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Kugelgewindespindeln

Taumelfehler bei Kugelgewindespindeln in Miniatur-Anwendungen

| Redakteur: Ute Drescher

Bei Kugelgewindespindeln mit Hublängen unter 300 mm entscheidet die Steigungsgenauigkeit über die Positioniergenauigkeit in der Anwendung. Sie zu vernachlässigen, kann gravierende Folgen haben. Erschweren kommt hinzu: Sie zu ermitteln, ist alles andere als trivial.

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Bild 1: Optische Darstellung des Taumelfehlers: Es handelt sich um einen unregelmäßigen Gewindesteigungsfehler, der in Intervallen eines Gangs auftritt.
Bild 1: Optische Darstellung des Taumelfehlers: Es handelt sich um einen unregelmäßigen Gewindesteigungsfehler, der in Intervallen eines Gangs auftritt.
( Bild: Thomson Industries )

Per Definition handelt es sich bei einem Taumelfehler um einen unregelmäßigen Gewindesteigungsfehler, der in Intervallen eines Gangs auftritt. Dieses Prinzip ist schwer darzustellen, es sei denn, man wickelt das Gewinde vom Spindelkern ab (Bild 1).

Geleitet von ISO-, DIN- und JIS-Industrienormen (Bild 2) definieren viele Konstrukteure die Steigungsgenauigkeit von Kugelgewindetrieben im Sinne des aufsummierten Fehlers über 300 mm (V300). Dabei wird jedoch häufig übersehen, dass die Messung bzw. Kontrolle der Steigungsgenauigkeit pro Umdrehung (V) deutlich nützlicher sein kann. Angesichts des Taumelfehlers – häufig auch wegen der daraus resultierenden kaum vorausberechenbaren, schwankenden Bewegung des Kugelgewindetriebs als „taumelndes Gewinde“ bezeichnet – gilt die Steigungsgenauigkeit pro Umdrehung vor allem in Miniaturanwendungen, bei denen die Gesamt-Hublänge weniger als 300 mm beträgt, als kritischer Parameter.

Viele vernachlässigen den Fehler

Fälschlicherweise gehen viele Konstrukteure davon aus, dass der V-Fehler bezogen auf die Gesamt-Steigungsgenauigkeit V300 vernachlässigbar ist und ignorieren diesen Fehler daher bei der Spezifikation eines Kugelgewindetriebs. Wie in Bild 3 dargestellt, kann der Steigungsfehler pro Umdrehung für eine übliche P5-Spindel 8 µm oder 1/3 des zulässigen Steigungsfehlers über 300 mm (23 µm) betragen.

Die Aufdeckung und Quantifizierung solcher Fehler kann selbst für den Hersteller schwierig sein, da hierzu eine teure spezielle Analyseausrüstung notwendig ist, die nicht überall verfügbar ist. Daher sind viele Hersteller auf manuelle Einzelmessungen angewiesen. Sie verzichten also auf dynamische, kontinuierliche Messungen, die eine 100-prozentige Genauigkeit über den vollen Hubweg kontrollieren und protokollieren. Eine Kugelgewindespindel mit beispielsweise 12 mm Durchmesser und 2 mm Steigung hat auf 300 mm 150 Gänge. Das heißt, es sind mehr als 600 Messungen notwendig, um die Eigenschaften der Spindel präzise wiederzugeben.

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V300 bezieht sich auf längere Spindel

Bei Anfragen zu Gewindetrieben für Präzisionsgeräte mit Hubwegen kürzer als 300 mm fertigen einige Anbieter daher normalerweise eine Spindel mit einer Genauigkeit V300 bezogen auf eine längere Spindel und liefern dem Kunden ein kürzeres Teilstück, das zu dessen Anforderung passt. Spezifiziert ein Kunde z. B. eine P5-Spindel (23 µm/300 mm) mit 125 mm Hubweg, könnte der Hersteller mit einer zwei Meter langen P5-Spindel beginnen und ein 250 mm langes Teilstück zur Bearbeitung abtrennen. Damit erhält der Kunde zwar im Grunde, was er bestellt hat – jedoch möglicherweise unter Missachtung der tatsächlichen Leistungsparameter, die entscheidend für die Positionierungsanforderungen der Anwendung sind. Als Folge könnte eventuell eine kostspielige Nachbearbeitung notwendig werden, sodass die Anforderungen des Endkunden nur mit Verzögerung durch den OEM erfüllt werden.

Nehmen wir zum Beispiel den Fall eines Herstellers medizinischer Fluidpumpen, der für ein neues medizinisches Gerät eine Genauigkeit von P5 sowie 150 mm Hubweg spezifiziert. Mit den Feinheiten der Spindelcharakteristik möglicherweise nicht eingehend vertraut, hat man im Pflichtenheft lediglich eine Steigungsgenauigkeit von 23 µm/300 mm angegeben.

Wenngleich dieser Pumpenhersteller keine Möglichkeit hatte, die Spindelgenauigkeit separat zu messen, konnte er die Ausgabemengen des Fluids dynamisch erfassen und diese Daten mit der Spindelgenauigkeit abgleichen. Am Ende musste er die Standardspindel zurückweisen, obwohl sie der ursprünglich geforderten Genauigkeit entsprach. Die Angabe eines aufsummierten Fehlers über 300 mm erwies sich letztlich als irrelevant für diese Anwendung. Somit wurde eine spezielle Spezifikation notwendig, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen.

Durch den Datenabgleich zwischen den dynamischen Fluid-Ausgabemengen und dem dynamischen Spindelverhalten ließen sich die Spindeleigenschaften gezielt ermitteln, die sich negativ auf die Pumpenleistung auswirkten. Diese Daten wurden genutzt, um die Spezifikation der Spindel zu überarbeiten und den unerwünschten Fehler zu eliminieren.

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