Ball-Bushing-Miniaturlager

Winzlinge im Fokus

Linearführung für Wärmebildkamera. Beim Messgeräte-Hersteller Fluke ließen sich konstruktive Aufgaben bei der Entwicklung einer Wärmebildkamera nicht mit handelsüblichen Standardkomponenten lösen. Die Lösung waren Ball-Bushing-Miniaturlager von Thomson – mit nur drei Millimetern Durchmesser.

Eine scharfgestellte Infrarot-Inspektionsaufnahme der Ventile und Rohrleitungen. Das Miniaturlager von Thomson bietet ein konstant niedriges Reibungsniveau, sodass die Kamera mit wenig Strom auskommt und kompakt ausfällt. (Foto: Thomson)

Die Kamera-Produktreihe Fluke TI400 hat das einzigartige Lasersharp-Autofokus-System, das durchgängig scharfgestellte Aufnahmen erstellt – wichtige Voraussetzung für präzise Infrarot-Prüftechnik. Die Kamera verwendet einen Laserstrahl, der vom aufzunehmenden Objekt abprallt und aus dessen Laufzeit die Entfernung zwischen Kamera und Objekt ermittelt wird. Diese Daten werden unmittelbar an die Mechanik der Fokussierung übertragen, mit der die bewegliche Linse schnell und präzise in den korrekten Abstand zum Bildsensor positioniert wird. Diese bewegliche Linse befindet sich im Inneren der Kamera, sodass die äußere Linse fixiert werden kann. Die innere Linse ist so konstruiert, dass sie auf einem Ball-Bushing-Miniaturlager aufliegt und verfährt. Während der Entwicklung stellte sich zunächst heraus, dass gängige Linearlager mit ihrer konstruktionsbedingt hohen Reibung die anspruchsvollen Voraussetzungen zum Abstützen und Positionieren der Linse nicht erfüllen.

Kleines Lager, wenig Reibung
Brian Gattman, leitender Maschinenbauingenieur von Fluke, erläutert: „Für die Nutzung in einem derart kompakten, leichten Handmessgerät brauchten wir ein extrem kleines Lager mit gerade einmal drei Millimeter Duchmesser. Es musste jedoch gleichzeitig sehr wenig Reibung aufweisen, um den Stromverbrauch für das Fokus-System zu minimieren, da dieser ein entscheidender Faktor für die Akkulaufzeit des Gerätes ist. Wir hatten bereits festgestellt, dass die handelsüblichen 1/8-Zoll-Ball-Bushing-Linearlager von Thomson gute Ergebnisse lieferten. Die von uns benötigte Größe von drei Millimeter war im Standardprogramm jedoch nicht erhältlich. Schließlich rüstete Thomson seine Anlagen für ein Drei-Millimeter-Lager um, dessen durchgängig niedriger Reibungskoeffizient uns in die Lage versetzt, einen kleinen Motor mit gerade einmal 300 Millinewton Schubkraft zu verwenden. Das bedeutet einen niedrigen Stromverbrauch und ermöglicht auch ein Gerät mit kompakteren Abmessungen. Entscheidend ist jedoch die außergewöhnlich niedrige statische Reibung des Lagers (Stick/Slip-Effekt), mit der wir einen sanft ansprechenden Betrieb für eine schnelle und präzise Scharfstellung erreichen.“

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Miniaturisierte Linear-Antriebskomponenten eignen sich für Anwendungen, bei denen es auf die präzise Bewegung kleiner Lasten ankommt. Thomson entwickelte ein spezielles Lager mit geringer statischer Reibung, das den Strombedarf des Autofokus-Systems minimiert. (Foto: Thomson)

Herausforderung Temperatur
Ein zweites wichtiges Kriterium war der zulässige Temperaturbereich des Lagers. Wärmebildgeräte müssen auch bei hohen Temperaturen einwandfrei ihren Dienst versehen; Fluke gab hier 50 Grad Celsius Umgebungstemperatur vor. In Verbindung mit einem Temperaturanstieg um bis zu 25 Grad Celsius aufgrund der Wärmeentwicklung im Geräteinneren muss das Lager somit bei bis zu 75 Grad Celsius gleichbleibend hohe Leistung zeigen. Am anderen Ende der Skala können die Lagerungstemperaturen bis auf minus 20 Grad Celsius absinken, sodass ein Gesamtbereich von fast 100 Grad Celsius entsteht – eine echte Herausforderung für das Schmierfett in dieser Baugruppe.

Neben der erwartet höheren Reibung bei niedrigen Temperaturen aufgrund des sich verfestigenden Schmierfetts zeigte sich in Tests außerdem, dass die Reibung signifikant von der Menge des Schmierfetts im Lager abhängt. Für eine optimale Lösung haben die Ingenieure von Fluke mehrere unterschiedliche Schmiermittel getestet und eine Vorrichtung konstruiert, mit der sich exakt die richtige Menge in das Lagergehäuse einbringen lässt. Angesichts der großen Anzahl an verwendeten Lagern war ein späterer Austausch des Standard-Schmierfetts keine Option. Daher haben die Produktionsingenieure von Thomson zusammen mit Fluke eine Lösung entwickelt, um das Spezialfett bereits im Produktionsprozess einzubringen, wobei eine überarbeitete Ausführung der Fluke-Vorrichtung zum Einsatz kommt.

Sonderausführung korrosionsfestes Kompaktlager
Ein hochpräzises, reibungsarmes Ball-Bushing-Miniaturlager minimiert Größe und Gewicht des Endgerätes, maximiert die Akkulaufzeit und optimiert den Autofokus der leistungsfähigen, mobil einsetzbaren Wärmebildkamera Fluke TI400. Erst die Sonderausführung eines korrosionsfesten Kompaktlagers aus Edelstahl und Polymer von Thomson konnte die speziellen Anforderungen erfüllen. pb

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