Die Quelle präziser Kraft – Die zentrale Rolle von Kugelumlaufspindeln in Armrobotern

Roboterarme Roboterarme spielen eine immer wichtigere Rolle in der industriellen Automatisierung, der medizinischen Chirurgie und sogar der Weltraumforschung. Sie können komplexe Aufgaben wie Schweißen, Lackieren, Handhabung, Präzisionsmontage und sogar minimalinvasive Chirurgie ausführen. Während wir die Präzision, die hohe Geschwindigkeit und die hohe Belastbarkeit von Roboterarmen bewundern, spielt eine Schlüsselkomponente eine entscheidende Rolle: die Kugelumlaufspindel. Sie wandelt Drehbewegungen in präzise Linearbewegungen um.

Eine Kugelumlaufspindel ist ein mechanisches Übertragungselement, das im Wesentlichen aus einer Leitspindel, einer Mutter, Kugeln und einem Wechselrichter besteht.

Leitspindel: Eine Welle mit einer präzisen Spiralnut.

Mutter: Ein Bauteil mit passenden Spiralnuten im Inneren, das mit der Leitspindel zusammenpasst.

Kugeln: Sie sind zwischen den Spiralnuten der Leitspindel und der Mutter angeordnet und fungieren als Vermittler.

Funktionsweise: Wenn ein Servomotor die Leitspindel antreibt, zirkulieren die Kugeln in den Nuten und sorgen so für eine präzise lineare Bewegung der Mutter entlang der Leitspindelachse. Diese „Rollreibung“ ist die Ursache für die hohe Leistung.

Kugelumlaufspindeln bieten unersetzliche Vorteile bei der Konstruktion von Robotergelenken (insbesondere Lineargelenken) und Endeffektoren:

1. Hohe Präzision und Positioniergenauigkeit

Kugelumlaufspindeln werden mit hochpräziser Technologie hergestellt, was zu extrem geringen Steigungsfehlern führt. Das bedeutet, dass eine bestimmte Drehung des Motors eine äußerst präzise lineare Verschiebung der Mutter bewirkt. Dies ist entscheidend für Roboter, die für Aufgaben wie Chip-Picking und Präzisionsdosierung wiederholt dieselbe Position erreichen müssen.

2. Hohe Effizienz

Aufgrund ihrer Rollreibungskonstruktion können Kugelumlaufspindeln Übertragungswirkungsgrade von über 90 % erreichen.

Energieeffizienter: Bei der Übertragung wird weniger Energie als Wärme verschwendet.

Einfachere Steuerung: Hohe Effizienz bedeutet weniger Spiel und verbesserte Reversibilität, was zu einer schnelleren Systemreaktion und präziseren Steuerung führt.

3. Hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit

Durch den Punktkontakt zwischen Kugel und Nut können sie erheblichen axialen Belastungen standhalten. Dadurch können Roboterarme mit Kugelumlaufspindeln schwerere Werkstücke heben oder bei Aufgaben wie Fräsen und Schleifen extreme Stabilität bewahren, indem sie den Reaktionskräften der Bearbeitung standhalten und Vibrationen sowie Durchbiegungen verhindern.

4. Lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit

Rollreibung verursacht deutlich weniger Verschleiß als Gleitreibung. Bei richtiger Auswahl, Schmierung und Wartung bieten Kugelumlaufspindeln eine außergewöhnlich lange Lebensdauer. So können Industrieroboter den hohen Anforderungen einer kontinuierlichen Produktion rund um die Uhr gerecht werden und gleichzeitig Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren.

Kugelumlaufspindeln werden bereits häufig in Armrobotern eingesetzt, beispielsweise:

Gelenkbetätigung für Industrieroboter, Endeffektoren für das Greifen mit hoher Griffkraft und SCARA-Roboter für das Heben auf der Z-Achse, die häufig in der Montage und Handhabung eingesetzt werden.

Trotz ihrer erheblichen Vorteile sind Kugelumlaufspindelanwendungen auch mit bestimmten Herausforderungen verbunden:

Kosten: Die Herstellungskosten sind höher als bei herkömmlichen Gleitschrauben.

Lärm: Auch bei hohen Geschwindigkeiten entsteht noch etwas Lärm.

Wartung: Sie müssen regelmäßig geschmiert werden und sind empfindlich gegenüber Staub und Schmutz, sodass in der Regel Schutzabdeckungen erforderlich sind.

Während die Robotik immer schneller, präziser und intelligenter wird, wird es auch in der Kugelumlaufspindeltechnologie weiterhin Innovationen geben.