Wie man Linearachsen für Portalroboter auslegt

Das Wichtigste auf einen Blick

Fünf Schritte von der Aufgabenstellung zur Achse

Massen, Wege und Beschleunigung erfassen

Die bewegte Masse umfasst den Schlitten der Z-Achse, Greifer, Werkstück und die mitgeführten Energieführungen.

Aus Verfahrweg und Bewegungszeit folgt die Beschleunigung. Bei dreiecksförmigem Geschwindigkeitsprofil gilt a = 4 · s / t², mit s in Metern und t in Sekunden.

Ein Portal mit 1.500 mm Hub in 1,5 s erreicht 2,7 m/s², eines mit 500 mm Hub in 0,6 s kommt auf 5,6 m/s².

Bei vertikalen Achsen kommt die Gewichtskraft hinzu: 120 kg erzeugen 1.177 N.

Vorschubkraft und Antriebsleistung berechnen

Die Vorschubkraft setzt sich aus Beschleunigungskraft, Reibungskraft und Prozesskraft zusammen. Bei Wälzführungen liegt der Reibwert zwischen 0,005 und 0,01.

Für die Summe gilt F = m · a + m · g · µ + F(Prozess). Ein Sicherheitszuschlag von zwanzig Prozent deckt Streuungen bei Reibwerten und Massen ab.

Rechenbeispiel für die X-Achse

Aus 120 kg und 5,6 m/s² folgen 672 N Beschleunigungskraft. Dazu kommen 12 N Reibung und 150 N Prozesskraft, also 834 N, mit dem Zuschlag von zwanzig Prozent rund 1.000 N.

Bei einem Ritzel mit 60 mm Teilkreisdurchmesser und einer Übersetzung von 10 ergeben 1.000 N ein Ritzelmoment von 30 Nm und rund 3 Nm an der Motorwelle.

Steifigkeit und Durchbiegung begrenzen

Eine Portalachse verformt sich unter Last. Durchbiegung der Traverse und Nachgiebigkeit der Führung addieren sich am Greifpunkt zu einem Positionsfehler.

Als Richtwert gilt eine Durchbiegung von höchstens l/1.000 der Stützweite. Unter 0,1 mm Positioniergenauigkeit ist die Traverse auf l/5.000 bis l/10.000 auszulegen.

In der Kette aus Traverse, Führungswagen, Spindel und Lagerung bestimmt das schwächste Glied die Nachgiebigkeit am Greifpunkt. Nötig sind dort mindestens 100 N/µm, das entspricht 0,01 mm/N.

Trägheitsmoment und Getriebe prüfen

Das Massenträgheitsmoment entscheidet, ob der Motor die Achse regeln kann. Bezogen auf die Motorwelle gilt für einen Ritzelantrieb J = m · r² / i², mit dem Ritzelradius r und der Übersetzung i.

120 kg, ein Radius von 30 mm und eine Übersetzung von 10 ergeben 0,0011 kg·m² an der Motorwelle. Der Motor sollte mindestens ein Zehntel davon aufweisen.

Komponenten und Sicherheit festlegen

Für die Führung eignen sich Kugelschienenführungen und Kugelgewindetriebe von Bosch Rexroth, die in Baugrößen von 15 bis 65 verfügbar sind. Längere Hübe über 2.000 mm erhalten meist eine Zahnstange mit Ritzel statt eines Kugelgewindetriebs.

Lineareinheiten und Portalroboter von Festo, etwa die Baureihe EGC mit Zahnriemen oder Kugelgewindetrieb, sind für Portale mit Hüben von wenigen Metern ausgelegt. Für hohe Lasten kommen Zahnstangenachsen mit Servomotor und Planetengetriebe infrage.

Die Sicherheitsanforderungen ergeben sich aus DIN EN ISO 12100. Die Risikobeurteilung betrachtet Quetschstellen an der Traverse, den Nachlauf nach einem Nothalt und die Bremsen der Achsen. Die Anforderungen an Maschinen bei der BAuA fassen die Prüfpunkte zusammen.

Antriebssteuerung und Messsystem wählen

Die erreichbare Genauigkeit hängt auch vom Messsystem ab. Ein Motorgeber hinter einem Getriebe liefert nur die Motorposition, Winkelfehler des Getriebes bleiben unerkannt. Für Genauigkeiten unter 0,1 mm gehört ein Linearmaßstab direkt an die Schiene der X-Achse.

Typische inkrementelle Maßstäbe mit 20 µm Teilung erreichen über Interpolation 1 µm Auflösung.

Häufige Fragen

Wie groß darf die Durchbiegung einer Portalachse sein?

Richtwert ist l/1.000 der Stützweite, unter 0,1 mm Positioniergenauigkeit l/5.000 bis l/10.000.

Welche Beschleunigung ist für Portalroboter realistisch?

Zwischen 2 m/s² und 10 m/s². Höhere Werte verlangen steifere Traversen und größere Motoren.

Reicht ein Kugelgewindetrieb für lange Hübe?

Bis etwa 2.000 mm. Darüber ist eine Zahnstange mit Ritzel meist wirtschaftlicher.

Wie wirkt sich der Sicherheitszuschlag aus?

Er erhöht Vorschubkraft und Drehmoment um zwanzig Prozent, im Rechenbeispiel der X-Achse von 834 N auf rund 1.000 N.