, Geschwindigkeit, Genauigkeit, Hub, Steifigkeit und Installationsbedingungen dimensionieren und anpassen, anstatt sich auf feste Größenpaarungen zu verlassen.

1. Was trägt die Kugelumlaufspindel und was tragen die Linearführungen?

Die Kugelumlaufspindel und die Linearführungen arbeiten zusammen, tragen jedoch nicht die gleichen Lasten.

DerKugelumlaufspindeln übertragen hauptsächlich Axialschub. Abhängig von der Maschine können dies Beschleunigungskräfte, Prozesskräfte, Reibungswiderstände und, auf einer vertikalen Achse, das Gewicht der bewegten Baugruppe sein.

DerLinearführungen unterstützen und beschränken die bewegliche Struktur. Sie tragen vertikale und seitliche Kräfte und widerstehen Nick-, Gier- und Rollmomenten, die durch die Last, äußere Kräfte und den Schwerpunktsversatz entstehen.

Aus diesem Grund sollte eine Kugelumlaufspindel nicht als das hauptsächliche radiale Führungselement der Achse betrachtet werden. Die Führungen sollen den Bewegungspfad steuern, während die Schraube hauptsächlich für die Antriebskraft sorgt.

2. Vor der Dimensionierung erforderliche Anwendungseingaben

Erfassen Sie vor der Auswahl einer Komponente die Betriebsbedingungen der gesamten Achse.

Bewegte Masse

Schließen Sie alle Komponenten ein, die sich mit dem Schlitten bewegen, wie z. B. Tisch, Vorrichtung, Werkstück, Spindel, Werkzeuge und alle auf der beweglichen Baugruppe montierten Geräte.

Äußere Kräfte

Identifizieren Sie Schneid-, Press-, Klemm- oder andere Prozesskräfte. Die Richtung und der Punkt, an dem die Kraft wirkt, sind wichtig, da sie sowohl den Kugelgewindetrieb als auch die Momentbelastungen der Linearführung bestimmen.

Montageausrichtung

Bestimmen Sie, ob die Achse horizontal, vertikal oder geneigt ist. Auf einer horizontalen Achse wird die Schwerkraft hauptsächlich durch die Führungen unterstützt. Auf einer vertikalen Achse wird die Schwerkraft auch zu einer kontinuierlichen axialen Belastung des Kugelumlaufspindel- und Antriebssystems.

Hub und Einbaulänge

Der effektive Verfahrweg ist nicht dasselbe wie die Gesamtlänge der Schraube. Außerdem wird Platz für die Kugelmutter, die Stützeinheiten, die Wellenendenbearbeitung und den Maschinenaufbau benötigt.

Geschwindigkeit und Beschleunigung

Beschleunigung erzeugt Trägheitskraft gemäß:

F = m × a

Eine schwere Achse kann selbst bei mäßiger Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung erheblichen Schub erzeugen.

Genauigkeitsanforderungen

Definieren Sie Positionierungsgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit, zulässiges Spiel oder Axialspiel und erforderliche Steifigkeit. Der Grad der Schraubengenauigkeit sollte sich nach den tatsächlichen Positionierungsanforderungen der Maschine richten und nicht einfach den höchsten verfügbaren Grad auswählen.

Arbeitszyklus

Betriebsstunden, Zyklen pro Stunde, Verfahrweg pro Zyklus und Lastschwankungen beeinflussen die erforderliche Lebensdauer sowohl der Kugelumlaufspindel als auch der Linearführungen.

3. Dimensionieren Sie die Linearführungen anhand von Kräften, Momenten und Blockabständen

Die Dimensionierung der Linearführungen sollte nicht nur auf dem Gesamtgewicht der Maschine basieren.

Beispielsweise erzeugt eine bewegliche Einheit mit einem Gewicht von 500 kg eine Gravitationskraft von ungefähr:

500 × 9.81 = 4,905 N

Wenn die Achse zwei Schienen und vier Blöcke verwendet, ergibt die gleichmäßige Aufteilung von 4.905 N auf vier Blöcke nur einen idealisierten statischen Wert. Echte Maschinen haben oft einen versetzten Schwerpunkt oder äußere Kräfte, die Momente erzeugen.

Bei der Auswahl des Leitfadens sollte daher Folgendes berücksichtigt werden:

• Schienenabstand-zu-;
• Block-zu-Blockabstand;
• Schwerpunkt--Höhe;
• Längs- und Querlastposition;
• äußere Kraftrichtung;
• Nick-, Gier- und Rollmomente.

Eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Schienen verbessert im Allgemeinen den Widerstand gegen Rollmomente, während eine Vergrößerung des Längsabstands zwischen den Blöcken den Widerstand gegen Nick- und Giermomente verbessern kann.

Überprüfen Sie nach der Berechnung der Lastverteilung die dynamische Tragzahl, die statische Tragzahl, die zulässigen Momente und die erforderliche Lebensdauer des Führungsherstellers.

4. Bemessen Sie die Kugelumlaufspindel anhand von Schubkraft, Lebensdauer, Knickung und kritischer Geschwindigkeit

Erforderlicher Axialschub

Für eine horizontale Achse kann der erforderliche Schraubenschub aus der Beschleunigungskraft, der externen Prozesskraft und dem mechanischen Widerstand abgeschätzt werden.

F_gesamt = F_{Beschleunigung} + F_Verfahren + F_Widerstand

Bei einer vertikalen Achse muss auch die Schwerkraft berücksichtigt werden. Allein eine vertikal bewegte Masse von 500 kg erzeugt eine Gravitationslast von ca. 4.905 N, bevor Beschleunigungs- und Prozesskräfte hinzukommen.

Lebensdauer der Kugelumlaufspindel

Die Lebensdauer einer Kugelumlaufspindel hängt von der Beziehung zwischen der dynamischen Tragzahl der Spindel und der äquivalenten axialen Betriebslast ab. Es sollte das tatsächliche Lastkollektiv berücksichtigt werden, anstatt nur die maximale Kraft zu verwenden.

Knicken

Lange Kugelgewindetriebe, die auf Druck beansprucht werden, müssen auf Knicken geprüft werden. Wichtige Faktoren sind der Durchmesser des Schraubenfußes, die freitragende Länge, die Anordnung der Stützen und die Druckkraft.

Kritische Geschwindigkeit

Auch lange rotierende Schnecken müssen unterhalb ihrer zulässigen kritischen Drehzahl bleiben. Die erforderliche Schneckendrehzahl hängt von der Lineargeschwindigkeit und der Schneckensteigung ab.

Eine größere Steigung kann die Schneckendrehzahl bei gleicher linearer Verfahrgeschwindigkeit verringern, verändert aber auch das Motordrehmoment, den mechanischen Vorteil und die Positionierungsauflösung. Durchmesser und Steigung sollten daher gemeinsam gewählt werden.

5. Passen Sie Genauigkeit, Vorspannung und Steifigkeit an

Die Belastbarkeit allein entscheidet nicht darüber, ob Schraube und Führung richtig aufeinander abgestimmt sind. Die komplette Achse muss zudem die erforderliche Genauigkeit und Steifigkeit aufweisen.

Genauigkeit der Kugelumlaufspindel

Wählen Sie den Genauigkeitsgrad der Kugelumlaufspindel entsprechend dem Achsweg, der Positionierungstoleranz, der Steuerstrategie und dem Gesamtfehlerbudget der Maschine aus.

Vorladen

Die Vorspannung der Kugelumlaufspindel kann das Axialspiel verringern und die Steifigkeit erhöhen, während die Vorspannung der Führung die Verschiebung bei wechselnden Lasten verringern kann. Eine zu hohe Vorspannung erhöht jedoch die Reibung, die Wärmeentwicklung und die Anfälligkeit für Montagefehler.

Ziel ist es nicht, überall maximale Vorspannung oder maximale Präzision vorzugeben. Spindel, Führungen, Stützlager, Kupplung, Montageflächen und Maschinenrahmen sollten als ein mechanisches System ausgewählt werden.

6. Überprüfen Sie die Ausrichtung von Schraube und Führung sowie die Installationsgeometrie

Selbst richtig dimensionierte Komponenten können eine schlechte Leistung erbringen, wenn die Schraube und Führungen mit einer übermäßigen Fehlausrichtung installiert werden.

Wichtige Installationsfaktoren sind:

• Schienenmontage-Oberflächengeradheit;
• Parallelität zwischen Führungsschienen;
• Ausrichtung der Kugelumlaufspindel;
• Unterstützung-Lagerausrichtung;
• Montagegenauigkeit der Kugelmutter;
• Steifigkeit des beweglichen Wagens.

Eine schlechte Ausrichtung kann das Antriebsdrehmoment, die Hitze und den Verschleiß erhöhen und gleichzeitig die Lebensdauer und Positionierungsleistung verringern. Vorgespannte Systeme stellen grundsätzlich höhere Anforderungen an die Montagegenauigkeit.

7. Arbeitsbeispiel: Eine 500 kg schwere horizontale Automatisierungsachse

Betrachten Sie eine vorläufige horizontale Automatisierungsachse mit den folgenden Anforderungen:

Schritt 1: Berechnen Sie die Trägheitskraft

Bei einer Beschleunigung von 1,0 m/s²:

F = 500 × 1.0 = 500 N

Dies ist nur die Beschleunigungskraft. Hinzu kommen noch Prozesskraft und mechanischer Widerstand.

Schritt 2: Berechnen Sie die Führungslast

Das Führungssystem trägt ein statisches Gewicht von ca. 4.905 N. Allerdings können einzelne Blocklasten erst bestätigt werden, wenn Schienenabstand, Blockabstand und Schwerpunktposition bekannt sind.

Schritt 3: Wählen Sie die Führungsanordnung aus

Berechnen Sie anhand der tatsächlichen Maschinengeometrie die Kräfte und Momente, die auf jeden Block wirken, und wählen Sie dann eine Führungsserie und Blockkonfiguration aus, die die erforderliche Tragfähigkeit, Momentkapazität, Steifigkeit und Lebensdauer bieten.

Schritt 4: Wählen Sie die Kugelumlaufspindel aus

Bestimmen Sie den erforderlichen Axialschub und überprüfen Sie anschließend den Schraubendurchmesser, die Steigung, die dynamische Belastbarkeit, die erwartete Lebensdauer, die kritische Geschwindigkeit und gegebenenfalls die Knickung.

In diesem Beispiel wird bewusst keine feste Schrauben- oder Führungsgröße angegeben, da die fehlenden Geometrie- und Prozesskraftdaten die endgültige Auswahl erheblich verändern können.

8. Häufige Matching-Fehler

Verwendung einer festen Schraube-zur-Führungsgrößentabelle

Es gibt keine universelle -zu{1}}Beziehung zwischen dem Durchmesser der Kugelumlaufspindel und der Größe der Linearführung.

Auswählen von Führungen nur anhand des Maschinengewichts

Der Schwerpunktsversatz und externe Momente können zu viel höheren Belastungen auf einzelne Blöcke führen, als eine einfache Gewichtsberechnung vermuten lässt.

Auswählen einer Kugelumlaufspindel nur anhand der Tragfähigkeit

Eine Schraube kann über eine ausreichende axiale Tragfähigkeit verfügen, aber dennoch die kritischen -Geschwindigkeits-, Knick-, Steigungs- oder Installationslängenanforderungen der Anwendung nicht erfüllen.

Beschleunigung ignorieren

Durch die Beschleunigung können erhebliche Schub- und Momentbelastungen entstehen, insbesondere bei schweren Achsen mit hohen Zyklen.

Verwendung der Kugelumlaufspindel als Führung

Die Linearführungen sollen den Bewegungspfad steuern. Die Kugelumlaufspindel soll hauptsächlich die axiale Antriebskraft übertragen.

Angabe einer zu hohen Vorspannung

Mehr Vorspannung ist nicht immer besser. Eine zu hohe Vorspannung erhöht die Reibung, die Hitze und die Empfindlichkeit gegenüber Montagefehlern.

9. RFQ-Checkliste für ein komplettes Kugelumlaufspindel- und Linearführungssystem

Für eine vorläufige Auswahl von Kugelumlaufspindeln und Linearführungen geben Sie bitte Folgendes an:

• Bewegte Masse und äußere Prozesskraft
• Horizontale, vertikale oder geneigte Montage
• Effektiver Schlaganfall
• Maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung
• Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit
• Tägliche Betriebsstunden und Takthäufigkeit
• Verfügbare Einbaulänge der Kugelumlaufspindel
• Anzahl Schienen und Blöcke
• Schienenabstand und Blockabstand
• Schwerpunktposition--, falls verfügbar
• Arbeitsumgebung
• Prototyp und Produktionsmenge

Eine Maschinenzeichnung oder eine einfache Achsenanordnung ist besonders nützlich, wenn die Last von der Mittellinie der Führung versetzt ist.

Abschluss

Beim Zusammenpassen einer Kugelumlaufspindel und einer Linearführung kommt es nicht darauf an, zwei Kataloggrößen zu kombinieren.

Die Linearführungen sollten nach Kräften, Momenten, Lastverteilung, Geometrie und geforderter Lebensdauer ausgewählt werden. Die Kugelumlaufspindel sollte entsprechend den Anforderungen an Axialschub, Lebensdauer, Durchmesser, Steigung, kritische Geschwindigkeit, Knickung und Positionierung ausgewählt werden.

Die endgültige Kombination sollte dann als Gesamtsystem auf Steifigkeit, Genauigkeit, Ausrichtung und Einbaubedingungen überprüft werden.

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