Auch bei Steinmeyer gilt: Miniatur-Kugelgewindetriebe - klein aber oho

Kugelgewindetriebe sind das zentrale Element in Linearantrieben für den allgemeinen Maschinen- und Apparatebau. Ihre Qualität ist entscheidend für die Positioniergenauigkeit und Zuverlässigkeit der Antriebe.

Die kleinsten Kugelgewindetriebe sind Miniatur-Kugelgewindetriebe mit Spindeldurchmessern von lediglich 3...16 mm. Sie kommen beispielsweise in der Halbleitertechnik in Achsen, die zur Inspektion von Wafern genutzt werden, oder in der Medizintechnik in Beatmungsgeräten und Dosiereinheiten sowie in der Messtechnik zur Positionierung von Sensoren in Vorschubachsen zum Einsatz. Doch auch in Roboter- und Handlingsystemen oder in der Luft- und Raumfahrt sind sie ein entscheidendes Antriebselement.

Je nach Einsatzgebiet müssen sie dabei anderen Anforderungen gerecht werden. So stehen bei der Handhabungstechnik hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen und damit hohe Spindelsteigungen im Vordergrund. Die Positioniergenauigkeit ist bei dieser Art der Anwendung in der Regel von untergeordneter Bedeutung. Anders bei Einsätzen im Bereich Messtechnik: hier ist Präzision alles. In der Medizintechnik hängen im Zweifelsfall Leben von der einwandfreien Funktionsfähigkeit der Miniatur-Kugelgewindetriebe ab. Daher spielen hier neben hohen Genauigkeiten und einer großen Laufruhe vor allem 100-prozentige Verlässlichkeit und Sicherheit eine entscheidende Rolle.

Anwendungen im Reinraum oder in der Luft- und Raumfahrt benötigen zudem spezielle Materialien. So müssen Spindeln und Muttern aus rostfreien und abriebarmen Stählen gefertigt und Schmierstoffe sowie Abstreifer speziell auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden, um die Funktion des Kugelgewindetriebs sicher, zuverlässig und dauerhaft zu gewährleisten. Bei Einsätzen im Vakuum dürfen zum Beispiel keine Kunststoffe verwendet werden. Dagegen sind spezielle Umlenkungen aus Stahl gefordert.

Die Spindeln der Kugelgewindetriebe verfügen wahlweise über gerollte oder geschliffene Gewinde. Die gerollten Ausführungen entsprechen in der Regel den Genauigkeitsklassen T5 bis T10 und eignen sich damit für Standardansprüche. Bei besonders hohen Präzisionsanforderungen (Genauigkeitsklassen P1 bis P5) finden geschliffene Varianten Verwendung.

Zudem wirkt sich auch die Spindelsteigung auf die Genauigkeit aus: Je kleiner die Steigung, desto besser die theoretisch erreichbare Auflösung und damit die Präzision. Üblicherweise betragen die Steigungen von Miniatur-Kugelgewindetrieben 1 bis 2 mm.

Abhängig von Einbausituation und Anschlusskonstruktion werden die Spindeln mit unterschiedlichen Muttern kombiniert. Die August Steinmeyer GmbH & Co. KG mit Sitz in Albstadt ist Spezialist für die Entwicklung und Fertigung der präzisen und langlebigen Antriebselemente. Das Unternehmen fertigt vor allem Miniatur-Kugelgewindetriebe für den High-end-Bereich und bietet unter anderem sechs verschiedene Mutter-Varianten an, die auf den drei grundsätzlichen Bauformen Anschlussgewindemutter, Flanschmutter mit Abstreifern und Zylindermutter basieren. Dabei benötigen die Zylindermuttern mit 4-Punkt-Kontakt und Einzelgangumlenkung ohne Abstreifer den geringsten Bauraum.

Die Anschlussgewindemutter ist baugleich mit der Zylindermutter, verfügt aber zusätzlich über ein Gewinde und ist dadurch besonders einfach zu montieren. Eine Unterform der Anschlussgewindemutter ist die federvorgespannte Doppelmutter mit Anschlussgewinde mit 2-Punkt-Kontakt und Einzelgangumlenkung. Sie wird typischerweise fast ausschließlich in kleinen Kugelgewindetrieben verbaut und zeichnet sich durch eine besondere Laufruhe aus.

In der Doppelmutter werden zwei Muttern, die in einem Gehäuse verdrehsicher gelagert sind, durch ein Federpaket auseinander gedrückt. Durch die Feder sind Vorspannung und damit Reibmoment unabhängig von Toleranzen oder Verschleiß immer gleich.

Die Vorspannung kann daher sehr klein sein und die Mutter ist immer zuverlässig spielfrei. Damit bietet sich diese Mutterform für Einsätze an, bei denen sehr hohe Anforderungen an die Leichtgängigkeit der Miniatur-Kugelgewindetriebe gestellt werden, eine besonders feinfühlige Verstellung gefordert ist oder die Spindel sehr schlank ist. Allerdings ist diese Bauform größer und aufwendiger als eine einfache Anschlussgewindemutter. Sie eignet sich nicht für die Übertragung von Kräften, die über der Vorspannkraft liegen, da andernfalls die Feder nachgeben und Spiel auftreten würde.

Die gängigste Muttern-Form ist die Flanschmutter mit 4-Punkt-Kontakt und Abstreifern. Sie entspricht der DIN/ISO und zeichnet sich durch ihre Austauschbarkeit aus. Steinmeyer bietet sie in drei Varianten an: mit Einzelgangumlenkung und Standardabstreifern sowie mit Stirndeckelumlenkung wahlweise ein- oder zweigängig. Dabei eignen sich die Modelle mit Stirndeckelabdeckung aufgrund ihrer höheren Steigung für hohe Geschwindigkeiten. Wie alle Einzelmuttern werden die Flanschmuttern durch Kugelübermaß vorgespannt (4-Punkt-Kontakt). Dadurch ist ihr Wirkungsgrad etwas geringer als der einer Mutter mit Zweipunktkontakt. Zudem reagieren sie etwas stärker auf Fertigungstoleranzen, so dass sehr lange Spindeln normalerweise nicht mit vorgespannten Einzelmuttern ausgestattet werden. Allerdings sind Einzelmuttern sehr wirtschaftlich, punkten durch ihre kompakte Bauform und die Kugeln entlasten nicht bei Kraftspitzen.

Sämtliche Muttern können vorgespannt oder mit Axialspiel montiert werden und lassen sich wahlweise mit den beiden Spindeltypen aus dem Steinmeyer-Programm oder mit kundenspezifischen Spindelformen kombinieren. Zudem sind spezielle Miniatur-Kugelgewindetrieb-Ausführungen, zum Beispiel für Reinraumanwendungen oder für die Vakuumtechnik auf Wunsch ebenfalls realisierbar.

Die winzigen Kugelgewindetriebe aus Albstadt finden auch in den Positionierlösungen des Schwesterunternehmens Steinmeyer Mechatronik GmbH (STM), Dresden, Verwendung. So beispielsweise 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. Bewegt werden sie mit einem Gleichstrommotor mit Rotationsencoder. 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 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 versehen.

Das Besondere an den von STM eingesetzten Miniatur-Kugelgewindetrieben: die Spindeloberfläche wurde mithilfe der von Steinmeyer Albstadt entwickelten Optislite-Technologie deutlich optimiert. 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. Die plateauartige Oberfläche der Optislite-Kugelgewindetriebe ergibt einen sauberen, glatten Lauf bei gleichzeitig verbesserten Schmiereigenschaften. Das Ergebnis sind merklich 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.

„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“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer. 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 bzw. Montage

• Schmierung/Schmiermittel/Keramikkugeln/Beschichtungen usw.

• 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. 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“, erläutert Steinmeyer-Entwicklungsleiter Wolfgang Klöblen.

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 – dies entspricht in etwa der Wellenlänge von sichtbarem Licht! Diese Messung ist jedoch kein Standardverfahren. August Steinmeyer nutzt den Prüfstand bislang ausschließlich im Kundenauftrag vor allem aus der optischen Industrie sowie bei der (Weiter-)Entwicklung neuer Miniatur-Kugelgewindetrieb-Modelle.