Systembaukasten: Das Multitalent für industrielle Anwendungen

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Systembaukästen avancieren zu wahren Multitalenten, wenn es um die Realisation anwendungsspezifischer Sondermaschinen und Arbeitsplätze geht. Mit ausgeklügelten Standardelementen nebst Zubehör lassen sich maßgeschneiderte Lösungen entwickeln und umsetzen. Dabei kommt der Verbindungstechnik die Aufgabe zu, dem Anwender bei der Lösung seiner Aufgabenstellung den größtmöglichen Nutzen zu bieten. Hochinteressant für jeden Konstrukteur, welche diesbezüglichen Features ein führender Hersteller den Nutzern anbietet.

Der Autor Martinus Menne ist freier Fachautor. Er verfasste diesen Beitrag im Auftrag der item Industrietechnik und Maschinenbau GmbH, Solingen.

Am Anfang war das Grundgestell
Ziel eines Systembaukastens ist es, möglichst viele Anwendungen mit Standardelementen zu realisieren. Diese Elemente müssen in vielfältigen Funktionen einzusetzen sein und zugleich in Verbindung mit anderen Elementen eine Speziallösung ermöglichen. Dieser Spagat ist oft nur schwer umsetzbar. Daher muss ein Baukasten aus wirtschaftlicher Sicht neben universell einsetzbaren Elementen auch eine Vielzahl von Sonderbauteilen mit eindeutigen Funktionen anbieten.
Ein wesentliches Merkmal eines Systembaukastens sind seine Grundelemente. Sie bilden die Basis einer jeden Konstruktion und bestimmen die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten. Hierbei kommt den Verbindungselementen innerhalb des Baukastens eine besondere Bedeutung zu: sie sind entscheidend für den sicheren und schnellen Aufbau und die Stabilität der Konstruktion.
Einer der dies als erstes erkannt hat, ist die item Industrietechnik und Maschinenbau GmbH in Solingen. Der MB Systembaukasten von item enthält daher eine Verbindungstechnik, die hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten kaum Konstruktionswünsche offen lässt.
Die Aufgaben, die eine Maschinenkonstruktion erfüllen soll, sind zumeist fest definiert und werden im Lastenheft beschrieben. Obwohl die verschiedenen Maschinenkomponenten unterschiedlichste Funktionen haben können, muss ein Konstrukteur in der Lage sein, aus ihnen eine komplette Maschine gemäß den anwendungsspe-zifischen Wünschen zusammenzustellen und das auch bei komplexen Maschinen in möglichst kurzer Zeit. Das Grundgestell einer Maschine muss sowohl die auftretenden Belastungen aufnehmen wie auch die Komponenten für die geforderten Maschinenfunktionen integrieren. Dabei gilt es zugleich, den Planungsaufwand eines Konstrukteurs zu reduzieren und ihm gleichzeitig möglichst viele Optionen für eventuelle konstruktive Veränderungen zu eröffnen. Das bedeutet: ein Grundgestell muss beim Aufbau einer Maschine möglichst offen sein für Gestaltungswünsche und Adaptionsvarianten. Die diesbezüglichen Grundanforderungen an ein Grundgestell wie Stabilität, Flexibilität, ein schneller und somit zeit- und kostensparender Aufbau und, last but not least, der gute formale Gesamteindruck einer Maschine waren daher eine der Zielforderung bei der Entwicklung des item MB Systembaukastens.
Ein Rahmen aus Aluminium-Systemprofilen entspricht am besten den an ein derartiges Grundgestell gestellten Anforderungen. Seine „offene“ Konstruktion
n folgt der entscheidenden Forderung nach diversen Anbindungsmöglichkeiten für verschiedene Funktionseinheiten (z.B. Linearführungen, Antriebe, Pneumatik-Anwendungen etc.)
n garantiert enorme Flexibilität für eine optimale Einbindung der Maschine in einen Arbeitsprozess bzw. in eine Fertigungsanlage
n ermöglicht eine sehr variable Anpassung des Grundgestelles an vorhandene Fundamente oder an andere Konstruktionen von Fertigungseinrichtungen usw.
Die Standardverbindung: Ein Minimum an Montageaufwand
Das Mark eines Systembaukastens für den Maschinenbau ist dessen intelligente Verbindungstechnik wie z.B. beim item MB Systembaukasten die patentierte Standardverbindung: Mit nur einer einzigen Schraube werden mit einem Minimum an Montageaufwand zwei Profile senkrecht zueinander verbunden. Der Standardverbinder hat dabei die Funktion, eine ideale Einleitung der Schraubenkraft in die Verbindungsstelle zu ermöglichen. Dabei liefert er gleichzeitig eine Positionierhilfe und sichert die Profile gegen Verdrehung.
Wie alle item-Profilverbindungen, funktioniert die Standardverbindung nach dem Prinzip des Kraftschlusses. Dieses Prinzip bedingt eine möglichst große Normalkraft FN auf die Verbindungsstelle. Die Normalkraft, multipliziert mit dem Reibfaktor µ, ergibt die Reibungskraft FR, die einer Verschiebung der verbundenen Profile entgegenwirkt (Bild 2). Die Normalkraft entspricht im Falle der item-Standardverbindung der gesamten Schraubenkraft, da sie direkt ohne Kraftumlenkung vom Monteur durch das Anziehen der Schraube erzeugt wird. Dieses Prinzip hat den Vorteil, dass mögliche Reibungsverluste minimiert werden und somit die maximale Kraft für eine hochbelastbare Verbindung der Profile zur Verfügung steht (Bild 3).
Kommen größere Profilquerschnitte zum Einsatz, ergeben sich infolge der Anordnung der Standardverbinder in jeder Kernbohrung des Profils automatisch höher belastbare Verbindungen: die Festigkeit der Verbindung wächst daher mit der Stabilität der verwendeten Profilelemente. Die Position des Standardverbinders muss vom Konstrukteur festgelegt werden, da zur Betätigung der Schraube eine Bohrung durch das Profil erforderlich ist. Manchmal ist diese Festlegung im Voraus aber nicht praktikabel. Für diesen Fall hält der item MB Systembaukasten noch flexiblere Lösungen parat: die Universalverbinder.
Der Universal-verbinder: Maximum an Flexibilität
Ein Universalverbinder befestigt eine senkrechte Strebe an einem verschiebbaren Nutenstein in der längsseitigen Profilnut. So kann an jeder Stelle des Profils eine Verbindung erfolgen. Der Nutenstein lässt sich zur Montage auch nachträglich in die Nut einsetzen und verschieben. Der patentgeschützte Universalverbinder wird in eine Topfsenkung eingesetzt, die als Widerlager für die Krafteinleitung an den Profilenden dient (Bild 4).
Der Universalverbinder nutzt ebenfalls vollständig die Schraubenkraft als Normalkraft der Verbindung aus. Er eignet sich besonders zum paarweisen Einsatz. In Kombination mit Schrauben der Größe M8 entwickelt sich die Universalverbindung zum wahren „Kraftprotz“ und ist für Anwendungen mit höchsten Belastungen prädestiniert.
Mit diesem Maximum an Verbindungs-Flexibilität lassen sich auch Konstruktionsänderungen in bereits bestehenden Grundgestellen problemlos lösen.
Damit sind die item-Standardverbinder und -Universalverbinder gleichermaßen flexible wie zeit- und kostensparende Elemente, mit denen ein Konstrukteur bereits eine Fülle an hoch beanspruchbaren Verbindungen realisieren kann. Doch damit nicht genug: mit einem Automatikverbinder wird nun auch die mechanische Bearbeitung der Profilenden überflüssig.
Automatikverbinder: Verbindung ohne Endenbearbeitung
Mit der Hülse des Verbinders schneidet der Monteur auf der Stirnseite der Profilnut ein selbstformendes Gewinde in das Profilmaterial. Diese patentierte Befestigung eines Widerlagers für die Schraube ist so ausgeführt, dass ein echter Formschluss in der Profilnut entsteht. Pluspunkt: Hierfür wird kein zusätzliches Werkzeug (z.B. Gewindebohrer) benötigt.Auch beim Automatikverbinder ist die Verbindung wieder durch eine Schraube vorgespannt, die genau in der erforderlichen Kraftrichtung liegt (Bild 5).
Keine Angst vor Schwingungen
Neben statischen Belastungen ist ein Grundgestell im harten Industrieeinsatz auch überlagernden Schwingungen ausgesetzt. Eine durchdachte Verbindungstechnik berücksichtigt dies und lockert sich nicht unter derartigen wechselnden Belastungen. Nur so erhält der Anwender eine auf langfristige Stabilität und Sicherheit, mithin auf höchste Funktionalität und Produktivität ausgelegte Konstruktion.
Die Profile des item MB Systembaukastens verfügen über einige Merkmale, die die Verbindungselemente in ihrer Wirkungsweise unterstützen. So sind die Profilflanken bewusst so ausgelegt, dass sie im Ruhezustand zur Nutmitte hin nicht rechtwinklig, sondern einfallend verlaufen. Der Einsatz von Verbindungselementen bewirkt eine elastische Verspannung, bis die Profilflanke vollflächig am Anbauprofil anliegt (Bild 6).
Ein Verlust der Vorspannung käme an dieser Stelle der Aufhebung des Kraftschlusses gleich – mit fatalen Folgen für die Verbindung, denn sie würde zwangsläufig versagen. Die elastische Verformung jedoch sichert zusätzlich die Verbindung, da trotz einer Belastung der Verbindungsstelle durch überlagerte Schwingungen kein Verlust der Vorspannung eintritt und die Vorspannungsreserve der Verbindungskraft die Verbindung stabil hält.
Im Applikationsbeispiel in Bild 1 verkraftet ein einfach aufgebautes und stabiles Grundgestell problemlos die auftretenden Belastungen und nimmt zugleich alle Funktionsträger auf.
Die durchdachte und sichere Verbindungstechnik minimiert nachhaltig den Montageaufwand und beherrscht wirksam alle einwirkenden Schwingungen. Nachträglich einfügbare Verbindungselemente ermöglichen jederzeit schnell und unkompliziert Konstruktionsanpassungen.
Modulare Verbindungstechnik für Wellen
Entsprechend dem Systemkonzept des item MB Systembaukastens können in das Grundgestell die diversen Funktionselemente einer Maschine oder Vorrichtung integriert werden. Speziell für Handhabungsaufgaben oder Linearbewegungen empfehlen sich dafür die Laufrollenführungen aus dem Systembaukasten, die ihrerseits auf Führungswellen verfahren.
Mit einer speziellen Verbindungstechnik lassen sich die Profile des Grundgestells direkt als Trägerprofile für diese Wellen verwenden.
Hierfür sind also weder Sonderprofile noch eine aufwendige Bearbeitung der Wellen notwendig. Als Verbindungselement dienen die Wellenklemmprofile, die in die Profilnut des Trägerprofils eingesetzt werden.
Die gleichfalls patentierte Wellenklemmung wirkt in diesem Fall dann doppelt: beim Einpressen der Welle rastet diese im Wellenklemmprofil ein und verriegelt zugleich das Klemmprofil in der Nut des Trägerprofils.
So entsteht eine kraftschlüssige Verbindung, die, bedingt durch die Form des Wellenklemmprofils, zusätzlich durch Hinterschneidung gesichert ist (Bild 7).
Der MB-Systembaukasten bietet dem Anwender Laufrollenführungen in verschiedenen Größen, die für verschiedenste zulässige Belastungen ausgelegt sind. Die Form der Wellenklemmprofile ist dabei so gewählt, dass die Festigkeit der Wellenklemmung den zusätzlichen Belastungen der Führungen angepasst ist.
Somit wird die bestmögliche Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums gewährleistet und zugleich der Materialeinsatz auf das Notwendigste beschränkt.
Neben den beschriebenen Bauteilen bietet der item MB Systembaukasten noch viele weitere Elemente, die auch für Spezialaufgaben die wirtschaftlichste Lösung darstellen, Profile und Systemkomponenten miteinander zu verbinden.
Eine intelligente Verbindungstechnik muss dem Konstrukteur und dem Anwender gleichermaßen größtmöglichen Nutzen bieten.
Die konsequente Umsetzung physikalischer Wirkprinzipien steht dabei – auch für zukünftige Entwicklungen – gleichrangig neben der Forderung nach unkomplizierter Handhabung.
Seinen MB Systembaukasten präsentiert item auch auf der Hannover Messe, Halle 15, Stand A06.
Ausführliche Informationen
item MB-System-baukasten
KEM 539
Internet
High Light Verbindungstechnik
Beim schnellen, stabilen und belastungsgerechten Aufbau eines Profilrahmens kommt der Verbindungstechnik eine ganz besondere Aufgaben zu. Ihre Funktionalität, d. h. die sichere physikalische Wirkungsweise ihrer Elemente, gepaart mit einer einfachen Montage und geringem Bearbeitungsaufwand, entscheidet letztendlich über den Erfolg der Gesamtkonstruktion, also über den effizienten wie wirtschaftlichen Einsatz der Maschine oder des Arbeitsplatzes. Eine gelungene Konstruktion zeichnet sich in diesem Zusammenhang dadurch aus, dass der Anwender zwar recht schnell ihre praktischen Vorteile erkennt, ihm aber die mechanischen „Feinheiten“ zumeist verborgen bleiben, denn: die Verbindung hält!
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