Was, Warum und Wie

Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Schubkräfte und eine präzise Positionierung zu ermöglichen, sind Kugelumlaufspindeln in vielen automatisierten Montageanwendungen zu finden, die eine lineare Bewegung erfordern.

Kugelumlaufspindeln treiben Positioniereinheiten für die Montage kleiner Teile an. Sie steuern die Z-Achse von Robotern und den Stößel in elektromechanischen Montagepressen. Dank ihrer hohen Steifigkeit, geringen Setzungskräfte und hohen Verfahrgeschwindigkeiten sind Kugelumlaufspindeln in vielen Elektronikmontagemaschinen zu finden, darunter Magazinlader, Pastendrucker, Dispenser sowie Bestückungs- und Einlegegeräte.

Kugelumlaufspindeln wandeln wie Trapezgewindetriebe Drehbewegungen in Linearbewegungen um. Im Gegensatz zu Trapezgewindetrieben haben Kugelumlaufspindeln jedoch konkave Spiralgewinde, und Kugellager laufen zwischen Spindel und Mutter in einer Umlaufbahn. Diese Anordnung minimiert den mechanischen Verschleiß erheblich und ermöglicht es einem Kugelumlaufspindel, mehr als 90 Prozent des Motordrehmoments in Schubkraft umzuwandeln.

Die Gewinde eines Kugelumlaufspindels können geschliffen oder gerollt sein. Kugelumlaufspindeln mit geschliffenen Gewinden sind präziser als solche mit gerollten Gewinden, aber auch teurer. Wie Trapezgewindetriebe weisen auch Kugelumlaufspindeln ein geringes Spiel auf, d. h. eine relative axiale Bewegung zwischen Spindel und Mutter, wenn sich der Motor nicht dreht. Sowohl bei Kugelumlaufspindeln als auch bei Trapezgewindetrieben liegt das Spiel typischerweise bei 0,15 mm (0,006 Zoll). Mit zunehmendem Verschleiß eines Trapezgewindetriebs nimmt das Spiel jedoch zu. Bei einem Kugelumlaufspindel tritt dies aufgrund seines verschleißarmen Betriebs nicht auf.

Ob Spiel ein Problem darstellt, hängt von der Anwendung ab. Beispielsweise wirkt bei einer vertikalen Bewegung die Last ständig auf die Mutter, sodass Spiel kein Problem darstellt. Eine Möglichkeit, Spiel zu vermeiden, ist die Verwendung einer vorgespannten Mutter. Vorgespannt bedeutet, dass die Schnittstelle zwischen Kugeln und Laufrillen vorgespannt ist, sodass kein Spiel in der Laufbahn entsteht. Die Position der Mutter hängt vollständig von der Drehposition der Welle ab. Vorspannung erhöht zudem die Steifigkeit des Systems.

Die Stützlager an beiden Enden der Kugelumlaufspindel sollten nicht vernachlässigt werden. Diese werden als einfach, fest oder lose spezifiziert. Einfache Lager, wie Kugellager, bieten eine gute radiale Steifigkeit, aber keine axiale Steifigkeit. Feste Lager, wie Schräglagerpaare, bieten Steifigkeit in beide Richtungen. Eine lose Lagerung ist genau das – überhaupt keine Lagerung.

Die optimale Lagerung des Kugelgewindetriebs bestimmt die Drehzahl und die zulässige Belastung. Bei der Spezifikation von Kugelgewindetrieben sollten Ingenieure möglichst viele Anwendungsinformationen bereitstellen. Diese Informationen umfassen die erwarteten Belastungen, Richtungen, Zykluszeiten, Hübe und Lebensdauer. Auch die Umgebungsbedingungen sind wichtig, da sie die Lagerdichtungen beeinflussen können.

Corey rät Ingenieuren, den Unterschied zwischen Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung zu kennen und nicht mehr Genauigkeit anzugeben, als sie wirklich brauchen. Eine höhere Genauigkeit ist bei einer Schraube extrem teuer. Eine höhere Wiederholbarkeit ist der Unterschied zwischen einer Standardmutter und einer vorgespannten Mutter. Sie kostet zwar mehr, aber bei weitem nicht so viel wie eine höhere Genauigkeit. Eine höhere Auflösung ist günstig und einfach.