Leistungskennzahlen von Mehrachsen-Schraubsystemen | Leitfaden zur Industrieautomatisierung

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Desktop-Schraubendreher-Roboter	Produktion von Smart Wearables

Leistungskennzahlen von Mehrachsen-Schraubsystemen

Mehraxen-Schraubsysteme sind das Rückgrat der modernen Industrieautomatisierung und liefern die Präzision, Leistung und Zuverlässigkeit, die für komplexe Bewegungssteuerungsanwendungen erforderlich sind. Von Hochgeschwindigkeits-Verpackungsmaschinen bis hin zu anspruchsvollen Montagerobotern wirkt sich die Leistung dieser Systeme direkt auf die Gesamtanlageneffektivität (OEE), die Produktqualität und den Produktionsdurchsatz aus. Das Verständnis und die Bewertung der wichtigsten Leistungskennzahlen dieser Systeme sind daher entscheidend für Ingenieure und Systemintegratoren, die hochleistungsfähige Automatisierungslösungen entwerfen, optimieren und warten möchten.

Kritische Leistungsindikatoren

Bei der Spezifikation oder Analyse eines Mehrachsen-Schraubsystems müssen mehrere miteinander verbundene Kennzahlen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass es den Anforderungen der Anwendung entspricht.

Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit: Dies ist vielleicht die grundlegendste Kennzahl. Genauigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Systems, sich zu einer theoretischen Sollposition zu bewegen, während Wiederholgenauigkeit seine Fähigkeit ist, über mehrere Zyklen hinweg konsistent zur gleichen Position zurückzukehren. Die Hochpräzisionsfertigung, wie in der Elektronik- oder Medizingerätemontage, erfordert außerordentlich niedrige Werte für beide.

Geschwindigkeitsregelung und Beruhigungszeit: Das System muss nicht nur schnell bewegen, sondern auch unter variierenden Lastbedingungen eine konstante programmierte Geschwindigkeit beibehalten, was als Geschwindigkeitsregelung bekannt ist. Darüber hinaus ist die Beruhigungszeit – die Dauer, die die Achse benötigt, um nach einer Bewegung an der Zielposition vollständig und stabil zur Ruhe zu kommen – entscheidend für die Maximierung der Zykluszeiten. Die Minimierung der Beruhigungszeit ohne Überschwingen ist ein Hauptziel für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Steifigkeit und Starrheit: Die mechanische Steifigkeit des Schraubsystems, einschließlich der Schraubenspindel, der Lagerung und der Mutternbaugruppe, bestimmt seinen Widerstand gegen Verformung unter Last. Ein steiferes System bietet höhere Eigenfrequenzen, reduziert Vibrationen und verbessert das dynamische Verhalten, was zu einer besseren Konturierungsleistung bei koordinierten Mehrachsenbewegungen führt.

Dynamische Tragfähigkeit und Lebenserwartung: Diese Kennzahl sagt die Betriebsdauer des Schraubantriebs basierend auf den angewendeten Lasten und Geschwindigkeiten voraus. Sie wird typischerweise mit der L10-Lebensdauer-Formel berechnet, die die Anzahl der Betriebsstunden oder die Strecke schätzt, bei der 90 % einer Gruppe identischer Schrauben noch betriebsfähig sind. Eine ordnungsgemäße Dimensionierung basierend auf der dynamischen Last ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und die Minimierung ungeplanter Ausfallzeiten.

Effizienz und thermisches Wachstum: Kugelumlaufspindeln und Planetenrollspindeln wandeln Rotationsbewegung mit hohem Wirkungsgrad in Linearbewegung um. Dieser Prozess erzeugt jedoch aufgrund von Reibung immer noch Wärme. Das Verständnis der Effizienz des Systems hilft, die Wärmeentwicklung vorherzusagen, die eine thermische Ausdehnung der Schraubenspindel verursachen kann. Diese Ausdehnung kann Positionierfehler verursachen, wenn sie nicht durch geeignete Auswahl, Kühlung oder Kompensationsalgorithmen im Controller verwaltet wird.

Systemweite Integrationsfaktoren

Über die einzelnen Komponentenkennzahlen hinaus ist die Leistung des integrierten Systems von größter Bedeutung.

Konturfehler: Bei synchronisierter Mehrachsenbewegung, wie z.B. in der CNC-Bearbeitung oder der robotergestützten Bahnverfolgung, ist der Konturfehler die Abweichung von der beabsichtigten Werkzeugbahn. Dies ist ein ganzheitliches Maß dafür, wie gut alle Achsen zusammenarbeiten, beeinflusst durch die Servoabstimmung, das mechanische Spiel und die Steifigkeit jedes Antriebs.

Stromverbrauch und Rückgewinnung: Die overall elektrische Effizienz des Systems wird immer wichtiger. Moderne Servoantriebe können oft während der Verzögerungsphasen Strom zurückgewinnen und ins Netz einspeisen. Die Auswahl von Komponenten, die effizient zusammenarbeiten, kann die Gesamtbetriebskosten erheblich reduzieren.

Vibration und akustisches Rauschen: Die Leistung betrifft nicht nur Geschwindigkeit und Präzision, sondern auch einen reibungslosen und leisen Betrieb. Übermäßige Vibrationen können zu vorzeitigem Verschleiß und Produktschäden führen, während hohe Geräuschpegel Arbeitsvorschriften verletzen können.

Schlussfolgerung

Die Bewertung von Mehrachsen-Schraubsystemen erfordert eine umfassende Betrachtung, die einzelne Komponentenkennzahlen mit der overall Systemleistung ausbalanciert. Durch sorgfältige Analyse der Positioniergenauigkeit, des dynamischen Verhaltens, der Steifigkeit, der Lebenserwartung und des thermischen Verhaltens können Automatisierungsfachleute die optimale Antriebstechnologie für ihre spezifische Anwendung auswählen. Dieser rigorose Ansatz gewährleistet die Schaffung robuster, effizienter und hochzuverlässiger automatisierter Maschinen, die maximale Produktivität und eine hohe Kapitalrendite liefern. Die kontinuierliche Überwachung dieser Kennzahlen während des Betriebs ermöglicht weiterhin prädiktive Wartungsstrategien, die Ausfälle verhindern, bevor sie auftreten.