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Die Wahl der richtigen Kupplung für industrielle Bildverarbeitung und optische Prüfung

Für die industrielle Bildverarbeitung und optische Prüfung kommen hochtechnologische Systeme zum Einsatz, die ihren Bauteilen ein großes Maß an Pr√§zision abverlangen. Industrielle Bildverarbeitungssysteme, auch Machine Vision Systems genannt, finden in verschiedensten Anwendungen Einsatz. Das Prinzip dabei ist, das menschliche Auge durch eine Kamera zu ersetzen. Obgleich sich verschiedenen industrielle Bildverarbeitungssysteme voneinander unterscheiden, haben sie zwei gemeinsame Eigenschaften: Es finden Bewegungsabl√§ufe statt und die Systeme müssen mit hoher Pr√§zision arbeiten.

Ruland couplings

Die Entwickler industrieller Bildverarbeitungssysteme müssen deshalb Komponenten ausw√§hlen, die die strengen Anforderungen ihrer Anwendung erfüllen. Eine wesentliche Komponente in diesen Systemen ist die spielfreie Kupplung, die in zahlreichen Bauformen und Varianten angeboten wird. Dem Entwickler obliegt die Aufgabe, eine Kupplung für das jeweilige System auszuw√§hlen, welche die entsprechenden Anforderungen am besten erfüllt. Da es für keinen konkreten Fall die perfekte Kupplung gibt, müssen dabei die Vor- und Nachteile jedes Kupplungstyps sorgf√§ltig abgewogen, Priorit√§ten gesetzt und die für die jeweilige Anwendung beste Variante ausgew√§hlt werden.

Industrielle Bildverarbeitungssysteme arbeiten in der Regel mit einer von zwei verschiedenen Bewegungsarten. Bei Stop-Start-Systemen wird die Kamera im Eilgang an einen Punkt gefahren, macht dort eine Aufnahme, fährt dann, wieder im Eilgang, an eine neue Stelle, wo sie die nächste Aufnahme macht, usw. Durch die plötzlichen Start-Stop-Bewegungen entstehen in diesen Systemen Schwingungen. Die Verwendung von Bauteilen mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften kann helfen, Einschwing- und Durchlaufzeiten zu reduzieren.

Andere Systeme arbeiten mit kontinuierlichen und langsameren Abtastbewegungen. Im Gegensatz zu Start-Stop-Systemen, bei denen eine Positionsgenauigkeit nur an den Endpunkten der Verfahrstrecken erforderlich ist, müssen Abtastsysteme w√§hrend des gesamten Bewegungsablaufs hochpr√§zise arbeiten. Dazu sind Kupplungen mit einer hohen Torsionssteife notwendig. Bewegungsbedingte Schwingungen sind in diesen Systemen normalerweise weniger problematisch.

coupling missalignmentZus√§tzlich zur Schwingungsd√§mpfung und Torsionssteife sind bei der Kupplungswahl für industrielle Bildverarbeitungssysteme noch andere Kriterien zu berücksichtigen. Dazu z√§hlen vor allem Verlagerungskapazit√§t, Tr√§gheitsmoment, Nenndrehzahl und Drehmomentleistung. Drehzahl und Drehmoment sind relativ zu bestimmen, die Berücksichtigung der Verlagerungskapazit√§t und des Tr√§gheitsmomentes kann sich aber etwas komplexer gestalten. Es gibt drei Verlagerungsarten, die bei der Kupplungswahl zu berücksichtigen sind: Parallelverlagerung, Winkelverlagerung (auch Schr√§glauf genannt), und axiales Spiel. Oft kommen in einer Anwendung mehrere Verlagerungsmodi vor. Eine Kupplung, die nicht in der Lage ist, alle auftretenden systembedingten Verlagerungen aufzunehmen, wird früher oder sp√§ter versagen. Manche Kupplungstypen verursachen bei Wellenverlagerungen zus√§tzlich eine hohe Beanspruchung der Wellenlager, was einen vorzeitigen Ausfall der Lager zur Folge haben kann.

Das Tr√§gheitsmoment ist die Eigenschaft einer Kupplung, in ihrem Bewegungszustand zu verharren, solange keine √§ußere Kraft auf sie einwirkt. Es bestimmt die Kraft, die aufgewendet werden muss, um die Kupplung zu beschleunigen oder zu verz√∂gern. Das Tr√§gheitsmoment einer Kupplung wird im Wesentlichen durch deren Masse bedingt. Für Stop-Start-Systeme empfiehlt sich generell eine Kupplung mit einem geringen Tr√§gheitsmoment, um den für das Starten und Verz√∂gern des Antriebsstrangs erforderlichen Energieaufwand sowie den Bauteileverschleiß m√∂glichst gering zu halten. Bei Systemen mit konstanter Bewegung ist das Tr√§gheitsmoment weniger kritisch.

Ein weiteres Kriterium bei Bilderfassungssystemen ist eine m√∂glichst geringe Vibration und Einschwingzeit ohne Erh√∂hung der Masse der Maschine. Die Einschwingzeit ist die Zeitspanne, w√§hrend der das System nach einer Verfahrbewegung weiter schwingt. Da Bildaufnahmen, die w√§hrend der Einschwingzeit entstehen, unscharf und ungenau sein k√∂nnen, kann ein Bild erst nach komplettem Stillstand aufgenommen werden. Daraus folgt, dass sich durch eine Kürzung der Einschwingzeiten h√∂here Produktionsraten erzielen lassen. In der Vergangenheit wurden Vibrationen in Bilderfassungssystemen durch eine schweren Masse im Maschinenunterbau, zum Beispiel aus Granit oder einem granit√§hnlichen Verbundwerkstoff, ged√§mpft, mit der das Bilderfassungssystem verbunden war. Durch dieses zus√§tzliche Gewicht erh√∂hen sich jedoch die Anschaffungs- und Transportkosten.

Durch die Wahl von Kupplungen mit D√§mpfungseigenschaften für Positioniersysteme und schwingungsd√§mpfende Stützlager für die Bilderfassungsbaugruppe kann die zus√§tzliche Maschinenunterbaumasse stark reduziert oder sogar g√§nzlich vermieden werden. Das Ergebnis sind reduzierte Materialkosten im Maschinenbau und geringere Transportkosten.

In diesem Fachartikel werden sechs verschiedene Kupplungsarten und deren Vor- und Nachteile im Zusammenhang mit der industriellen Bildverarbeitung betrachtet. Alle hier behandelten Kupplungstypen sind spielfrei ‚Äď eine wesentliche Voraussetzung in einer Anwendung, bei der absolute Genauigkeit erforderlich ist. Spielfreiheit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen den einzelnen Komponenten der Kupplung kein Drehspiel vorhanden ist. Wenn sich die Antriebswelle zum Beispiel um 90 Grad dreht, so bewegt sich die Abtriebswelle ebenfalls um genau 90 Grad.

Die flexible Kupplung

Beam couplings

Beam-Kupplung
  • Max. Drehzahl: 6 000 U/min
  • Hervorragende Verlagerungskapazit√§t
  • Niedrige bis m√§ßige Torsionssteife und Drehmomentkapazit√§t
  • Schwingungsd√§mpfend
  • Geringes Tr√§gheitsmoment bei Aluminiumvarianten

Flexible Kupplungen, von einigen Herstellern auch Beam-Kupplungen, Wendelkupplungen oder Spiralschnittkupplungen genannt, verfügen über einen oder mehrere umlaufende, wendelf√∂rmige Einschnitte. Die resultierende Wendel entspricht quasi einer aus einem einzigen Zylinder geformten Schraubenfeder. Diese Bauform erm√∂glicht eine spielfreie Kraftübertragung, verleiht der Kupplung aber eine hohe Verlagerungskapazit√§t. Beam-Kupplungen sind geeignet für industrielle Bildverarbeitungssysteme, die bei mittleren Drehzahlen von bis zu 6 000 U/min arbeiten und große Verlagerungswerte aufweisen. Da er nicht torsionssteif ist, ist dieser Kupplungstyp nicht für Abtastsysteme geeignet.

Es gibt zwei gebr√§uchliche Grundvarianten der Beam-Kupplung: Modelle mit einer langen Einfachwendel und Modelle mit mehreren kürzeren, parallelen, ineinander greifenden Wendeln. In der Regel bieten Beam-Kupplungen mit einer geringeren Anzahl l√§ngerer, durchgehender Einschnitte eine h√∂here Elastizit√§t als solche mit mehreren kürzeren Wendeln. Das resultiert in einer geringeren Lagerbeanspruchung bei Winkelbewegungen und axialen Bewegungen. Andererseits k√∂nnen Kupplungen mit Mehrfachwendeln Parallelverlagerungen besser aufnehmen.

Beam-Kupplungen weisen unter Last einen gewissen Aufwickeleffekt auf und sind somit weniger torsionssteif als einige andere Kupplungstypen. Diese Eigenschaft kann allerdings von Vorteil sein, zum Beispiel im Start-Stop-Betrieb, da sie sich schwingungsd√§mpfend auswirkt und die Einschwingzeiten reduziert. Ist eine geringere Torsionssteife gefordert, bietet sich entweder ein Modell mit Mehrfachwendeln an oder eine Variante aus Edelstahl. Allerdings hat Edelstahl als Werkstoff gegenüber dem üblicheren Aluminium neben den h√∂heren Anschaffungskosten den Nachteil eines deutlich h√∂heren Gewichts, und somit eines gr√∂ßeren Tr√§gheitsmoments. Ist eher eine hohe Torsionssteife gefordert, empfiehlt es sich deshalb, einen anderen Kupplungstyp in Erw√§gung zu ziehen.

Die starre Kupplung

Rigid couplings

Starre Kupplung
  • Max. Drehzahl: 8 000 U/min
  • Keine Verlagerungskapazit√§t
  • Hohe Torsionssteife und Drehmomentkapazit√§t
  • Nicht schwingungsd√§mpfend
  • Geringes Tr√§gheitsmoment bei Aluminiumvarianten

Der Name sagt alles: Starre Kupplungen, auch Schalenkupplungen genannt, sind starr. Sie sind in verschiedenen Werkstoffen und Bauformen erh√§ltlich. Für industrielle Bildverarbeitungssysteme ist die Klemmnabenausführung vermutlich besser geeignet als die Gewindestiftausführung. Erstere übt eine direkte Klemmkraft auf die Welle aus und bietet somit eine h√∂here Haltekraft als letztere, die nur durch Gewindestiften an der Welle befestigt ist. Starre Klemmnabenkupplungen sind wartungsfrei, bieten eine bessere Klemmkraft und verursachen keine Besch√§digung der Welle.

Starre Kupplungen haben die gr√∂ßtm√∂gliche Bemessungs-Torsionssteife und sind somit ideal geeignet für Abtastanwendungen. Sie k√∂nnen relativ hohen Drehzahlen standhalten. Ausführungen aus Aluminium haben zus√§tzlich ein niedriges Tr√§gheitsmoment. Starre Kupplungen weisen allerdings keine Verlagerungskapazit√§t auf und wirken nicht schwingungsd√§mpfend, was in Stop-Start-Systemen problematisch sein kann. Auch ist die Lagerbeanspruchung bei starren Kupplungen h√∂her als bei allen anderen Kupplungstypen. Die An- und Abtriebswellen müssen genau flüchtig und parallel zueinander liegen und kein Verlagerungsspiel aufweisen. Bei hohen Drehzahlen muss außerdem die W√§rmedehnung berücksichtigt werden, da starre Kupplungen die resultierenden Spannungen nicht ausgleichen k√∂nnen, was wiederum eine erh√∂hte Lagerbeanspruchung bewirken kann.

Vorausgesetzt, die Wellen sind korrekt ausrichtet und es findet keine W√§rmeausdehnung statt, sind starre Kupplungen eine gute Wahl für Anwendungen mit kontinuierlichen Bewegungsabl√§ufen. Sie k√∂nnen hohe Drehmomente übertragen, sind torsionssteifer als alle anderen Typen und zudem wartungsfrei.

Die spielfreie Elastomerkupplung

Jaw coupling

Elastomerkupplung
  • Max. Drehzahl: 8 000 U/min
  • Geringe Verlagerungskapazit√§t
  • Niedrige bis m√§ßige Torsionssteife und Drehmomentkapazit√§t
  • Gute Schwingungsd√§mpfung
  • M√§ßiges Tr√§gheitsmoment, das jedoch durch die schwingungsd√§mpfende Eigenschaft aufgehoben wird

Die spielfreie gew√∂lbte Elastomerkupplung, auch als Klauenkupplung oder Jaw-Kupplung bezeichnet, ist eine Variation der geraden Elastomerkupplung, deren gerade Klauen konstruktionsbedingt Drehspiel aufweisen, was sie ungeeignet für industrielle Bildverarbeitungssysteme macht. Die gew√∂lbte Elastomerkupplung besteht aus drei Teilen: zwei Aluminiumnaben und einem elastischen Elastomereinsatz, auch als Stern oder Zahnkranz bezeichnet. Die drei Teile sind kraftschlüssig ineinander verzahnt, so dass kein Spiel zwischen ihnen vorhanden ist. Die spezielle Konstruktion der Nabenklauen verhindert eine Verformung des Mittelelements unter normalen Betriebsbedingungen.

Gew√∂lbte Elastomerkupplungen k√∂nnen bei hohen Drehzahlen arbeiten. Der Elastomerstern d√§mpft Schwingungen, so dass dies der am besten geeignete Kupplungstyp für schwingungsbehaftete Start-Stop-Systeme ist. Der Elastomerstern ist in verschiedenen H√§rten erh√§ltlich. Ein steiferer, weniger elastischer Stern ergibt eine gr√∂ßere Torsionssteife, reduziert jedoch die schwingungsd√§mpfende Eigenschaft der Kupplung.

Elastomerkupplungen sind selbst mit einem sehr harten Elastomerstern für Abtastsysteme nicht ausreichend torsionssteif. Auch für Systeme mit gr√∂ßeren Wellenverlagerungen ist dieser Kupplungstyp nicht geeignet, da hier eine überm√§ßige Lagerbeanspruchung eintreten würde. Zu den positiven Eigenschaften der Elastomerkupplung z√§hlt die Ausfallsicherheit: Bei einem Bruch des Elastomersterns übertragen die ineinander greifenden Klauen der Nabe weiterhin die Drehbewegung der Antriebswelle. Das kann in einigen Systemen von Vorteil sein.

Die gew√∂lbte Elastomerkupplung verfügt über hervorragende schwingungsd√§mpfende Eigenschaften. Da sich die Elastomersterne beliebig auswechseln lassen, l√§sst sich die Elastomerkupplung auch vielseitig an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Das Tr√§gheitsmoment der Elastomerkupplung ist relativ groß im Vergleich zu anderen Servokupplungen und in etwa vergleichbar mit einer starren Aluminiumkupplung. Dieser Nachteil wird aber durch die schwingungsd√§mpfende Eigenschaft der Kupplung aufgehoben. Dank der unwuchtarmen Konstruktion dieses Kupplungstyps kann er vibrationsfrei bei hohen Drehzahlen eingesetzt werden. Ist jedoch eine hohe Torsionssteife in Systemen mit einer großen Wellenverlagerung erforderlich, empfiehlt sich die Wahl eines anderen Kupplungstyps.

Die Oldham-Kupplung

Oldham couplings
Oldham-Kupplung
  • Max. Drehzahl: 4 500 U/min
  • Gute Verlagerungskapazit√§t; ausgezeichneter Parallelverlagerungsausgleich
  • Gute Torsionssteife bei Acetal-übertragungsscheibe
  • Wenig schwingungsd√§mpfend
  • Geringes bis m√§ßiges Tr√§gheitsmoment

√Ąhnlich der Elastomerkupplung besteht die Oldham-Kupplung, die auch als Kreuzschieberkupplung bezeichnet wird, aus drei Bauteilen: zwei Aluminiumnaben und einem Einsatz. Auch hier sind die Einzelteile kraftschlüssig miteinander verbunden.

Die Oldham-Kupplung hat mehrere deutliche Pluspunkte. Die übertragungsscheibe kann frei über die Zapfen auf den Naben gleiten, so dass dieser Kupplungstyp große Parallelverlagerungen aufnehmen kann. Im Gegensatz zu anderen Kupplungsarten, die Wellenverlagerungen mit einem federnden Widerstand entgegnen, ergibt sich bei der Oldham-Kupplung eine niedrige und stabile Lagerbeanspruchung. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die auswechselbare übertragungsscheibe. Im Allgemeinen werden diese Zwischenelemente aus zwei Werkstoffarten gefertigt: Acetal, welches eine gute Torsionssteife aufweist, oder Nylon, das, wie bei der Elastomerkupplung, schwingungsd√§mpfend wirkt. Darüber hinaus übernimmt die Oldham-Kupplung als einziger Kupplungstyp die Funktion einer mechanischen Sicherung: da die Zapfen der Naben nicht ineinander greifen, wird die Kraftübertragung bei Versagen der übertragungsscheibe unterbrochen. Dank ihrer Aluminiumnaben weist die Oldham-Kupplung ein niedriges Tr√§gheitsmoment auf.

Obgleich die Oldham-Kupplung Parallelverlagerungen effektiv aufnehmen kann, hat sie eine geringe Kapazit√§t für Winkelverlagerungen und Axialbewegungen. Bei einer zu hohen Winkelverlagerung verliert sie ihre Gleichlaufeigenschaften, bei einer überm√§ßigen Axialbewegung zerf√§llt sie buchst√§blich. W√§hrend eine übertragungsscheibe aus Nylon zur Schwingungsd√§mpfung eingesetzt werden kann, ist die Kupplung in dieser Konfiguration aufgrund der geringen H√§rte von Nylon und der Bewegungsfreiheit der Naben nicht spielfrei. Auch ist der Drehzahlbereich aller Oldham-Kupplungen klein ‚Äď bis zu etwa 4 500 U/min. Durch die Gleitbewegung zwischen Zapfen und Zwischenelement ist das Element anf√§llig für Abrieb und muss deshalb periodisch ausgewechselt werden.

Dank der M√∂glichkeit, die Oldham-Kupplung durch Auswechseln der übertragungsscheibe wechselweise für Torsionssteife oder für Schwingungsd√§mpfung zu optimieren, stellt sie eine vielseitige Option für industrielle Bildverarbeitungssysteme dar. Da sich niedrige Einschwingzeit und hohe Torsionssteife somit nicht mehr gegenseitig ausschließen, bleiben nur noch die Faktoren Drehzahl und Verlagerungskapazit√§t zur Bewertung. Bei Drehzahlen unter 4 500 U/min mit einer hohen Parallelverlagerung und geringer Winkelverlagerung und Axialbewegung eignet sich die Oldham-Kupplung sowohl für Start-Stop-Systeme als auch für Abtastsysteme.

Die Lamellenkupplung

Disc couplings
Lamellenkupplung
  • Max. Drehzahl: 10 000 U/min
  • Gute Verlagerungskapazit√§t der Doppelgelenkausführung
  • Ausgezeichnete Torsionssteife und Drehmomentkapazit√§t
  • Nicht schwingungsd√§mpfend
  • Niedriges Tr√§gheitsmoment

Lamellenkupplungen, die bei einigen Herstellern auch Scheibenkupplungen oder Disc-Kupplungen genannt werden, bestehen aus zwei Naben, die über eine flexible Metall-Lamelle verbundene sind, oder, im Fall von doppelten Lamellenkupplungen, aus zwei Naben und einem Mittelelement, wobei beiden Naben über zwei Metall-Lamellen verbunden sind. Doppel-Lamellenkupplungen k√∂nnen Parallel- und Winkelverlagerungen aufnehmen, da sich die beiden Lamellen in verschiedene Richtungen biegen k√∂nnen. Einfache Lamellenkupplungen k√∂nnen nur Winkelverlagerungen aufnehmen.

Beide Varianten der Lamellenkupplung sind sehr torsionssteif. Die Lamellen sind flexibel und lassen große Wellenverlagerungen zu, besonders in der Ausführung mit zwei Lamellen. Die Lagerbeanspruchung ist ebenfalls gering, und das Tr√§gheitsmoment ist aufgrund der leichten Werkstoffe niedrig. Dieser Kupplungstyp eignet sich für sehr hohe Drehzahlen von 10 000 U/min und mehr.

Dank ihrer Torsionssteife ist die Lamellenkupplung am besten geeignet für Anwendungen, deren Schwerpunkt auf Genauigkeit und Festigkeit liegt. Ist eine Schwingungsd√§mpfung gefragt, f√§llt die Wahl auf einen anderen Kupplungstyp. Deshalb eignen sich Lamellenkupplungen eher für Abtastsysteme mit kontinuierlichem Bewegungsablauf. W√§hrend die starre Kupplung die gr√∂ßte Genauigkeit und Torsionssteife bietet, erlaubt die Lamellenkupplung Wellenverlagerungen ohne dabei an Drehmomentleistung einzubüßen. Der wesentliche Nachteil der Lamellenkupplung ist ihre Empfindlichkeit: sie kann bei unsachgem√§ßer Montage leicht besch√§digt werden. Korrekt installiert bietet sie jedoch eine hervorragende Torsionssteife und Verlagerungskapazit√§t.

Die Balgkupplung

Bellows couplings
Balgkupplung
  • Max. Drehzahl: 10 000 U/min
  • Gute Verlagerungskapazit√§t
  • Ausgezeichnete Torsionssteife und Drehmomentkapazit√§t
  • Nicht schwingungsd√§mpfend
  • Sehr niedriges Tr√§gheitsmoment

Die Balgkupplung, die bei einigen Herstellern auch als Metallbalgkupplung oder Bellow-Kupplung bezeichnet wird, besteht aus zwei Aluminiumnaben, die über einen angeklebten oder angeschweißten Metallbalg miteinander verbunden sind. Der Balg ist üblicherweise aus Nickel- oder Edelstahlblech gefertigt. Seine dünnen W√§nde verleihen der Kupplung ein dynamisches Ansprechverhalten und eine hohe Genauigkeit. Durch die Flexibilit√§t des Balgs k√∂nnen bei gleichbleibender, geringer Lagerbeanspruchung alle Verlagerungen aufgenommen werden. Balgkupplungen mit Aluminiumnaben haben ein sehr niedriges Tr√§gheitsmoment, wodurch das Ansprechverhalten noch weiter erh√∂ht und die notwendige Antriebskraft reduziert wird.

Zus√§tzlich zu diesen Vorteilen verfügt die Balgkupplung über eine ausgezeichnete Torsionssteife, die noch gr√∂ßer ist als die der Lamellenkupplung. Auch die maximale Drehzahl von ca. 10 000 U/min entspricht etwa die der Lamellenkupplung. Balgkupplungen bieten keine Schwingungsd√§mpfung, eignen sich jedoch hervorragend für industrielle Bildverarbeitungssysteme, in denen Positioniergenauigkeit eine wichtige Rolle spielt. Sie haben eine hohe Drehzahlleistung, eine ausgezeichnete Torsionssteife und eine gute Verlagerungskapazit√§t.

Fazit

Die Leistung industrieller Bildverarbeitungssysteme h√§ngt wesentlich von der Leistung und Qualit√§t ihrer Komponenten ab. In diesem Fall ist die Summe der Teile tats√§chlich gr√∂ßer als das Ganze. Jeder der hier beschriebenen Kupplungstypen weist konstruktionsbedingte St√§rken und Schw√§chen auf, und es gibt keine Kupplung, die die Anforderungen aller Systeme und Anwendungen abdeckt. Aufgrund der vielen erh√§ltlichen Bauarten gibt es jedoch für jeden konkreten Anwendungsfall einen idealen Kupplungstyp. Auf jeden Fall empfiehlt es sich, bei der Systementwicklung schon in der Anfangsphase die richtige spielfreie Kupplung in Erw√§gung zu ziehen. Nur durch die Wahl einer Kupplung, deren Funktionsmerkmale die Anforderungen an das System erfüllen, kann die bestm√∂gliche Systemleistung und -langlebigkeit sicher gestellt werden.

Autoren:

Robert Watkins, Vice President of Sales, und Alex Ruland, Praktikant
Ruland Manufacturing Co, Inc.

 

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