Miniatur-Kugelwindetriebe
Klein – aber oho
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Alles eine Frage der Oberflächenqualität
Die winzigen Kugelgewindetriebe finden auch in den Positioniersystemen des Schwesterunternehmens Steinmeyer Mechatronik Verwendung, zum Beispiel in Einheiten zum Verstellen von Linsen, die teilweise auch im Reinraum eingesetzt werden. Zwei geschliffene Miniatur-Kugelgewindetriebe bilden die Antriebe dieser Verschiebeachsen zur Verstellung zweier Optiken (Bild 3). Bewegt werden sie mit einem Gleichstrommotor mit Rotations-Encoder. Die beiden Achsen befinden sich auf einem gemeinsamen Führungssystem und positionieren zwei Linsen relativ zueinander oder auch gemeinsam miteinander. Da die im Reinraum genutzte Einheit Streustrahlung aus dem Belichtungsprozess ausgesetzt ist, muss die Schmierung diesen Bedingungen langfristig standhalten und auch die Reinraumanforderungen erfüllen. Ein auf PFPE (Perfluorpolyether) basierender Schmierstoff und eine spezielle Oberflächenbeschichtung werden diesen Anforderungen gerecht.
Die verwendeten Miniatur-Kugelgewindetriebe bestehen aus 240 mm langen geschliffenen Spindeln aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 12 mm. Die Flanschmuttern sind ebenfalls aus rostfreiem Stahl gefertigt, mit speziellem Reinraumfett geschmiert und – da Standardabstreifer im Reinraum nicht verwendet werden können – mit Abstreifern aus PTFE (Polytetrafluorethylen) versehen.
Das Besondere an den Miniatur-Kugelgewindetrieben: Die Spindeloberfläche wurde mithilfe von Optislite bearbeitet. Das Verfahren beseitigt mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes und reduziert auf diese Weise die Oberflächenrauheit Rz der Spindel im Vergleich zu Standardspindeln um 60 %. Gleichzeitig nimmt der Materialtraganteil Rmr (c) um 70 % zu (Bild 4). Die plateau-artige Oberfläche der so bearbeiteten Kugelgewindetriebe ergibt einen sauberen, glatten Lauf bei gleichzeitig verbesserten Schmiereigenschaften. Das Ergebnis sind verbesserte Laufeigenschaften, ein reduzierter Geräuschpegel bei hohen Drehzahlen und eine höhere Gleichmäßigkeit des Leerlaufdrehmoments über die gesamte Spindellänge. Das erlaubt die energieeffiziente Auslegung der Antriebe.
Auf dem Prüfstand
Wichtige Beurteilungskriterien für die Qualität eines Kugelgewindetriebs – egal ob es sich um Schwerlast- oder Miniatur-Ausführungen handelt – sind Laufeigenschaften, Positioniergenauigkeit und Lebensdauer sowie Geräuschentwicklung, Vibrationen, Einlaufverhalten und Energieeffizienz. Diese Qualitätskriterien hängen ganz wesentlich von folgenden Faktoren ab: geometrische Genauigkeiten (Rund- und Planlauf), Qualität der Laufbahnen (Genauigkeit/Rauigkeit/Welligkeit), Ausführungsqualität der Umlenkungen, Art der Vorspannungsaufbringung, präziser und sauberer Einbau beziehungsweise Montage, Schmierung/Schmiermittel/Keramikkugeln/Beschichtungen usw. und Materialauswahl.
Vieles lässt sich konkret bestimmen, doch Laufeigenschaften, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind nicht direkt messbar. Steinmeyer entwickelte daher eigens einen Prüfstand für die Qualitätsbestimmung von Miniatur-Kugelgewindetrieben (Bild 5). Bei der Messung der fertig montierten Baugruppe aus Spindel und Mutter wird die Mutter über eine Aufnahme in einem Schlitten verdrehgesichert und die Spindel über eine Spannzange angetrieben. Die genaue Position des Schlittens wird gemessen. Durch den Bezug auf Position und Winkellage lässt sich die Steigung bestimmen. Die Messung kann im Vor- und Rückhub erfolgen und beide Kurven überlagert dargestellt werden. Hysterese und Umkehrspiel lassen dann auf die Vorspannung, Laufeigenschaften und damit auch auf das Erreichen einer guten Lebensdauer schließen – sie stellen also Qualitätskriterien dar. Ein hochwertiger Miniatur-Kugelgewindetrieb weist bei einer Umdrehung einen maximalen Fehler von ca. 0,5 µm, was in etwa der Wellenlänge von sichtbarem Licht entspricht. Bisher ist die Messung kein Standardverfahren. Der Prüfstand kommt ausschließlich im Kundenauftrag zum Einsatz, vor allem aus der optischen Industrie sowie bei der (Weiter-)Entwicklung neuer Miniatur-Kugelgewindetrieb-Modelle.
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Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 2 vom 26.03.2013. |
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