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antriebstechnik 10/2018

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GETRIEBE UND

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN Aufgedeckt! Taumelfehler bei Kugelgewindespindeln in Miniatur-Anwendungen finden 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. Geleitet von ISO-, DIN- und JIS-Industrienormen definieren viele Konstrukteure die Steigungsgenauigkeit von Kugelgewindetrieben im Sinne des aufsummierten Fehlers über 300 mm (V 300 ). Dabei wird jedoch häufig übersehen, dass die Messung bzw. Kontrolle der Steigungsgenauigkeit pro Umdrehung (V 2π ) 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. Fälschlicherweise gehen viele Konstrukteure davon aus, dass der V 2π -Fehler bezogen auf die Gesamt-Steigungsgenauigkeit V 300 vernachlässigt werden kann und ignorieren diesen Fehler daher bei der Spezifikation eines Kugelgewindetriebs. Wie in der Tabelle auf S. 28 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. Jeff Johnson ist Produktmanager für Gewindetriebe bei Thomson Industries Inc. in Wood Dale, USA Probleme auch beim Hersteller 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 Kugel gewindespindel mit z. B. 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. Bei Anfragen zu Gewindetrieben für Präzisionsgeräte mit Hubwegen kürzer als 300 mm fertigen einige Anbieter daher normalerweise eine Spindel mit einer Genauigkeit V 300 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 2 m 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 eine kostspielige Nachbearbeitung notwendig werden, sodass die Anforderungen des Endkunden nur mit Verzögerung durch den OEM erfüllt werden. Messgerät schafft Abhilfe Thomson Industries hat daher ein spezielles Steigungsgenauigkeits-Messgerät für Miniaturspindeln entwickelt. Diese lasergestützte Vorrichtung kann die vollständige Hublänge einer Spindel messen und die Genauigkeit gemäß internationaler Normen bestimmen. Die dynamische Messung (kontinuierliche Erfassung der Daten zur Steigungsgenauigkeit einer rotierenden Spindel) ist darüber hinaus ein wichtiges Werkzeug zur Qualitätsüberprüfung und Produktverbesserung: Zwei Grundprinzipien der Thomson-Unternehmenskultur. Nehmen wir z. B. 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 26 antriebstechnik 10/2018

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN spezielle Spezifikation notwendig, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen. Durch den Datenabgleich zwischen den dynamischen Fluid-Ausgabemengen und dem dynamischen Spindelverhalten konnte Thomson gezielt die Spindeleigenschaften ermitteln, die sich negativ auf die Pumpenleistung auswirkten. Diese Daten wurden schließlich genutzt, um die Spezifikation der Spindel zu überarbeiten und den unerwünschten Fehler zu eliminieren. 01 Kugelgewindetrieb-Parameter KUGELGEWINDETRIEBE IN ZAHLEN Zur Positionierung Zum Transport l 1 l 1 l l l l U U e l e e l O Kugelgewindetriebe im Kontext l 1 = Axial-Gewindelänge l U = Nutzbare Hublänge l e = Nicht-nutzbare Hublänge e p = Toleranz, nutzb. Hublänge v up v up Die Lösung bezogen auf den Taumelfehler in Kugelgewindetrieben besteht grundsätzlich darin, ein Produkt unter Einbeziehung des vollständigen Anwendungskontexts zu spezifizieren. Hierzu ist ein Hersteller mit entsprechender Kompetenz notwendig, um die Produkteigenschaften mit den anwendungskritischen Spezifikationen in Einklang zu bringen. Thomson verfügt über die breiteste Auswahl an Kugelgewindeprodukten auf dem Markt. Hinzu kommen eine jahrzehntelange Anwendungserfahrung, vielfältige Produktionsmöglichkeiten und nicht zuletzt spezielle Prüfausrüstung – im Zusammenspiel genutzt, um selbst komplizierteste Anforderungen vollständig zu verstehen und zu erfüllen. ISO/DIN/JIS-Spezifikationen sind ein guter Ausgangspunkt, um ein Produktverständnis zu entwickeln, aber damit sollte der Auswahlprozess noch nicht enden. Die Steigungsgenauigkeit ist nur ein Teil des Gesamtbildes und muss im Kontext weiterer Parameter interpretiert werden. Neben der gewünschten Steigungsgenauigkeit der Anwendung und dem damit verbundenen Taumelfehler umfasst der Kontext die Endenbearbeitung, den Endzapfen-Rundlauf, die Geradheit sowie die geometrische Toleranzen des Gesamtsystems. Wenngleich sich ein Großteil der Aufmerksamkeit auf die Spindelqualität bezüglich der Positionsgenauigkeit konzentriert, macht die zugehörige Kugelgewindemutter die Analyse noch komplizierter. Da die Mutter die Schnittstelle zwischen der Spindel und der Last darstellt, kann der Taumelfehler durch den Eingriff der Mutter in mehrere Spindelgänge abgeschwächt oder verstärkt werden. Die meisten Kugelgewindemuttern verfügen über drei bis zehn Kugelumläufe und sind daher mit mehreren Gewindegängen gleichzeitig in Berührung. Daher muss zur Feststellung der Genauigkeit unbedingt eine Gewindelehre mit nur einer Messkugel verwendet werden, um eine Spindel exakt zu vermessen. Moderne Gewindetriebe-Hersteller haben Spezialisten, die gemeinsam mit den Kunden die Schritte durchgehen, um den vollständigen Anforderungskontext zu ermitteln und v 300p = Zulässige Wegabweichung auf 300 mm Hub l O = Nennhubweg v 300p 300 l e + – v 2πp 300 2πrad v 300p e p e p C Hubwegabweichg. Hubwegabweichg. v 2πp = Zulässige Wegabweichung auf 2π Hubweg C up = Hubweg-Kompensation + – v up = Zulässige Wegschwankung im nutzb. Hubweg dann die passenden Produkte auszuwählen. Problematisch kann es werden, wenn Konstrukteure Kugelgewindetriebe aus dem Katalog bestellen und dabei lediglich die isolierten Spindelparameter zugrunde legen. Für Anwendungen mit Hublängen über 300 mm bleibt das möglicherweise ohne negative Folgen. Im Zusammenhang mit dem heutigen Trend zu immer kompakteren Produkten ist dies jedoch kritisch zu betrachten. Miniatur-Kugelgewindetriebe mit Steigungen von 1, 2 oder 3 mm in Hublängen von 100 oder 200 mm sind hier keine Seltenheit. Die Spezifikation eines aufsummierten Fehlers für 300 mm ist daher praktisch irrelevant. e p e p l O MINISTART IE3 ready Sanft fter Start von Motoren mit Modbus RTU Der intelligente Motorstarter UG 9410 der MINISTART Reihe vereint bis zu 7 Funktionen in einem platzsparenden Kompaktgehäuse von nur 22,5 mm. Der Motorstarter sorgt für einen zuverlässigen Sanftanlauf, Sanftauslauf,Wenden und den Schutz von 3-phasigen Asynchronmotoren und ermöglicht eine einfache Kommunikation über die Modbus RTU Schnittstelle. Ob Nachrüstung oder Erstausstattung, das Gerät gewährleistet einen verschleißarmen und schonenden Start Ihrer Maschinen und Anlagen. Einfache Inbetriebnahme, Parametrierung und Steuerung über Modbus RTU Minimaler Verdrahtungsaufwand durch Feldbusanbindung Umfangreiche Diagnosemöglichkeiten Höhere Lebensdauer Ihrer Anlagen Halle 9, Stand 331 DOLD - intelligente Lösungen für anspruchsvolle Antriebsaufgaben. Fragen Sie bei uns an! Unsere Erfahrung.Ihre Sicherheit. E. DOLD & SÖHNE KG • Postfach 1251 • D-78114 Furtwangen • Telefon 07723 6540 • Fax 07723 654356 • dold-relays@dold.com • www.dold.com

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