Lineartechnik

Eine Lösung –  zweifacher Nutzen

Seit ihrer Markteinführung vor zehn Jahren werden Kompaktlinearachsen von THK weltweit in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Vor allem ihre Benutzerfreundlichkeit kennzeichnet die einbaufertige Kombination aus Linearführung und Kugelgewindetrieb. Neu auf dem Markt ist die Baureihe SKR mit der bekannten Kugelketten-Technologie – und den gleichen Anschlussmaßen wie der verbreitete Typ KR.

Für den Konstrukteur stellt sich bei der Realisierung einer Linearbewegung die grundsätzliche Frage, ob er eine zugekaufte Systemlösung einsetzen will oder Führung und Antrieb getrennt beschafft und in eine eigene Peripherie-Konstruktion integriert. Vor allem bei geringem Einbauraum oder wenn die Kernkompetenz der Firma nicht im Maschinenbau angesiedelt ist – sondern beispielsweise in der Biotechnologie – greift man aus gutem Grund gern auf fertige Linearachsen zurück: Die Linearachsen des Typs KR haben eine zentral in den Führungswagen integrierte Kugelgewindetriebs-Mutter.

Die vier umlaufenden Kugelreihen sind in X-Anordnung unter 45 Grad platziert, so dass sie Belastungen aus allen vier Hauptrichtungen gleichmäßig aufnehmen können. Die günstige Laufbahnkonfiguration in Kreisbogenform sorgt für geringen Differentialschlupf. Hierdurch minimieren sich Schwankungen des Verschiebewiderstands infolge von Belastungsänderungen. Somit lassen sich hochpräzise Positionieraufgaben realisieren. Mit diesem kompakten Aufbau bildet die Linearachse eine einbaufertige Lösung. Dagegen ist der Aufwand für eine Eigenkonstruktion mit Linearführung und separater Lagerung des Kugelgewindetriebs vergleichsweise hoch. Neben dem Zeitfaktor für den Konstruktionsaufwand muss man bei einem Vergleich noch weitere Aspekte berücksichtigen: Der Einsatz einer Linearachse reduziert die Zahl der Bauteile, die mit separat angefertigten Einzelteil-Zeichnungen jeweils zugekauft oder gefertigt werden müssten. Das bedeutet auch einen höheren Aufwand für den Einkauf und die Arbeitsvorbereitung. Erheblich zeit- und kostenintensiver gestaltet sich auch die Montage einer individuellen Konstruktionslösung.

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Positioniergenauigkeit inklusive

Ein weiterer, wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl ist die geforderte Endgenauigkeit des Linearsystems. Während sie bei einer Eigenkonstruktion mit aufwändiger Justierarbeit verbunden ist, stehen bei den KR-Achsen verschiedene Präzisionsklassen als einbaufertiges System zur Auswahl. Ihre Positioniergenauigkeit beträgt bis zu 20 Mikrometer, die Wiederholgenauigkeit bis zu plus/minus drei Mikrometer. Durch die hohe Eigensteifigkeit des Stahlprofils werden nur geringe Anforderungen an die Genauigkeit der Montageflächen gestellt.

Je nach Präzisionsklasse kommen in den Achsen gerollte oder geschliffene Kugelgewindetriebe mit Steigungen von einem bis 25 Millimeter zum Einsatz. Die Achsen gibt es in vielen Baugrößen und Ausführungen, beispielsweise mit unterschiedlichen Wagenlängen und der Option, zwei Wagen in einer Achse einzusetzen.

Die neue Miniaturachse KR15 rundet das Spektrum der Baugrößen nach unten ab. Mit einem Querschnitt von 30 mal 15 Millimetern vereinigt sie Steifigkeit und Präzision auf engem Raum. Die Ausführung in korrosionsbeständigem Stahl lässt sich auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen einsetzen. Von dieser kleinsten Baugröße 15 bis zur größten Ausführung KR65 stehen insgesamt neun Baureihen zur Verfügung. Optional gibt es ein umfangreiches Zubehörprogramm: Faltenbalg oder Blechabdeckung zum Schutz vor Verunreinigungen, Kupplungen und Flansche für den Anschluss eines Motors sowie Sensoren mit passenden Schaltwinkeln nebst Befestigungsschiene als Endschalter.

Das jüngste Mitglied in der Produktfamilie der kompakten Linearachsen ist die Baureihe SKR mit integrierter Kugelkette. Hierbei trennt eine Kunststoffkette die Wälzkörper voneinander und führt sie kontrolliert durch den Umlauf. Diese Technologie verleiht der Kompaktlinearachse sehr gute Laufeigenschaften und ermöglicht höhere Verfahrgeschwindigkeiten. Weil neben der Führungseinheit auch der Kugelgewindetrieb mit der ,,Caged Ball"-Technologie ausgerüstet ist, unterliegt das Drehmoment geringeren Schwankungen. Durch die Kugelkette sind die Wälzkörper stets von einem Schmierfilm umgeben. Daher ist ein wartungsfreier Betrieb möglich, insbesondere in Kombination mit dem Langzeitschmiermodul QZ zur permanenten Minimalmengen-Schmierung. Zusätzlich vermindert die integrierte Kugelkette Geräusch- und Partikelemissionen.

Hochpräzise Montageroboter

Die in den letzten Jahren fortschreitende Miniaturisierung von mechanischen, elektronischen und optischen Komponenten korrespondiert mit dem wachsenden Bedarf an hochgenauen Montagesystemen. Die SPI GmbH in Oppenheim entwickelt und baut Hochpräzisionsroboter für Montageaufgaben im Mikrometer-Bereich und setzt seit Jahren für die Aktorik Linearachsen von THK ein.

Man kann die – für hochgenaue Operationen geeigneten – Achsen mit Schrittmotoren oder Servoantrieben bestücken. Ihre hohe Steifigkeit ermöglicht den Aufbau komplexer motorisierter Greiferkomponenten oder Dispensereinheiten in Kombination mit Sensoren oder Videomikroskopen. Die Antriebe lassen sich mit geringem Aufwand mit Glasmaßstäben von Heidenhain oder anderen Herstellern verbinden, so dass man geregelte Positionieraufgaben im Mikrometerbereich realisieren kann. Bei Schrittmotorantrieben erreicht man eine Inkrementierung bis zu 20 Nanometern. Die Verfahrgeschwindigkeiten liegen bei maximal 250 Millimetern je Sekunde (Schrittmotoren) beziehungsweise 500 Millimetern in der Sekunde (Servoantriebe). Die Aktorik dieser hochpräzisen Roboter wird in der Regel als Portalsystem aufgebaut, das sich relativ einfach montieren lässt. Die Grundachsen werden durch zwei synchron operierende Antriebe realisiert, die auf einer extrem planen Granitbasis aufliegen.

Montagegenauigkeiten im Mikrometerbereich lassen sich nicht ohne Unterstützung durch Bildverarbeitung realisieren. Die Systeme von SPI sind deshalb grundsätzlich mit Videomikroskopen ausgerüstet, die die flexible Steuerung der Montageleistung durch Bildverarbeitung ermöglichen. Das heißt, alle selbst entwickelten Greifersysteme sind so konstruiert, dass ein oder mehrere Videomikroskope in den Greifer integriert sind, die das Werkstück kontinuierlich während des Prozessablaufes visualisieren. Gleichzeitig müssen auch die Strukturen am Montageort mikroskopisch aufgelöst und bildverarbeitungstechnisch mit den Strukturen auf dem Werkstück in Übereinstimmung gebracht werden.

Für diese Aufgaben entwickelte SPI ein spezielles Videomikroskop, das TIMM (technisch-industrielles Miniatur-Mikroskop). Es hat eine kleine Bauform, eine geringe Masse und eignet sich durch seine hohe optische Leistung gut für den Einsatz in der Robotik. Man kann es leicht in Greifer integrieren und zur Prozessvisualisierung mikroskopischer Strukturen einsetzen. Das ist das entscheidende Instrument für einen bildverarbeitungsgeführten Montageablauf. Derartige hochpräzise Montageanlagen sind beispielsweise bei Agilent, Olympus und Siemens im Einsatz. Weitere typische Anwendungsgebiete für diese Linearachsen finden sich bei Bestückungsautomaten, Präzisions-Schneid- und Graviermaschinen sowie Handlingslösungen und im allgemeinen Maschinenbau. Im Zuge gemeinsamer Entwicklungsprojekte sind auch kundenspezifische Lösungen möglich. So baut THK komplette Kreuztische aus KR-Einheiten auf, die als komplexe Baugruppen einbaufertig an die Kunden geliefert werden. Gunthart Mau

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