Warum Kugelumlaufspindeln?
In den letzten Jahren ist der Bedarf an Mini-Kugelumlaufspindeln durch Gespräche mit unseren Kunden und Feedback aus dem Markt deutlich geworden. Insbesondere die steigende Nachfrage nach hochwertigen Kugelumlaufspindeln, die in den USA hergestellt und ab Lager verfügbar sind, ist gestiegen. FUYU Linear reagiert daher auf diesen Bedarf mit einer Produktlinie von Kugelumlaufspindeln mit Durchmessern von sechs, acht und zehn Millimetern.
FUYU Linear zielt auf Anwendungen in der Medizintechnik, der Laborautomatisierung und der Halbleiterindustrie ab. Dies sind einige der Branchen, die unserer Meinung nach stark im Kommen sind, da viele Roboter, die die Automatisierung ermöglichen, Miniatur-Kugelumlaufspindeln benötigen.
Präzision und Genauigkeit von Kugelumlaufspindeln
In der Branche kommt es zu terminologischen Verwirrungen hinsichtlich Genauigkeit und Präzision. Kunden bezeichnen diese Begriffe oft als austauschbar, obwohl sie es nicht sind. Es handelt sich vielmehr um zwei unterschiedliche Begriffe, die Kugelumlaufspindeln und ihren Einsatz in einer Anwendung definieren.
Die Genauigkeit wird durch die Schraube definiert und kann sich auf ihre Herstellungsweise beziehen. Wurde sie beispielsweise gerollt oder geschliffen? Genauigkeit ist vergleichbar mit dem Wurf eines Pfeils in die Mitte und dem Treffen der Zielscheibe. Präzision hingegen definiert die Mutter und bezeichnet die Wiederholgenauigkeit bzw. die Häufigkeit, mit der das System das beabsichtigte Ziel trifft.
Ausrichtung der Kugelumlaufspindel
Ein weiterer Faktor, den Ingenieure oft vergessen, ist die Ausrichtung der Kugelumlaufspindel. Kugelumlaufspindeln sind so konstruiert, dass sie ihre beste Leistung erbringen, wenn ihre Lasten axial ausgerichtet sind. Der Grund dafür ist, dass üblicherweise eine Profilschiene, ein Linearlager oder eine Schiene die Last trägt, während die Kugelumlaufspindel selbst die Bewegung ausführt.
Sobald das System vertikal ausgerichtet ist, wird die Lastrichtung eindimensional, d. h. die Kräfte wirken vollständig nach unten. Dies hat vielfältige Auswirkungen auf die Systemkonstruktion, unter anderem auf den Verschleiß der Kugelumlaufspindel während der Bewegung, sowohl bei Geschwindigkeit als auch bei Beschleunigung. Beim Auf- und Abbewegen des Geräts belasten Geschwindigkeit und Verzögerung das System zusätzlich. Dies kann zu einer impliziten Stoßbelastung am Boden führen, sodass die Lastumkehr für die Systemkonstruktion entscheidend ist.
Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kugelumlaufspindel
Die Geschwindigkeit ist ein weiterer kritischer Faktor, der sich am besten in zwei Teile unterteilen lässt: die Geschwindigkeit der Kugelumlaufspindel und die Spindeldrehzahl. Der erste Teil bezieht sich auf die Spindel selbst und gibt an, wie schnell sie sich dreht. Die Spindellänge bestimmt oft die Grenzen der Spindeldrehzahl. Je länger eine Spindel ist, desto stärker sind beispielsweise Vibrationen möglich. Vibrationen im System führen zu Korrosion und verkürzen die Lebensdauer. Viele Konstrukteure möchten Lasten möglichst schnell bewegen, um die gewünschte Position schnellstmöglich zu erreichen. Leider gibt es Einschränkungen bei der Spindel, die berücksichtigt werden müssen.
Der zweite Teil der kritischen Drehzahl bezieht sich auf die Mutter. Die kritische Drehzahl gibt an, wie schnell sich die Mutter innerhalb der Grenzen des Rücklaufsystems drehen kann und wie schnell die internen Kugellager umlaufen. Miniatur-Gewindespindeln von FUYU Linear verfügen über einen internen Rücklauf, der sehr sanft, leise und für höhere Mutterngeschwindigkeiten geeignet ist.
Arbeitszyklen von Kugelumlaufspindeln
Der Arbeitszyklus allein ist nicht besonders kritisch. Er dient eher der Diskussion über die Spindellebensdauer, die bei Betrachtung eines Bewegungsprofils äußerst kompliziert werden kann. Ein Bewegungsprofil ist typischerweise eine trapezförmige Bewegung mit anfänglicher Beschleunigung, anschließender konstanter Bewegung und schließlich Verzögerung. Obwohl all diese Faktoren sehr wichtig sind, wird die Beschleunigung oft vernachlässigt. Tatsächlich ist es äußerst schwierig, Beschleunigungsgrenzen für Kugelumlaufspindeln in Referenzmaterialien zu finden, weshalb die Berechnung oft auf 1,5 G begrenzt ist. Dieser Wert dient eher als Richtlinie, da die tatsächlichen Höchstgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Verzögerungen anwendungsbezogen sind und oft durch Experimente ermittelt werden müssen.
Einer der größten Vorteile von Kugelumlaufspindeln ist ihre definierte Lebensdauer. Internationale Normen legen die Definition der Lebensdauer von Kugelumlaufspindeln fest. Metrisch betrachtet handelt es sich üblicherweise um eine Funktion von einer Million Umdrehungen, was unserer L10-Lebensdauer entspricht. Statistisch gesehen erreichen 90 % der Kugelumlaufspindeln diese Lebensdauer. In der Realität können sie deutlich höher liegen, es gibt jedoch einen festgelegten Mindestwert.
Kugelumlaufspindel
Bei Miniatur-Kugelumlaufspindeln spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, die den Hub beeinflussen. Bei kurzen Hubwegen von ein oder zwei Millimetern treten Schwierigkeiten auf, da die Kugeln nicht vollständig in der Mutter zirkulieren. Die Lebensdauer der Kugelumlaufspindel unter diesen Umständen sowie die Konstruktion und Funktion des Rückführsystems spielen eine entscheidende Rolle für deren Leistung. Beispielsweise benötigt eine Flüssigkeitspumpe einen extrem kurzen Hubbereich von 10 bis 100 Millimetern. Auf diesem letzten Millimeter des Hubs wirken die größten Kräfte, was zu Problemen bei der Lebensdauer der Kugelumlaufspindel führen kann.
Auch Anwendungen mit langen Verfahrwegen können Probleme verursachen. Wenn beispielsweise eine Sechs-Millimeter-Kugelumlaufspindel einen Meter weit fährt, sind die kritische Geschwindigkeit und die Vermeidung von Durchhang wichtige Faktoren. Zwischen dem extrem kurzen und langen Verfahrweg liegt daher die Mitte des Verfahrwegs, der optimale Bereich, bei dem 100 bis 200 Millimeter Verfahrweg ideal sind, damit diese Spindeln optimal funktionieren.
Tragfähigkeiten von Kugelumlaufspindeln
Kugelumlaufspindeln sind für eine axiale Belastung von 100 % ausgelegt. Bei korrekter Ausführung erreicht die Kugelumlaufspindel ihre Lebensdauer L10. Häufig liegt ein Ausfall von Kugelumlaufspindeln an einer Verformung von Spindel und Mutter aufgrund einer nicht korrekt ausgerichteten Belastung. Eine radiale oder Momentbelastung kann die Lebensdauer L10 um über 90 % verringern. Daraus folgt: Wenn Konstruktionsberechnungen in einem Katalog eine parallele Stützstruktur innerhalb eines bestimmten Parameters empfehlen, ist es wichtig, diese Richtlinie einzuhalten.
Veröffentlichungszeit: 23. Oktober 2023