Hallo Mechatroniker!

Willkommen zu einer neuen Ausgabe des SINADRIVES-Blogs zum Thema: Lineare Führungssysteme.

Januar 2021

Dieses Mal werden wir uns die verschiedenen Arten von Linearführungssystemen und ihre Eigenschaften genauer ansehen.

In unserem täglichen Leben muss alles was sich im Raum bewegt geführt werden, denn sonst würde es einfach umfallen. Die Schiebetür unseres Büros, der mobile Wagen einer Maschine oder die Schutztür einer Fräsmaschine, alle werden von einer Linearführung geführt. Die Aufgabe einer Führung besteht darin einen oder mehrere Freiheitsgrade des Objekts einzuschränken. Heute werden wir über Linearführungen sprechen die im Allgemeinen in der Industrie verwendet werden. Dank einer Vielzahl unterschiedlicher Anbieter sind Linearführungen heute für jedes Projekt erschwinglich.

Linearführungen kann man in zwei Gruppen unterteilen:

  1. Linearführungssysteme mit physischem Kontakt zwischen Führungsschiene und Führungswagen.

  2. Linearführungssysteme ohne physischem Kontakt zwischen den beiden Komponenten.

Der wesentliche Unterschied besteht darin:

Die Linearführungssysteme mit physischem Kontakt sind nicht verschleißfrei und benötigen Wartungseinheiten. Während bei den ohne physischem Kontakt arbeitenden der Verschleiß wegfällt.

1. Linearführungssysteme mit physischem Kontakt

1.1 Rollen-Linearführungen

Es gibt verschiedene Ausführungen von Linearrollenführungen.

Man unterscheidet unter: flach-, gotischer- oder V-Bogenführungen.

Diese Ausführungen erlauben auf einfache, wirtschaftliche und wartungsfreundliche Weise die Anwendungen auszuführen (Bild 1). Eine der Hauptbesonderheiten der Rollen-Linearführungen ist ihre Robustheit. Umgebungen mit Staub, Schmutz oder Spänen beeinträchtigen den Betrieb kaum. Ein weiteres hervorzuhebendes Merkmal ist die Ausrichtung. Das heißt, die Toleranzen der Montageflächen von Rollenführungen haben geringere Anforderungen an die Genauigkeit. Die Führung erlaubt Ungenauigkeiten im Maschinen- oder Achsbett und vereinfacht so die Vorbereitung der Montagefläche sowie den Montage- und den Einstellprozess. Sie zeichnet sich auch durch einen geringeren Wartungsaufwand aus. Ein Nachteil ist die geringere Präzision. Ihre geringe Steifigkeit sowie die kurze Lebensdauer insbesondere bei dynamischen Anwendungen. Dies wird hervorgerufen durch die hohe Beschleunigung bei dynamischen Applikationen, die das korrekte Arbeiten der Rollen verhindern. Die Rolle gleitet dann aufgrund ihres Trägheitsmoments auf der Oberfläche anstatt abzurollen, was zusätzlichen Verschleiß an den Start- und Bremspunkten verursacht.

Bild 1: Rollenführung. Quelle: Hepco

1.2. Kugelumlaufführungen

Diese Art von Führung ist aufgrund der einfachen Montage heute eine der beliebtesten Lösungen zur Führung von linearen Bewegungen. Durch die Standardisierung von Größen und Abmessungen zwischen verschiedenen Marken können diese problemlos unter einander getauscht werden. Außerdem haben sie kurze Lieferzeiten und sind preisgünstig.

Zwei Arten von Kugelumlaufführungen

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Kugelumlaufführungen. Die Buchsenführung (für die eine kalibrierte zylindrische Welle erforderlich ist) und die prismatischen Führung mit Führungswagen. Die Version mit Führungswagen wird von den Maschinenherstellern häufiger verwendet. Zu den Vorteilen dieser Führungen zählen die Tragfähigkeit, die hohe Steifigkeit, die hervorragende Präzision und die lange Lebensdauer (Bild 2). Die Montage dieser Führungen ist ohne Weiteres umsetzbar und aufgrund von kompakten Baugrößen ist der benötigte Einbauraum gering. Eine interessante und sehr beliebte Option ist die Ausführung mit umlaufender Kugelkette. Die Kugelkette kann mit einem Separator ausgestattet sein. Dieser garantiert das die Kugeln im Inneren des Wagens keinen Kontakt unter einander haben. Das reduziert Geräusche, Verschleiß und begünstigt die Frequenz der Wartungintervalle. Diese Art von Führungen ist ideal für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und insbesondere hoher Beschleunigung (bis zu 100 m/s2). Die verschiedenen Beschichtungsoptionen und eine Vielzahl von Abstreifervarianten ermöglichen den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie. Die benötigte Präzision der Montagefläche könnte man als Nachteil bewerten. Wenn diese Anforderung bei Anwendungen mit zwei parallelen Führungen nicht erfüllt wird, können die Wagen ein Verkanten und so beim Verfahren zusätzliche Widerstandskräfte erzeugen. Es ist stets auf eine regelmässige Wartung zu achten. Eine ungefettete Führung bedeutet vorzeitiger Verschleiß.

Linearführungssystem: Kugelumwälzführung.

Bild 2: Kugelumwälzführung. Quelle: Bosch Rexroth

1.3. Rollenumlaufführungen

Bei den Rollenumlaufführungen sind die beiden beliebtesten Varianten: die prismatische Führung mit Wagen und die gekreuzte Rollenführung mit Wagen. Die prismatischen Führungen sind bei Werkzeugmaschinenanwendungen weit verbreitet. Dank ihrer hohen Steifigkeit und Präzision bietet die Rollenumlaufführung eine optimale Leistung bei anspruchsvolleren Bearbeitungsapplikationen. Die einfache Montage und die einfache Einstellung machen diese Führungen zur beliebtesten im Bereich des Schwerlastmaschinenbaus. Ein negativer Punkt dieser Führung ist die An,- bzw. Aufbaufläche, diese muss sehr präzise sein. Ein weiterer Nachteil ist die Arbeitsgeschwindigkeit ist nur bis zu einer Geschwidigkeit von 2 m/s zulässig (Bild 3/4 links).

Rollenumlaufführunen mit minimalem “Slip Stick”-Effekt

Die gekreuzten Rollenführungen zeichnen sich durch einen minimalen „Slip Stick“ -Effekt aus. Das Fehlen von Abstreifern ermöglicht eine Widerstandskraft unter 1 Newton. Um ein Verrutschen der Rollen zu verhindern, bieten einige Hersteller ein Rollenkettensystem an, das sich synchron zur Führung bewegt. Diese Art von Führung wird in Anwendungen mit einem kurzen Hub zwischen 0 und 300 mm verwendet und erfordert wie bei allen Rollenführungen eine Montagefläche mit einer sehr hohen Präzision. Ein negativer Punkt dieser Führung ist die benötigte Feineinstellung des Spiels. Eine schlechte Einstellung kann aufgrund der entstehenden Vorspannung die zu vorzeitigem Verschleiß führen kann.

Linearführungssystem
Linearführungssystem: Rollenumlaufführung

Bild 3/4: Führung mit Rollenumlaufführung (Abb.links Quelle: THK ), Führung mit gekreuzter Rollenumlaufführung (Abb.rechts Quelle: Schneeberger)

1.4. Gleitführungen

Es handelt sich aller überlieferung nach um die ältesten Führungen in der Geschichte der Technik. Dank moderner synthetischer Materialien gibt es gegenwärtig ein breites Angebot für Gleitführungen zu erschwinglichen Preisen. Diese Führungsart findet hauptsächlich bei Applikationen mit geringer Dynamik und bei geringer Präzisio Anwendung. Einige Hersteller bieten Gleitführungen für den Einsatz in schwierigen Arbeitsumgebungen wie Schmutz, Staub oder anderen aggressiven Mitteln an. Bei geringer Verfahrgeschwindigkeit bietet diese Art von Führung eine gute Leistung. Die Tragfähigkeit ist akzeptabel und verhält sich proportional zur Kontaktfläche, was bedeutet bei höheren Lasten müssen wir nur die Oberfläche vergrößern. Einer der großen Vorteile beim Einsatz von Polymergleitführungen ist das sie trocken arbeiten können und so keine Schmierung benötigen. Im Gegenteil, das Vorhandensein von Fett kann zu zusätzlichen Verschleißproblemen führen. Zu den Nachteilen der Gleitführungen zählt zweifelohne der Reibungskoeffizient der in den meisten Fällen 0,2 µ übersteigt und dies verpflichtet den Konstrukteur die Antriebe überdimensioniert zu wählen, da ein Fünftel der Kraft durch die Reibung verloren geht. Hochgeschwindigkeitsanwendungen können aufgrund des schnellen Verschleißes nicht mit Gleitführungen durchgeführt werden. Führungen dieses Typs haben normalerweise viel Spiel, das durch eine Vorspannung kompensiert werden kann. Durch diese Vorspannung ergibt sich aber mehr Reibung und so mehr Verschleiß (siehe Bild 5)

Linearführungen: Reibungsführungen.

Bild 5: Reibungsführungen. Quelle: Igus

2. Berührungslose Linearführungen

2.1 Luftlager

Unter allen Führungentechnolgieen ist diese Art von Führung aus tribologischer Perspektive das Optimum. Der Führungswagen schwebt auf der Oberfläche und bietet einen Reibungskoeffizienten von 10-7. Diese Art von Führung eignet sich besonders für dynamische Anwendungen mit einer Beschleunigung von bis zu 300 m/s2. Ein weiterer Vorteil ist die Präzision. Bei einer präzisen und flachen Oberfläche der An,- bzw. Aufbaufläche (wir können Granitbänke als am besten geeignete Fläche für diese Art von Lager hervorheben) bietet diese Art von Führung eine ausgezeichnete Präzision in allen Freiheitsgraden des Bewegungsablaufs. Der Luftdruck kann zwischen 5 und 6 bar variieren. Dieser Druck ist heutzutage in allen Branchen verfügbar. Bei diesem Druck schwebt der Führungswagen, mit einem Abstand von 2 bis 5 Mikrometern, über der Oberfläche. Der wesentliche Vorteil dieser Linearführung ist, es gibt keinen Verschleiß und folglich ist auch keine Wartung erforderlich. Dies bietet den Maschinenbauern eine Lösung, die unter den schwersten Arbeitsbedingungen standhält. Als Anwendungsgebiet können wir Testmaschinen und Prüfstände benennen, die aufgrund von Anforderungen im Kurzhub Bereich ihre Vorteile gegenüber anderen Führungsarten demonstrieren können (siehe Bild 6). Ein ideales Anwendungssegment finden wir bei Hublängen im Bereich von Mikrometern und Hochfrequenzbewegungen. Als negativen Punkt kann man die benötigte Montagefläche erwähnen. Die Montagefläche muss außerordentlich flach, von geringer Rauheit, möglichst resistent gegen Temperaturschwankungen sein und nur minimale Verformungen zulassen.

Linearführungen: Luft gelagerte Führung,

Bild 6 Luft gelagerte Führung. Quelle: SINADRIVES

2.2. Hydrostatische Führungen

Diese Art von Führung ist im Werkzeugmaschinenbau sehr beliebt. Der Raum zwischen Führung und Laufwagen ist mit einem Ölfilm gefüllt. Die Baugruppe scheint als Gleitführung zu fungieren dies jedoch ohne physischen Kontakt. Die Technologie erfordert eine gute Oberflächenpräzision und eine gute Passform um den korrekten Betrieb zu gewährleisten. Hydrostatische Führungen sind sehr präzise und verschleißfrei. Der wesentliche Nachteil dieser Führungart sind die hohen Kosten und das begrenzte Hersteller Angebot auf dem Markt. Aufgrund einer geringen Vielzahl von Applikationen mit dieser Technologie ist die hydrostatische Führung den meisten Konstrukteuren und Maschinenherstellern oftmals unbekannt oder von geringer Bedeutung (Bild 7).

Linearführungen: hydrostatische Führung.

Bild 7: Hydrostatische Führung Quelle: INA Schäffler

2.3 Elektromagnetische Linearführungen

Dieser Führungstyp funktioniert nach dem Prinzip der Magnetschwebebahn. Die Anordnung der verschiedenen Magnetpole erzeugen und realisiern einen konstanten Abstand zwischen der Führung und dem Laufwagen. Das bewegliche Objekt befindet sich so in einer magnetischen Aufhängung. Es ist eine Führungsart ohne Verschleiß. Die Vielzahl von Applikationen ist üblicherweise in Reinräumen und unter Vakuumbedingungen, in denen die Verwendung aller anderen Führungen unzulässig ist. Der Nachteil ist der Preis, da die Kosten für 1 meter Linearführung die Kosten eines jedem anderen Führungstyps bei weitem übersteigen (Bild 8).

Linearführungen: Elektromagnetische Führung.

Bild 8: Elektromagnetische Führung Quelle: SINADRIVES

3. Zusammenfassung der Hauptmerkmale

In der folgenden Tabelle führen wir die Haupteigenschaften der im Blog erläuterten Linearführungssysteme auf:

Eigenschaften Rollen Kugel Umlaufrollen Reibung Luft Hydrostatisch Elektromagnetisch
Steifigkeit + ++ + + ++ +
Geschwindigkeit + + 0 ++ 0 ++
Beschleunigung + 0 + ++ 0 ++
Tragfähigkeit + + ++ ++ ++ ++ +
Genauigkeit + + 0 + ++ +
Montage + + 0 +
Wartung + 0 0 + ++ + ++
Kosten + + 0 +

HINWEIS: „-„begrenzende Leistungsfähigkeit, „0“ neutrale oder durchschnittliche Leistungsfähigkeit,
„+“ positive Leistungsfähigkeit oder Stärke, „++“ exellente Leistungsfähigkeit oder Stärke

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