Vorspannung bei Linearführungen und Linearachsen

Die Vorspannung kann bei vielen Anwendungen der Linearbewegung entscheidend sein. Dieser Artikel erläutert den Zweck der Vorspannung von Linearführungen und Linearachsen und bietet Anleitungen dazu, wann eine Vorspannung vorteilhaft ist, wann sie minimiert oder vermieden werden sollte und wie man den am besten geeigneten Wert der Vorspannung für eine bestimmte Konstruktion ermittelt.

Eine Vielzahl von Linearkomponenten kann vorgespannt werden, darunter Rollenlager, Profilschienenführungen und Kugelgewindetriebe wie Kugelumlaufspindeln und Keilwellen. Bei Linearlagern und -führungen wird die Vorspannung durch Verringerung oder Beseitigung des Spiels zwischen dem Läufer (auch als Laufwagen bezeichnet), seinen Wälzkörpern und der Linearschiene erzeugt.

Das Ergebnis ist eine steifere Baugruppe, die ohne Spiel arbeitet und bei der Aufnahme einer Nutzlast eine geringere Durchbiegung aufweist. Dies ist entscheidend in präzisen Anwendungen, die auf eine genaue, wiederholbare Positionierung angewiesen sind.

Rollon® MGB- und Profilschienen-Linearführungen bieten ein anschauliches Beispiel für die Vorspannung in Systemen, die eine hochpräzise Positionierung von leichten bis schweren Nutzlasten erfordern. Hier besteht der Läufer aus einem Block, der umlaufende Kugelreihen enthält.

Diese Kugeln können im Verhältnis zum Abstand zwischen der Lauffläche der Schiene und der Kugellaufbahn im Läufer leicht überdimensioniert sein. Leicht überdimensionierte Kugeln können eine Vorspannung von etwa 2 % der Tragzahl der Linearführung bewirken, während überdimensionierte Kugeln eine höhere Vorspannung von etwa 4 % erzeugen können.

Die Rollon® MGB-Serie ist in drei Vorspannungsklassen erhältlich:

K0: Vorspannung nahe Null für gleichmäßige Bewegung.
K1: Leichte Vorspannung für verbesserte Steifigkeit, reduzierte Durchbiegung und minimierte Vibrationen, wobei Steifigkeit und flüssige Bewegung im Gleichgewicht gehalten werden.
K2: Erhöhte Vorspannungen für maximale Steifigkeit unter dynamischen Tragzahlen oder Vibrationen, auf Kosten erhöhter Reibung und verminderter Lebensdauer oder Beschleunigungsfähigkeit.

MGB-Linearführung

So wählen Sie die am besten geeignete Vorspannung aus

Die optimale Vorspannung für ein Linearlager oder eine Schiene hängt in erster Linie ab von:

Der Anzahl der auf einer Achse verwendeten Schienen.
Der erreichbaren Parallelität zwischen parallelen Schienen (sofern zutreffend).

Beispielsweise verwenden Doppelschienen-Linearachsen wie Rollon® Robot Plus oder R-Smart zwei Laufwagenpaare auf parallelen Schienen, um eine Vierpunktlagerung zu gewährleisten und Abstand-, Roll- und Gierbewegungen zu minimieren. In solchen Systemen steigen mit zunehmender Vorspannung auch die Anforderungen an die Ausrichtung. Eine unzureichende Ausrichtung kann andernfalls zusätzliche Kräfte und Momente verursachen, die die Lebensdauer verkürzen.

Linearachse Robot Plus

Steifigkeit und Anwendungsdynamik sind ebenfalls entscheidende Faktoren. Kugelgewindetriebe und Linearmotoren werden oft mit mäßig oder stark vorgespannten Führungen kombiniert, da die Anwendungen, die diese Antriebe rechtfertigen, in der Regel auch eine hohe Steifheit erfordern. Eine Präzisions-Kugelgewindetriebseinheit wie der Rollon® TT-Linearantrieb profitiert von einem höheren Vorspannungsblock, um eine hohe Steifheit zu erreichen.

Eine höhere Vorspannung kann zudem ein Durchrutschen der Wälzkörper bei hohen Beschleunigungen verhindern, wie beispielsweise in Systemen, die von Linearmotoren angetrieben werden.

Es gibt jedoch Fälle, in denen eine übermäßige Vorspannung Nachteile mit sich bringt. Bei Miniaturkonstruktionen oder kostensensiblen Anwendungen kann die Vorspannung die erwartete Lebensdauer verkürzen oder aufgrund erhöhter Reibungskräfte größere, teurere Motoren erfordern. Wenn die Vorspannung zu einer inakzeptablen Wärmeentwicklung führt, sollte sie reduziert oder ganz vermieden werden.

In seltenen Fällen, in denen die Vorspannung eine statische Belastung verursachen kann, die nicht vollständig durch die Achslast ausgeglichen wird, sollten ihre Auswirkungen auf die Tragzahl und die Lebensdauer des Systems sorgfältig bewertet werden, bevor eine endgültige Entscheidung getroffen wird.

Wenn eine Vorspannung unerlässlich ist

Eine leichte Vorspannung – typischerweise 2 % der Tragzahl einer Schiene – ist oft erforderlich, um die Positioniergenauigkeit in Anwendungen wie Schneiden, Drucken, Montieren, Verpacken, medizinischer Bildgebung und anderen echten Motion-Control-Anwendungen mit leichten bis mittleren Nutzlasten aufrechtzuerhalten. Eine leichte Vorspannung kann auch in Anwendungen ausreichen, in denen sich Nutzlasten konstant in eine Richtung bewegen.

Eine mittlere bis hohe Vorspannung – 5 % – ist in der Regel erforderlich, um eine Durchbiegung der Führung in Lager-, Bearbeitungs- und anderen Bewegungssystemen zu verhindern, die größere Lasten transportieren. Eine höhere Vorspannung ist zudem entscheidend, um die Durchbiegung bei freitragenden Linearachsen zu minimieren, wie sie beispielsweise bei kartesischen Roboter-Endeffektoren zu finden sind.

Auswahl des richtigen Linearsystems für Ihre Anwendung

Wenn die Vorspannungen eine Rolle spielen, ist die Wahl des richtigen Wertes von Anfang an entscheidend, um die Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Kosten zu erfüllen. Die Beratung durch einen Rollon-Ingenieur kann dazu beitragen, sicherzustellen, dass Ihr Linearsystem genau auf die Anforderungen Ihrer Anwendung zugeschnitten ist.

Wenden Sie sich an einen Rollon-Ingenieur, um die beste Schiene für Ihr System zu finden.

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