Was, Warum und Wie

Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Schubkräfte und eine präzise Positionierung zu gewährleisten, finden Kugelgewindetriebe in vielen automatisierten Montageanwendungen Verwendung, die eine lineare Bewegung erfordern.

Kugelgewindetriebe treiben Positioniersysteme für die Montage von Kleinteilen an. Sie steuern die Z-Achse in Robotern und den Stößel in elektromechanischen Montagepressen. Dank ihrer hohen Steifigkeit, geringen Nachlaufgeschwindigkeit und schnellen Verfahrgeschwindigkeiten finden Kugelgewindetriebe in vielen Elektronikmontagemaschinen Anwendung, darunter Magazinlader, Pastendrucker, Dosiergeräte sowie Bestückungs- und Einfügeeinrichtungen.

Kugelgewindetriebe wandeln, ähnlich wie Trapezgewindetriebe, Drehbewegungen in lineare Bewegungen um. Im Gegensatz zu Trapezgewindetrieben besitzen Kugelgewindetriebe jedoch konkave Spiralgewinde, und die Kugellager laufen zwischen Spindel und Mutter in einer umlaufenden Laufbahn. Diese Anordnung minimiert den mechanischen Verschleiß erheblich und ermöglicht es einem Kugelgewindetrieb, über 90 Prozent des Motordrehmoments in Schubkraft umzuwandeln.

Die Gewinde einer Kugelumlaufspindel können geschliffen oder gerollt sein. Kugelumlaufspindeln mit geschliffenen Gewinden sind präziser als solche mit gerollten Gewinden, aber auch teurer. Wie Trapezgewindespindeln weisen auch Kugelumlaufspindeln ein minimales Spiel auf, d. h. eine relative axiale Bewegung zwischen Spindel und Mutter, wenn der Motor stillsteht. Bei Kugelumlaufspindeln und Trapezgewindespindeln beginnt das Spiel typischerweise bei 0,15 mm (0,006 Zoll). Mit zunehmendem Verschleiß einer Trapezgewindespindel erhöht sich das Spiel jedoch. Dies tritt bei einer Kugelumlaufspindel aufgrund ihres geringen Verschleißes nicht auf.

Ob Spiel relevant ist, hängt von der Anwendung ab. Bei vertikalen Bewegungen beispielsweise drückt die Last permanent auf die Mutter, sodass Spiel kein Problem darstellt. Eine Möglichkeit zur Spieleliminierung ist die Verwendung einer vorgespannten Mutter. Vorspannung bedeutet, dass die Kontaktfläche zwischen Kugeln und Nuten vorgespannt ist, sodass kein Spiel in der Laufbahn vorhanden ist. Die Position der Mutter ist ausschließlich von der Drehposition der Welle abhängig. Die Vorspannung erhöht zudem die Steifigkeit des Systems.

Die Stützlager an beiden Enden der Kugelumlaufspindel dürfen nicht vernachlässigt werden. Sie werden als einfach, fest oder frei gelagert eingestuft. Einfache Lager, wie beispielsweise Kugellager, bieten eine gute Radialsteifigkeit, jedoch keine Axialsteifigkeit. Feste Lager, wie beispielsweise Schrägkugellagerpaare, gewährleisten Steifigkeit in beide Richtungen. Ein freies Lager ist – wie der Name schon sagt – gar nicht gelagert.

Die Stabilität der Kugelumlaufspindel bestimmt ihre maximale Drehzahl und die zulässige Belastung. Bei der Spezifizierung von Kugelumlaufspindeln sollten Ingenieure daher möglichst detaillierte Anwendungsinformationen bereitstellen. Diese Informationen sollten die zu erwartenden Belastungen, Drehrichtungen, Zyklen, Hübe und die Lebensdauer umfassen. Auch Umgebungsbedingungen sind wichtig, da sie die Dichtungen des Lagers beeinflussen können.

Corey rät Ingenieuren, den Unterschied zwischen Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Auflösung zu kennen und nicht mehr Genauigkeit vorzugeben, als tatsächlich nötig ist. Eine höhere Genauigkeit ist bei Schrauben extrem kostspielig. Eine höhere Wiederholgenauigkeit 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 lässt sich kostengünstig und einfach realisieren.