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Schlüsselfaktoren für Kugelgewindeanwendungen

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Präzision, Genauigkeit, Ausrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Arbeitszyklen, Verfahrwege und Tragfähigkeit.

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Warum Kugelgewindetriebe?

In den letzten Jahren ist der Bedarf an Mini-Kugelgewindetrieben in Gesprächen mit unseren Kunden und durch Rückmeldungen vom Markt immer deutlicher geworden. Insbesondere besteht eine steigende Nachfrage nach hochwertigen Kugelgewindetrieben, die in den USA hergestellt werden und ab Lager lieferbar sind. Als Antwort darauf hat FUYU Linear eine Reihe von Kugelgewindetrieben mit sechs, acht und zehn Millimetern Durchmesser auf den Markt gebracht.

FUYU Linear zielt auf Anwendungen in der Medizintechnik, der Laborautomatisierung und der Halbleiterindustrie ab. Dies sind einige der Branchen, von denen wir glauben, dass sie heiß sein werden, da viele der Roboter, die die Automatisierung erleichtern, Miniatur-Kugelgewindetriebe benötigen.

Präzision und Genauigkeit von Kugelgewindetrieben

In der Branche herrscht oft Verwirrung über die Terminologie, wenn es um Genauigkeit und Präzision geht. Oft werden diese Begriffe von den Kunden als austauschbar bezeichnet, was aber nicht der Fall ist. Es handelt sich tatsächlich um zwei verschiedene Begriffe, die zur Definition von Kugelgewindetrieben und deren Einsatz in einer Anwendung verwendet werden.

Die Genauigkeit wird durch die Spindel definiert und kann die Art ihrer Herstellung widerspiegeln. Wurde sie zum Beispiel gerollt oder geschliffen? Genauigkeit ist vergleichbar mit dem Werfen eines Darts auf die Mitte und dem Treffen des Ziels. Die Präzision hingegen definiert die Mutter, d. h. die Wiederholbarkeit oder die Häufigkeit, mit der das System das beabsichtigte Ziel trifft.

Ausrichtung der Kugelumlaufspindel

Ein weiterer Faktor, den die Ingenieure oft vergessen, ist die Ausrichtung des Kugelgewindetriebs. Kugelgewindetriebe sind so konstruiert, dass sie am besten funktionieren, wenn sich ihre Lasten in der axialen Position befinden. Der Grund dafür ist, dass in der Regel eine Profilschiene, ein Linearlager oder eine Schiene die Last trägt, während der Kugelgewindetrieb selbst die Bewegung ausführt.

Sobald dieses System vertikal gedreht wird, wird die Lastrichtung einseitig und die Kräfte wirken vollständig nach unten. Dies hat mehrere Auswirkungen auf die Konstruktion des Systems, einschließlich der Abnutzung des Kugelgewindetriebs während der Bewegung bei Geschwindigkeit und Beschleunigung. Bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Geräts wird das System durch die Geschwindigkeit und das Abbremsen zusätzlich belastet. Das Ergebnis kann eine implizite Stoßbelastung am Boden sein, so dass die Umkehrung der Belastung für die Konstruktion des Systems entscheidend ist.

Geschwindigkeit und Beschleunigung von Kugelgewindetrieben

Die Geschwindigkeit ist ein weiterer kritischer Faktor, der am besten in zwei Teile aufgeteilt wird: die Geschwindigkeit der Kugelmutter und die Spindelgeschwindigkeit. Der erste Teil bezieht sich auf die Spindel selbst und gibt an, wie schnell sich die Spindel dreht. Die Länge der Spindel bestimmt oft die Grenzen der Spindelgeschwindigkeit. Je länger eine Spindel ist, desto mehr Vibrationen sind möglich. Vibrationen im System führen zu Korrosion und verkürzter Lebensdauer. Viele Konstrukteure wollen, dass sich Lasten so schnell wie möglich bewegen, um die gewünschte Position so schnell wie möglich zu erreichen. Leider gibt es bei der Schraube Grenzen, die beachtet werden müssen.

Der zweite Teil der kritischen Geschwindigkeit bezieht sich auf die Mutter. Hier bezieht sich die kritische Drehzahl darauf, wie schnell sich die Mutter innerhalb der Grenzen des Rückführsystems drehen kann, und spiegelt wider, wie schnell die internen Kugellager zurücklaufen. Die metrischen Miniaturspindeln von FUYU Linear verfügen über einen internen Rücklauf, der sehr leichtgängig und leise ist und höhere Mutterngeschwindigkeiten zulässt.

Kugelgewindetriebe Arbeitszyklen

Die Einschaltdauer an sich ist nicht übermäßig kritisch. Sie eignet sich eher für eine Diskussion über die Spindellebensdauer, die bei Berücksichtigung eines Bewegungsprofils sehr kompliziert werden kann. Ein Bewegungsprofil ist in der Regel eine trapezförmige Bewegung, bei der es eine anfängliche Beschleunigung, dann eine konstante Bewegung und schließlich eine Abbremsung gibt. Während alle diese Punkte sehr wichtig sind, ist die Beschleunigung einer der Punkte, die normalerweise nicht beachtet werden. Tatsächlich ist es äußerst schwierig, in Referenzmaterialien Angaben zur Beschleunigung von Kugelumlaufspindeln zu finden, so dass man sich oft auf die Standardwerte von eineinhalb G beschränkt. Bei dieser Zahl handelt es sich eher um einen Richtwert, denn die tatsächlichen Höchstgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Verzögerungen sind anwendungsbezogen und müssen oft durch Experimente ermittelt werden.

Einer der großen Vorteile von Kugelgewindetrieben ist ihre definierte Lebensdauer. Internationale Normen legen fest, wie wir die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs definieren. Für die Metrik ist sie in der Regel eine Funktion von einer Million Umdrehungen, was unserer L10-Lebensdauer entspricht und wo statistisch gesehen 90 % der Kugelgewindetriebe diese Lebensdauer erreichen werden. In Wirklichkeit können sie viel mehr erreichen, aber jetzt gibt es einen festgelegten Mindestwert.

Kugelumlaufspindel

Bei Miniatur-Kugelgewindetrieben gibt es eine Reihe von Faktoren, die den Verfahrweg betreffen. Bei kurzen Verfahrwegen von einem oder zwei Millimetern treten Schwierigkeiten auf, weil die Kugeln nicht vollständig in der Mutter umlaufen. Die Bestimmung der Lebensdauer von Kugelgewindetrieben unter diesen Umständen sowie die Konstruktion und Funktion des Rückführsystems spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit des Systems. Eine Flüssigkeitspumpe benötigt zum Beispiel einen extrem kurzen Verfahrweg von 10 bis 100 Millimetern. Auf dem letzten Millimeter des Verfahrwegs wirken die größten Kräfte, was zu Problemen bei der Bestimmung der Lebensdauer des Kugelgewindetriebs führen kann.

Anwendungen mit langen Verfahrwegen können ebenfalls Probleme verursachen. Wenn beispielsweise ein Kugelgewindetrieb mit einem Durchmesser von sechs Millimetern einen Meter zurücklegt, werden die kritische Geschwindigkeit und die Vermeidung von Durchhang zu wichtigen Faktoren. Zwischen dem extrem kurzen und dem extrem langen Verfahrweg liegt also die Mitte des Verfahrwegs oder der Sweet Spot, wo 100 bis 200 Millimeter Verfahrweg für diese Art von Spindeln am besten geeignet sind.

Tragfähigkeiten von Kugelgewindetrieben

Kugelgewindetriebe sind für eine 100%ige axiale Belastung ausgelegt. Wenn dies richtig gemacht wird, hält der Kugelgewindetrieb seine L10-Lebensdauer. Wenn Kugelgewindetriebe versagen, kommt es häufig zu einer Verformung der Spindel und der Mutter aufgrund einer nicht korrekt ausgerichteten Belastung. Eine Radial- oder Momentlast auf einen Kugelgewindetrieb kann die L10-Lebensdauer beeinträchtigen, indem die Tragfähigkeit um über 90 % sinkt. Wenn in einem Katalog Konstruktionsberechnungen enthalten sind, die eine parallele Tragstruktur innerhalb eines bestimmten Parameters empfehlen, ist es wichtig, sich an diese Richtlinie zu halten.