WARUM V-FÜHRUNGEN OFTMALS

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1 WARUM V-FÜHRUNGEN OFTMALS DIE BESTE LÖSUNG SIND. +49 (0) INFO.DE@hepcomotion.com

2 WARUM V-FÜHRUNGEN OFTMALS DIE BESTE LÖSUNG SIND. Bei der Auswahl von Linearführungsprodukten entscheidet man sich meist für sogenannte Profilführungen oder Kugelumlaufführungen. Diese basieren auf dem Prinzip eines Blocks, der umlaufende Kugeln enthält, welche die Bewegung entlang einer Schiene ermöglichen. Sie sind in international genormten Größen erhältlich. Tatsächlich wären Konstrukteure bei vielen Anwendungen jedoch besser beraten, die Vorteile alternativer Technologien zu berücksichtigen V-Führungen stehen hier an erster Stelle. Sie sind unkompliziert, bieten viele Designvarianten und sind einfach zu installieren all das bei einer außergewöhnlich langen Lebensdauer. Diese Eigenschaften lassen V- Führungsprodukte bei vielen Designern immer beliebter werden. Dieses Whitepaper enthält Informationen zu: Auswahlkriterien V-Führungen im Vergleich zu anderen Systemen Konstruktionsmöglichkeiten, mit denen durch V-Führungen die Montagezeit reduziert werden kann V-Führungen sind gemeinhin auch als V- Schienen bekannt. AUSWAHLKRITERIEN Beinahe alle Produkte von HepcoMotion basieren auf dem sehr einfachen, jedoch äußerst erfolgreichen V-Prinzip. Tausende von Metern werden jeden Tag in allen Industriesektoren auf Hepco V-Führungen verfahren. Bei einfachen Anwendungen wird der Auswahlprozess stark vom Preis beeinflusst. Auch wenn eine günstigere Option auf kurze Sicht verlockend erscheint, sollte das Augenmerk tatsächlich auf die Leistung während der gesamten Maschinenlebensdauer gelegt werden. Durch Systemaustausch bedingte Ausfallzeiten können sich enorm auf Produktionsraten und Herstellungskosten auswirken, ganz zu schweigen von der zusätzlich benötigten Ersatzteilhaltung. Der Trend hin zu geringeren Wartungskosten für Produktionsanlagen hat Konstrukteure auf die V- Führungstechnologie aufmerksam gemacht, da sie sich im Vergleich zu anderen Lösungen als extrem verlässlich erwiesen hat. V-FÜHRUNGEN IM VERGLEICH ZU KUGELUMLAUFFÜHRUNGEN 1. LEBENSDAUER Kugelumlaufführungen gleicher Größe besitzen höhere Tragfähigkeiten; die Größe von V- Führungen wird jedoch immer danach ausgewählt, welche Lebensdauer vom Kunden benötigt wird, basierend auf dem Arbeitszyklus der Maschine. Solange der vorhandene Platz nicht auf den letzten Millimeter begrenzt ist, stellt ein System mit größeren Abmessungen für Designer selten ein großes Problem dar. 2

3 In den seltensten Fällen muss der Kunde ein V- Führungssystem komplett austauschen, weil es das Ende seiner natürlichen Lebensdauer erreicht hat. HepcoMotions Hauptsystem GV3 wird meist mit doppelseitigen V-Führungsschienen mit aufmontierten Laufwagen einsatzbereit geliefert. Standard-Laufwagen sind mit 4 Lagern ausgestattet, wovon 2 exzentrisch, also einstellbar sind. Alle Lager sind mit Abdeckungen versehen, die in vielen Fällen genug Schmierstoff für das gesamte Maschinenleben liefern. Wo höhere Arbeitszyklen oder längere Verfahrwege auftreten wird eine automatische Standard-Schmiereinheit angebracht, die automatisch für die Schmierung sorgt. Bei einem ausreichend geschmierten System stellen die auf der V-Führung laufenden Lager den limitierenden Faktor dar und müssen gegebenenfalls regelmäßig ersetzt werden. Bei gutem Zustand der Führungsschiene kann das System nach Austausch der Lager nach wie vor problemlos tausende von Kilometern erreichen. Falls die Schiene auf Grund fehlender Schmierung verschleißen sollte, kann entstandenes Spiel durch Neueinstellen der exzentrischen Lager eliminiert werden. 2. TRAGFÄHIGKEIT. Die Tragfähigkeit muss mit der Lebensdauer in Beziehung stehen, aber der Zeitpunkt, an dem ein Lageraustausch notwendig wird, wird mit der im GV3-Katalog gezeigten typischen Lebensdauerberechnung bestimmt. Durch Verschleiß der Lager entstandenes Spiel im System beeinträchtigt bei vielen Anwendungen nicht die Einsatzbereitschaft der Maschine, sondern ist ein eindeutiges Zeichen dafür, dass die Lager ersetzt werden sollten. Hepco definiert die Lebensdauer eines geschmierten Systems durch die ersten Anzeichen von Grübchenbildung an den Lagern. Wenn die Lastaufnahme von Kugelumlaufblöcken im Vergleich zu GV3 Laufwagen das einzige Auswahlkriterium ist, kann oft übersehen werden, dass die Lebensdauer beider Systeme stark von den Anwendungsbedingungen abhängt. Beispielsweise hat ein Hepco Standard- Lagerblock LBG25F eine L2 Tragfähigkeit von N und eine Ms Tragfähigkeit von 193Nm. Das scheint im Vergleich zu einem vormontierten GV3-Laufwagen AU4434 mit L2 Tragfähigkeit von 6000N und einem Ms von 73Nm sehr viel besser. Unter den gleichen Bedingungen von 500N direkter L2 Last und zusätzlich 20Nm seitlicher Ms Last wird die berechnete Lebensdauer des Kugelumlaufblocks die der GV3 Einheit klar übersteigen bis man die Anwendungsgeschwindigkeiten von 1m/s während eines Zyklus einbezieht. Die für die Kalkulation der Kugelumlaufführung genutzten Faktoren (Geschwindigkeit, 3

4 Stoßvibrationen, Einbau, Temperatur etc.) können die Lebensdauer deutlich reduzieren; beim Faktor Geschwindigkeit wird jedoch der Unterschied zwischen den beiden Technologien deutlich. V-Führungen müssen viel seltener geschmiert werden, da ganz einfach weniger Metall miteinander in Kontakt kommt. Die Berechnung einer Kugelumlaufführung Größe 25 ergibt eine Lebensdauer von km; eine GV3 AU4434 Einheit hingegen besitzt eine errechnete Lebensdauer von km. Kugelumlaufeinheit Größe 25 L2 Ms Lf = + L2(max) Ms(max) 50 x 1x1x1 x x2 3 = 3058km 500 Lf = + 21, = GV3 NM44/ AU4434 Laufwagen mit DR Lagern / Abdeckungen 50 x 1xfrxftxfb Lfxfv 3 L2 Lf = + L2(max) Ms Ms(max) Wobei fr = Faktor für Laufflächenhärte ft = Faktor für Führungstemperatur fb = Einbaufaktor fv = Lastfaktor basierend auf Geschwindigkeit / Vibration für 1m/s = Lf = = BasicLife Lebensdauer (km) = 3 ( Lf ) 250 Lebensdauer (km) = 3 ( x0.357) = 4956 km Die Tragfähigkeit beider Systeme kann natürlich durch zusätzliche Blöcke oder Laufwagen erhöht werden, aber die GV3 Lebensdauerberechnung basiert darauf, nur die Lager austauschen zu müssen, und nicht das gesamte System. 3. INTEGRIEREN EINES ANTRIEBS Für längere Verfahrwege eignet sich meist ein Zahnstangenantrieb. Wenn dieser nicht im Führungssystem integriert ist, muss eine separate Zahnstange exakt parallel zur Führung gesetzt werden. Dies kann wiederum bedeuten, dass eine präzisionsbearbeitete Oberfläche allein zur Montage der Zahnstange benötigt wird. Doppel- und einseitige GV3-Schienen können mit bereits ausgerichteter Zahnstange geliefert werden. Bei der doppelseitigen Schiene ist dies ein separates Bauteil, das während des Fertigungsprozesses oben an der Schiene angebracht wurde. Bei der einseitigen Schiene wird die Verzahnung direkt in die Rückseite parallel zu den V-Laufflächen eingestoßen. 4

5 Durch die Verwendung eines zahnradgetriebenen Standardlaufwagens für die doppelseitige Schiene und eines Ritzels passend für die einseitige Schiene wird der Antrieb des Systems eine einfache und kompakte Sache, für die keine zusätzlichen Komponenten oder Einstellungen notwendig sind. Zahnstange in V- Schiene integriert 4. EINSATZBEDINGUNGEN Das Hepco V-Prinzip basiert sehr erfolgreich auf exakter geometrischer Kontrolle zueinander passender V-Führungen von Schiene und Lager. Gleichzeitig wird hierdurch während des Betriebs ein Wischeffekt erzielt, wobei die Geschwindigkeit des Lagers am Umfang höher ist als die Geschwindigkeit am V- Kerndurchmesser. Daraus entsteht ein Selbstreinigungseffekt, der Verschmutzungen an die Außenseiten des Lagers schiebt. Dieser Selbstreinigungseffekt hat zwei Vorteile: es werden nicht nur Verschmutzungen weggewischt, durch den Vorgang wird auch Öl aus den Lagerabdeckungen auf der V-Führung verteilt und das System so geschmiert. Die Effektivität dieses Vorgangs wird im folgenden Punkt näher erläutert. Die meisten Hepco Systeme sind aus Gründen der Legensdauer und Schmierung mit Abdeckungen über den einzelnen Lagern ausgestattet; sie eignen sich jedoch auch hervorragend dazu, das Eindringen von Schmutz zu verhindern. Viele moderne Kugelumlaufsysteme bieten ausgefeilte Methoden zur Abdichtung der Blöcke, wie z.b. Metallschaber, Endabdeckungen und Schmierblöcke. Die Mehrheit der Anwender vertraut allerdings darauf, dass die Endabdichtungen während des Betriebs nicht beschädigt werden, und so das Eindringen von Schmutz oder der Verlust von Schmierstoff verhindert wird. Dies kann aber gerade in rauen Umgebungen nur schwer sichergestellt werden. Bei vielen Anwendungen kann in großem Maße eindringender Schmutz vorzeitigen Ausfall des Blocks bedeuten und unweigerlich zum Austausch des kompletten Systems führen. V-Führung 5

6 5. WARTUNG - SCHMIERUNG. Ein Hauptmerkmal der V-Führungen ist, dass nur eine kleine Menge Schmierstoff benötigt wird, um die Schienen vor Verschleiß zu schützen. Egal, ob die Last radial oder axial wirkt die Kontaktfläche der V-Führungsschiene passt genau zur V-Führung des Lagers und stellt so eine gleichmäßige Verteilung der Last sicher. Innerhalb reduzierter Lastparameter können V- Schienen auch ungeschmiert laufen, was besonders bei Anwendungen im Wissenschaftsoder Lebensmittelbereich vorteilhaft ist. Im Vergleich zu Kugelumlaufführungen sind die Nachschmierintervalle bei V-Führungen sehr großzügig bemessen; oftmals müssen die Abdeckungen der Lager erst nach mehr als 1000km Verfahrweg wieder aufgefüllt werden. Kugelumlaufführungen benötigen ständig effektive Schmierung, um Verschleiß der Kugeln und Führungen zu vermeiden. Die Nachschmierintervalle sind von den Einsatzbedingungen abhängig; Hersteller geben jedoch häufig genaue Daten zur Nachschmierung nach nur 50 km an. Laufwagen mit wartungsarmen Abdeckungen, Zahnradantrieb in Position. 6. GESCHWINDIGKEIT UND VERFAHRWEGE. Hohe Geschwindigkeit und kurze Verfahrwege können bei Linearsystemen erheblichen Verschleiß verursachen, falls bestimmte Vorkehrungen nicht getroffen werden. Kugelumlaufführungen bieten auf Grund der Größe und Anzahl der Kugeln innerhalb des Blocks und deren dauerhaftem Kontakt mit der Schiene hervorragende Tragfähigkeiten. Bei kurzen Verfahrwegen mit ständigen Hin- und Herbewegungen kann es jedoch eine Herausforderung sein, den Block mit der passenden Menge Schmierstoff zu versorgen. Auch bei langen Verfahrwegen kann Schmiermittelverlust problematisch sein. Hersteller beschränken Geschwindigkeiten üblicherweise auf 2m/s. Wegen des mechanisch effizienten Prinzips arbeiten V-Führungen schon bei Hüben von nur 20mm, und bei längeren Verfahrwegen mit Geschwindigkeiten bis zu 8m/s, ohne dass die Lebensdauer beeinträchtigt wird. 6

7 Hier wird die Schmierung selbstverständlich wichtiger da aber nur ein dünner Ölfilm zwischen Schiene und Lager genügt, ist dieses Thema weniger kritisch als bei Kugelumlaufführungen. 7. MONTAGE / EINBAU Jedes Führungssystem arbeitet dann optimal, wenn es auf einer ebenen und parallelen Fläche montiert wird. Die für Kugelumlaufführungen typische hohe Widerstandsfähigkeit wird von der Vorspannung beeinflusst. Außer bei Werkzeugmaschinen werden diese Produkte bei den meisten Anwendungen mit geringer oder sogar ohne Vorspannung eingesetzt. Aus diesem Grund muss die Montagefläche exakt kontrolliert werden. Aus typischen von Herstellern angegebenen technischen Daten geht hervor, dass die Schienenparallelität bei Einsatz eines Blocks der Größe 25 mit normaler Vorspannung über den gesamten Verfahrweg innerhalb einer Toleranz von 0,030mm liegen muss. Jegliche zusätzliche Ungenauigkeit der Montagefläche wird durch zusätzliche Vorspannung der Blöcke ausgeglichen, was zu höherem Verschleiß des Systems und verringerter Lebensdauer führen kann. V-Führungen hingegen werden nicht bei so hohen Anforderungen an die Stabilität eingesetzt; die meisten Automatisierungsanwendungen stellen keine so hohen Ansprüche an die Widerstandsfähigkeit wie der Werkzeugmaschinenbau. Bei der Automatisierung wird hingegen beim parallelen Aufbau zweier Schienen die Möglichkeit eines gewissen Ausgleichs bevorzugt. Axialer Ausgleich durch schwimmende Nadellager Flachführungen und Laufrollen zum axialen Ausgleich 8. AUSGLEICH BEI PARALLELEM EINSATZ ZWEIER SYSTEME. In dieser Hinsicht bietet die GV3-Produktreihe einige Möglichkeiten, die parallele Montage zweier Führungen enorm zu erleichtern. Die einfachste Lösung besteht darin, eine Flachführung in einigem Abstand parallel zur V- Führungsschiene zu positionieren, und passend zur Anwendung Laufrollen auf ihr laufen zu lassen. Wo zwei V-Führungsschienen mit den V-Kanten in der Vertikalen parallel zueinander gesetzt 7

8 werden sollen, erlauben Hepco Axialausgleichslager eine Abweichung in der Parallelität der gegenüberliegenden V-Führungen von 1,5 bis 2,0mm. 9. GENAUIGKEIT. Bei Kugelumlaufführungen, die bei gewöhnlichen Automationsanwendungen eingesetzt werden, genügt der normale Genauigkeitsgrad N in den meisten Fällen. Da die Montagefläche so exakt bearbeitet werden muss, um gleichmäßigen Lauf des Kugelumlaufsystems sicher zu stellen, setzen viele Entwickler alternativ gern GV3 ungeschliffene Schienen (P3) ein, da diese ganz einfach ohne viel Vorarbeit montiert werden können. GV3 Führungen sind in drei Oberflächenqualitäten passend zur Anwendung erhältlich: P1 allseitig geschliffen, P2 an den Führungskanten geschliffen und P3 ungeschliffen. Beim Einsatz der P3 Version zahlen Kunden nicht für eine Genauigkeit, die für die Anwendung überhaupt nicht benötigt wird. GV3 geschliffene Schienen eignen sich bestens für präzise Bewegungen. Ungeschliffene Schienen für Anwendungen ohne hohe Genauigkeiten. 10. DESIGNVARIANTEN FÜR REDUZIERTE MONTAGEZEIT. Das GV3 Produktprogramm beinhaltet eine Vielzahl an einzigartigen Eigenschaften, die den Montagevorgang vereinfachen. Sie reduzieren auch die Konstruktionsarbeit, die für den effizienten Einsatz eines Systems notwendig ist. Nachfolgend eine Zusammenfassung der Hauptdesignmerkmale. a) Eine gerade Schiene montieren: Verstärkte Schienen verfügen über eine Passnut. Durch passende Stifte können Schienen gerade gesetzt werden. Hierdurch wird eine seitliche Anschlagfläche für die Schiene überflüssig. 8

9 b) Montageprofile für Schienen: Alternativ können Schienen auf Profile montiert werden und als komplette Einheit erworben werden. f) Komplette zahnradgetriebene Laufwagen mit Getriebemotor und Ritzel ersparen es dem Kunden, eine eigene Lösung zu entwickeln. c) Direkt in die Schiene eingestoßene Verzahnung erspart die Montage separater Komponenten (wie unter Punkt 3 beschrieben). d) Der Einsatz von Flachführungen und Laufrollen oder Axialausgleichslagern vereinfacht den Montagevorgang (wie unter Punkt 8 beschrieben). e) Der Einsatz von Sacklochlagern ermöglicht den Einsatz auf massivem Unterbau mit beschränktem Zugang. g) Breite Trägerplatten zur Montage von Komponenten oder Maschinenstrukturen vereinfachen den Montagevorgang, ohne dass zusätzliche Platten zur Verbindung der Systeme nötig werden. Dies ist besonders bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen zwei Schienen mit vier Kugelumlaufblöcken parallel gesetzt werden. Meist können die vier Blöcke durch Lager ersetzt werden, die an einer gewöhnlichen Trägerplatte angebracht sind. Der gleichmäßige Lauf wird durch die Einstellbarkeit des exzentrischen Lagers erreicht. Hierdurch ist es nicht mehr notwendig, zwei Schienen exakt parallel zu setzen. h) Die Möglichkeit, Schienen und Lager unterschiedlicher Größen passend zu den Platzverhältnissen und Lastanforderungen der Anwendung miteinander zu kombinieren. 9

10 Diese Abbildung zeigt Schienen in zwei eingebrachten Öffnungen. Alternativ können die Schiene für ausreichend Parallelität auf einer ebenen Fläche durch Passnut und -stifte montiert werden, wie unter Punkt 10a beschrieben. ZUSAMMENFASSUNG. Die V-Führungstechnologie, wie sie in der GV3 Produktlinie verwendet wird, bietet gegenüber traditioneller Kugelumlaufsysteme viele Vorteile. Kugelumlaufführungen sind zur üblichen Wahl bei vielen Anwendungen geworden und haben sich oftmals als verlässliches Produkt bewährt. Eine genauere Betrachtung der GV3 Produkte eröffnet Anwendern jedoch einige interessante Vorteile, die bei der Wahl des passenden Linearsystems oft nicht in Betracht gezogen wurden. Dies kommt besonders häufig bei Anwendungen mit langen Längen vor, wo das Setzen der Führungsschienen im Vergleich zum kosteneffizienten GV3-System sehr zeitintensiv sein kann. Ein weiterer Faktor ist der Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen; V-Führungen haben sich hier als eine extrem effektive Lösung herausgestellt. Da die Kosten immer ein Hauptkriterium sind, zahlt es sich für jede Anwendung aus, die Montageoptionen der Systeme genauer zu betrachten, genauso wie der Wartungsaufwand auf lange Sicht. Hier erweist sich GV3 oftmals als einfach zu montierende, verlässliche Lösung, die wenig Konstruktionsarbeit nötig macht ein Merkmal, das bei den wenigsten anderen Führungssystemen vorkommt. Viele Vorteile des GV3-Systems wohnen auch anderen Produktgruppen mit V-Führung inne, speziell dem HDS2 Hochleistungssystem und dem SL2 korrosionsbeständigem Linearsystem. Sie bieten dem Kunden eine noch größere Auswahl an V-Führungslösungen. 10