Experimental and numerical investigations on ball bearing linear guides to predict their geometric behaviour

Abstract

Kurzfassung Da die heutige Industrie Werkzeugmaschinen mit höheren Geschwindigkeiten und Genauigkeiten fordert, ist es notwendig, dass die Teilsysteme von Werk-zeugmaschinen, gründlich untersucht werden. Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf experimentelle und numerische Untersuchungen zu unterschiedlichen Eigenschaften der Kugelschienen-Linearführungen. Führungen des Typs HSR 30 des Unternehmens THK wurden zur Durchführung der Versuche benutzt. Das Reib-ungsverhalten und der Stick-Slip-Effekt wurden für verschiedene Vorspannklassen unter verschiedenen externen Lasten und Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Die statische Steifigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Führungselementen einer Werkzeugmaschine und beeinflusst ihre Leistung und Genauigkeit maßgeblich. Daher werden analytische, experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um sie zu studieren. Im Zuge dieser Arbeit wurde die statische Steifigkeit in verschiedenen Winkelrichtungen sowie normal und quer zur Bewegungsrichtung unter einer externen Last in Zug- und Druckrichtung gemessen. Dabei wurden Momente in Roll-, Nick- und Gierrichtungen beaufschlagt, um die Winkelsteifigkeiten zu be-rechnen. Weiters wurde die Führung mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten angetrieben, um den Einfluss der Bewegung auf die Steifigkeit zu untersuchen. Numerische Simulationen wurden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit Hilfe der ANSYS-Software durchgeführt und mit den experimentellen Daten verglichen. Die Einflüsse der geometrischen Abweichungen auf die kinematischen Fehler wurden auch experimentell und numerisch untersucht. Vordefinierte geometrische Ab-weichungen wurden in der horizontalen, vertikalen sowie in beiden Richtungen der Führungen eingebracht, und die entsprechenden Einflüsse auf die Genauigkeit des Systems gemessen. Um Geradheitsmessungen in horizontalen und vertikalen Ebenen, sowie Roll-, Nick- und Gierwinkelmessungen durchzuführen, wurde ein Schlitten auf vier Führungswägen installiert und unter Verwendung von Laserinterferometer und elektronischen Waagen hochgenau vermessen. Die Überbestimmung wurde dann durch Messung der Geradheitsfehler der Schienen in der Horizontalebene und ihre entsprechenden Störkräften untersucht. Da diese Abweichungen Einflüsse auf die Nennlebensdauer des Führungswagens haben, wurden numerische Untersuchungen durchgeführt, um diese abzuschätzen. Für die Simulationen wurden empirische Daten aus dem Herstellerkatalog verwendet.

Abstract Today industries demand for machine tools with higher speeds and accuracies at the same time. Thus, it is necessary that all the body elements of machine tools are thoroughly investigated. This research mainly focuses on experimental and numerical investigations on different characteristics of ball bearing linear motion guides. HSR 30 model of the guides from the THK Company was employed to carry out the experiments. The friction behaviour and stick-slip effect phenomenon have been studied for different preload classes and under various external loads and travelling velocities. Static stiffness is also one of the most important characteristics of machine tool's guides, influencing their performance and accuracy. Therefore, analytical, experimental, and numerical investigations are conducted to study it. Hertzian theory has been used for the analytical studies. Static stiffness is measured in various radial, lateral, and angular directions in compressive and tensile directions. Moments are also applied in roll, pitch, and yaw directions to measure the angular stiffness. Then, the guide is driven with different velocities to find the influence of movement on the stiffness. Numerical investigations are conducted using the Finite Elements Method (FEM) via ANSYS software and the results are compared to the experimental investigations. The influences of geometric deviations on the joint kinematic errors are investigated experimentally and numerically. Some pre-defined parallelism errors in horizontal, vertical, and both directions are applied to the guides, and their corresponding influences on the accuracy are recorded. A slide is mounted on four carriages, and the straightness measurements in horizontal and vertical planes, and also roll, pitch and yaw angular measurements are carried out as a function of axis position, using laser interferometer and electronic levels. Over-determination phenomenon is then investigated by measuring the straightness errors of the rails in the horizontal plane and their corresponding disturbance forces. As such parallelism errors have influences on the nominal service life of the guide, numerical investigations are conducted to estimate it. Empirical data from the manufacturer's catalogue are used in these simulations.