Hallo, Mechatroniker!

Willkommen zu einer neuen Ausgabe des SINADRIVES-Blogs mit dem Thema: Luftlagerschlitten.

Dezember 2021

In diesem neuen Beitrag geht es um die Funktionsweise von Luftlagerschlitten. Dieses Führungssystem wird oft in Linearachsen verbaut, die mit Elektromotoren angetrieben werden. Möglicherweise klingt Ihnen das Konzept des Luftlagerschlittens nach Raumfahrttechnologie, sehr teuer und für die meisten Industrieanwendungen unerschwinglich. Heute wollen wir mit einigen Mythen aufräumen und auf einfache Weise erläutern, wie Ihr Unternehmen diese Technologie nutzen kann, um die Leistungen Ihrer Maschine zu verbessern.

Wir haben alle schon einmal in einer Spielhalle ein Air-Hockey Tisch gesehen – das ist ein vereinfachter Luftlagerschlitten. Die Kunststoffscheibe gleitet über die Fläche mit Öffnungen, aus denen die Druckluft strömt. Dieser Druck hebt die Scheibe leicht an und minimiert damit die Reibung an der Oberfläche.

Ein Luftlagerschlitten, gelegentlich auch als Luftlager, Luftkissenlager oder Luftkissen bezeichnet, ist ein rechteckiges oder zylindrisches Element, das an einer Fläche des Schlittens mit kleinen Öffnungen versehen ist. Das Einleiten von Druckluft mit 5 bis 8 Bar erzeugt ein Luftkissen zwischen der Gleitfläche und dem Schlitten selbst. Dieses Luftkissen kann unterschiedlich groß sein, von 2-3 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern, je nach Anwendung, verwendeter Lagertechnologie und eingesetzter Gleitfläche.

Beispielsweise in einem Industriesystem, in dem die Maschinen sehr präzise arbeiten müssen und eine geführte lineare Bewegung durch elektrische Linearmotoren oder lineare Stelleinheiten angetrieben wird, bei deren Bewegungen eine chirurgischer Präzision gefordert ist und eine nur minimale Fehlerabweichung zulässig ist.

Unter diesem Link finden Sie die visuelle Darstellung eines Luftlagerschlittens und seiner Funktionsweise:

Im Hinblick auf die Reibungseffizienz steht der heute verfügbare Luftlagerschlitten ganz eindeutig an erster Stelle. Auf der ganzen Welt ist keine andere Technologie mit einem so niedrigen Reibungskoeffizienten bekannt. Da dabei kein Element mit einem anderen in Berührung kommt, beschränkt sich die Reibung auf die Viskosität der Luft selbst und ihre Reibung.

Wenn wir die Kraft für Anwendungen dieser Art berechnen, wird der Reibungskoeffizient in der Formel gleich 0 gesetzt. Mit anderen Worten, für eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (laut F = m x g x µ) ist die erforderliche Kraft immer 0. Für das Beschleunigen und das Abbremsen ist eine Kraft erforderlich, die von der Masse und der gewünschten Beschleunigung abhängt, aber die erforderliche Kraft, die für eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit eingesetzt werden muss, ist gleich Null.

Wie zuvor schon angesprochen kann die Höhe des Luftkissens je nach Gleitoberfläche unterschiedlich groß sein. In industriellen Anwendungen, bei denen der Schlitten über einen Hartgesteintisch oder eine geschliffene Stahlplatte fährt, schwankt die Höhe des Luftkissens im Allgemeinen zwischen 3 und 10 Mikrometern. In diesem Zusammenhang sind einige technische Konzepte zu berücksichtigen:

3.1 Ein kleines Luftkissen erfordert eine höhere absolute Genauigkeit der Gleitfläche (wie Ebenheit und Geradheit) und eine geringe Rautiefe.

3.2 Ein großes Luftkissen senkt die Steifigkeit des Schlittens und wirkt sich nachteilig auf das Systemverhalten aus (siehe Grafik 1 – Steifigkeitsgrafik).

3.3 Ein großes Luftkissen erhöht den Druckluftverbrauch (siehe Grafik 2 – Beispiel Luftverbrauch).

Der Luftlagerschlitten schränkt die Bewegungsfreiheit nur um einen Freiheitsgrad ein. Um die Anwendung vervollständigen zu können, sind mindestens 4 Schlitten erforderlich, um die 2 Richtungen in Y und die 2 Richtungen in Z zu begrenzen. Im nachstehenden Bild ist diese Konfiguration dargestellt. Der einzige noch verbleibende Freiheitsgrad ist die Bewegung in Richtung X.

Es gibt eine Vielzahl von Konfigurationen, mit denen die Freiheitsgrade in einem Linearachsensystem begrenzt werden können. Im Folgenden zeigen wir einige davon: 3+3+4, 4+4+4.

Mit einer Konfiguration, in der die Schlitten einander gegenüberstehen, wird eine mechanische Vorspannung erzielt, um das Luftkissen und das Schlittensystem zu steuern. Diese Vorspannung muss konstant sein, um eine störungsfreie Funktion der ganzen Maschinen sicherzustellen.

Aufgrund der großen Oberfläche des Schlittens ist die Traglast sehr hoch. Das können bis zu 150-250 N/mm² sein (mit Druckluft bei 4 bis 6 Bar). Diese Traglast ermöglicht auch bei schweren Lasten die Ausführung kompakter Anwendungen.

Unter dem nachstehenden Link können Sie ein Portal mit Linearachsen X-Z sehen. Das Gewicht der X-Achse beträgt 150 kg. In vertikaler Richtung sind lediglich 3 Luftlager mit den Abmessungen 180×120 mm vorhanden.

Wenn die Vorspannung des Luftlagers richtig ausgeführt ist und die Grundfläche eine hohe Genauigkeit besitzt, dann haben wir eine Ebenheit mit Werten von ± 2-3 Mikrometern.

Der größte Vorteil eines Luftlagers ist der Wegfall der Reibung. Es gibt keinen Kontakt zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Teil, folglich gibt es auch keinen Verschleiß. Die Baugruppe kann rund um die Uhr arbeiten, ohne Stillstandszeiten, Einstellungen oder Unterbrechungen.

Eine Einheit aus Luftlagerschlitten und Linearmotor bildet eine 100% wartungsfreie Funktionsgruppe. Das bringt im Wesentlichen einen großen Vorteil mit sich, nämlich dass der Verschleiß entfällt und die Anlage dadurch über Millionen von Zyklen ohne eine einzige Unterbrechung durcharbeiten kann. Zu einer hohen Effizienz kommen die minimalen Energiekosten, die geringen Vibrationen und eine sehr hohe Zuverlässigkeit. Die Verwendung dieser Art von Lagerschlitten erhöht die Verfügbarkeit der Maschine und verbessert die Sicherheit der Operationen. Die Führungselemente können perfekt in Systeme aus Linearachsen mit Linearmotor integriert werden.

Wenn Sie für eine Ihrer Anwendung die Leistungen Ihrer Maschine in Sachen Geschwindigkeit, Dynamik oder Präzision verbessern oder einfach den Wartungsaufwand senken möchten, dann kontaktieren Sie uns unter info@sinadrives.com

Gerne stehen wir Ihnen auch telefonisch und persönlich zu diesem und allen anderen Themen zur Verfügung.

Wir sehen uns in der nächsten Ausgabe. Bis dahin alles Gute!

Ihr SINADRIVES Team.