Behalten Sie die Kontrolle bei vertikalen Kugelumlaufspindelanwendungen

Apr 18, 2024

Diese Kugelumlaufspindelbremse ist federbetätigt. Bei einem Stromausfall wird die Last automatisch zugeschaltet. Um die Bremse von der Last zu lösen, muss die Stromversorgung wiederhergestellt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nexen Group Inc.

Eine Kugelumlaufspindelbremse wird am Ende einer Kugelumlaufspindel mit einer Kupplung befestigt, die einen kleinen axialen Versatz ausgleichen kann. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nexen Group Inc.

Bei einigen Vertikalliftanwendungen treibt ein Servomotor die Kugelumlaufspindel an. Eine am Flansch montierte Servomotorbremse, die zwischen dem Motor und dem Hubflansch installiert ist, hält die Kugelumlaufspindel und verhindert ein Zurückdrehen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nexen Group Inc.

Hocheffiziente Kugelumlaufspindeln treiben bei vertikalen Hebeanwendungen zurück und erfordern eine Bremse zum Halten der Last. Foto mit freundlicher Genehmigung von THK

Hocheffiziente Kugelumlaufspindeln eignen sich ideal für die präzise lineare Hochgeschwindigkeitspositionierung. Allerdings kann das Zurückdrehen ein Problem darstellen, insbesondere wenn sich die Kugelumlaufspindel in vertikaler Position befindet. Wenn die Kugelumlaufspindel nicht richtig gehalten wird, könnte die Last schnell absinken und zu Schäden an der Nutzlast, der Maschine und den Arbeitern führen.

Um das zu verhindern, haben Ingenieure mehrere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, über Seilrollen angebrachte Gegengewichte zu verwenden, um das Gewicht der auf der Kugelumlaufspindel getragenen Last auszugleichen. Dieses Design ist nicht ideal. Es nimmt Platz ein, besteht aus vielen Komponenten und übt keine Haltekraft direkt auf die Kugelumlaufspindel aus.

Harte Anschläge sind eine weitere Option, aber sie können die Kugelumlaufspindel beschädigen, wenn sie nicht richtig installiert oder richtig gesteuert werden. Ein harter Anschlag erzeugt eine hohe Kontaktbelastung, die das Kugelgewinde verformen, die Festigkeit der Kugellager beeinträchtigen, das Rückholsystem beschädigen und die Kugelmutter auf der Spindel verklemmen kann.

Eine dritte Option sind Sperrfedern. Diese werden in den Spalt zwischen Kugelmutter und Kugelumlaufspindel eingesetzt. Bei starker Beschädigung der Kugeln wird der Freiraum durch die Sperrfeder eingenommen. Die durch die Feder erzeugte erhöhte Reibung verhindert, dass die Last frei fällt oder die Schraube zurückdreht.

Eine andere Methode besteht darin, Mechanismen wie Klemmen oder Bremssattelbremsen zu verwenden, um die Schraube zu blockieren. Diese Methode ist einigermaßen effektiv, kann jedoch die Kugelumlaufspindel beschädigen und ihre Genauigkeit beeinträchtigen. Diese Designs nehmen auch viel Platz ein.

Ein Überlauf- oder Klauenstopp verhindert Schäden durch unbeabsichtigtes Überlaufen an beiden Enden der Kugelumlaufspindel. Als primären Schutz kann man sich jedoch nicht auf Hundestopper verlassen. Diese Art von Stopp sollte nur als redundanter Schutz verwendet werden. Der Weg sollte durch das Steuerungssystem der Baugruppe gestoppt werden und muss durch eine stromlose Bremse, beispielsweise die Kugelumlaufspindelbremse, gehalten werden. Die meisten Linearantriebe verwenden Bremsen an den Motoren oder Schlitten. Diese Bremsen werden an Doppelwellenmotoren oder an der Welle montiert, die die Riemenscheibe trägt.

Einer der häufigsten Fehler bei der Bewegungssteuerung tritt bei der Konstruktion von Aktuatoren mit Kugelumlaufspindel oder Riemenantrieb für vertikale Anwendungen auf. Typischerweise haben beide Systeme einen mechanischen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Bei einem Stromausfall fehlt dem Motor das Haltemoment, wodurch die Last nach unten stürzt.

Das Rückwärtsdrehmoment Tb kann wie folgt berechnet werden: Tb = PLe/2π, wobei L die Spindelsteigung (in Zoll), P die Last in Pfund und e eine mechanische Effizienzkonstante ist.

Eine gewisse inhärente Reibung im System kann leichte Lasten halten, aber stangenlose Aktuatoren treiben normalerweise schon mit geringer Kraft zurück. Die Faktoren, die einem Rückwärtsfahren entgegenwirken, sind mechanische Ineffizienzen (einschließlich entgegenwirkender Kräfte auf die Last); Haftreibung in den Lagern und im Antriebssystem; Reduktionsineffizienz (vom Zahnriemen oder den Zahnrädern); und das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Welle von Hand zu drehen, wenn der Motor nicht mit Strom versorgt wird.

Auch die Steigung eines schraubengetriebenen Systems trägt dazu bei. Eine Kugelumlaufspindel mit einer Steigung von 2 Umdrehungen pro Zoll hat einen geringeren Rücktrieb als eine mit einer Steigung von 5 Umdrehungen pro Zoll. Dies liegt daran, dass das Verhältnis von Reibungsmoment zu axialer Haltekraft F = 2πTfp ist; Dabei ist Tf das Reibungsmoment und p die Steigung der Kugelumlaufspindel.

Wenn die Stromversorgung ausfällt, können diese Systemineffizienzen der Tendenz der Last zum Rückwärtsfahren entgegenwirken. Wenn die Last jedoch schwerer als diese Widerstandsfaktoren ist, fällt sie unkontrolliert.

Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, besteht darin, eine Bremse am Motor oder der Kugelumlaufspindel anzubringen. Solche Bremsen sind federbetätigt, was bedeutet, dass Strom zugeführt werden muss, um die Bremse von der Last zu lösen (oder umgekehrt, die Bremse greift automatisch bei einem Stromausfall in die Last ein).

Eine federbetätigte, luftgelüftete Servomotorbremse funktioniert gut, es gibt jedoch ein Problem: Die thermische Ausdehnung der Kugelumlaufspindel kann sich negativ auf das Bremsenlager auswirken. Zusätzlich zur Umgebungswärme, der die Kugelumlaufspindel ausgesetzt ist, erzeugt die Spindel selbst durch Reibung Wärme. Zusammen kann diese Wärme zu einer ausreichenden Wärmeausdehnung in der Schraubenwelle führen, um deren Genauigkeit und Leistung zu beeinträchtigen. Bei jedem Grad Temperaturanstieg dehnt sich die Kugelumlaufspindelwelle um 12 Mikrometer pro Meter Länge aus.

Die durch die Wärmeausdehnung der Kugelumlaufspindel erzeugten Axialkräfte können groß genug sein, um das Bremslager vorzubelasten und zu einem vorzeitigen Ausfall des Geräts zu führen.

Um dieses Problem zu lösen, hat Nexen eine federbetätigte, luftentlastete Servomotorbremse speziell für Kugelumlaufspindeln entwickelt. Unser Gerät verfügt über eine spielfreie Elastomerkupplung, die bis zu 2 Millimeter Axialversatz ausgleicht. Die Kupplung wird mit einem Spreizkegelschaft in der Bremsbohrung befestigt. Das andere Ende der Kupplung verfügt über eine Klemmnabe, die an der Kugelumlaufspindel befestigt wird.

Es gibt unzählige Anwendungen für vertikal montierte Kugelumlaufspindeln, darunter Positionierungssysteme, Spannsysteme, Test- und Inspektionsgeräte, Akkumulatoren und Separatoren sowie Pick-and-Place-Systeme.

Ein Kunde benötigte eine federbetätigte, luftgelüftete Bremse mit genügend Drehmoment, um eine 885-Pfund-Last auf einer Kunststoff-Thermoformmaschine zu halten. Die ursprüngliche federbetätigte, elektrisch gelüftete Bremse konnte die Last nicht halten, sie wurde von einem Servomotor und einer Kugelumlaufspindel mit 30 Millimetern Durchmesser angetrieben.

Unsere federbetätigte, luftgelüftete Bremse liefert eine Haltekraft von 125 Newtonmetern. Die Bremse wird mit einer einzigartigen Elastomer-Einsatzkupplung am nicht angetriebenen Ende der Kugelumlaufspindel befestigt. Die Kupplung besteht aus zwei Hälften. Eine Hälfte verfügt über eine Klemmnabe und eine Radialschraube, die an der Kugelumlaufspindel befestigt werden. Die andere Hälfte verfügt über einen Spreizschaft und ein konisches Klemmelement zur Befestigung an der Bremsbohrung. Durch diese Konstruktion kann die Kupplung jede axiale Fehlausrichtung ausgleichen, die durch die Wärmeausdehnung der Kugelumlaufspindel entsteht.

Die einzigartigen Reibungsschnittstellen der Bremse erzeugen im Verhältnis zu ihrer Größe ein hohes Drehmoment. Auch die Kugelumlaufspindelbremse ist ein echtes, spielfreies Gerät. Spielfreiheit ist in vielen Anwendungen wichtig, um eine genaue Positionierung zu gewährleisten und zu verhindern, dass der Motor eine freie Drehung der Kugelumlaufspindel erzeugt.

Darüber hinaus haben luftgelüftete Bremsen gegenüber elektrischen Bremsen den Vorteil, dass bei gelöster Bremse kein Strom verbraucht wird. Das bedeutet, dass luftgelüftete Bremsen energieeffizienter sind. Sie verbrauchen nur etwa 1,2 Watt, um das pneumatische Steuerventil anzutreiben. Elektrische Bremsen verwenden eine Spule, um die Bremse gelöst zu halten, verbrauchen dabei Strom und erzeugen Hitze in der Bremse. Übermäßige Hitze beeinträchtigt die Haltekapazität der Bremse.

Präzisions-Kugelumlaufspindeln werden häufig auf CNC-Werkzeugmaschinen eingesetzt und bieten die für eine hochwertige Bearbeitung erforderliche Genauigkeit. Solche Kugelumlaufspindeln erfüllen die Anforderungen einer Vielzahl von Werkzeugmaschinenanwendungen, einschließlich Schleifen, Bohren und Fräsen. Eine aktuelle Anwendung erforderte aus Sicherheitsgründen die direkte Montage einer Bremse an einem Spindelantrieb. Bei den ersten Installationen wurden Bremsmotoren mit einer Bremse auf der Rückseite eines Doppelwellenmotors verwendet. Allerdings beanspruchten diese Baugruppen zu viel Platz und ihr Bremsmoment reichte nicht aus, um die Last anzuhalten und zu halten. Eine direkt am Ende der Kugelumlaufspindel befestigte Kugelumlaufspindelbremse spart Platz und sorgt bei direkter Anbringung an der Kugelumlaufspindel für eine effektive Bremsung.

Hersteller suchen zunehmend nach Möglichkeiten, das Risiko von Schäden an Menschen, Geräten oder der Umwelt zu verringern, die durch den Betrieb von Produktionsanlagen entstehen können. Eine intelligente Risikominderungsstrategie schützt Personal und Maschinen; Produktivität erhöhen; Effizienz steigern; und die Betriebszeit erhöhen.

Studien zeigen, dass die meisten Unfälle nicht unter normalen Betriebsbedingungen passieren, sondern während der Programmierung, Wartung, Reparatur und Prüfung. Daher sind ausreichende Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um zu verhindern, dass Lasten fallen oder sich Linearbewegungsachsen bei Wartungsarbeiten oder beim teilweisen Hochfahren der Anlage bewegen. Selbst bei rein horizontalen Bewegungen verwenden viele Systeme Bremsen, um ein Auslaufen bei Maschinenstopps zu verhindern, die durch das Öffnen einer beweglichen Schutzvorrichtung oder einer anderen Sicherheitsbarriere ausgelöst werden.

Von Edd Brooks, leitender technischer Vertriebsmitarbeiter der Nexen Group Inc. Vadnais Heights, MN