Einen schnellen Antrieb, der zum Konzept der neuen Laserschneidmaschine Byspeed passt, hat die Schweizer Bystronic Laser AG entwickelt. Er ist so konstruiert, dass die leichte Maschine trotz hoher Dynamik nicht im Boden verankert werden muss.
Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann – birgit.oppermann@konradin.de
Einem Vorurteil möchte ich von Anfang an entgegentreten: Wir haben nichts gegen Linearmotoren.“ Auf diese Feststellung legt Thomas Plüss, Entwicklungsleiter für CNC und Antriebe bei der Niederönzer Bystronic Laser AG, großen Wert. Dennoch haben die Schweizer für ihre neue Laserschneidmaschine einen anderen Antrieb gewählt: „Für das Maschinenkonzept der Byspeed war der Direct Helical Motor die bessere Lösung.“
Der Direct Helical Motor (DHM) passt so gut, weil ihn die Entwickler sozusagen rückwärts darauf optimiert haben, bei bekannter Masse die vorgegebene Geschwindigkeit von 2 m/s und eine Beschleunigung von 2 bis 3 g zu erreichen. „An Höchstwerten waren wir nicht interessiert“, erklärt der Entwicklungsleiter, „wir haben uns nur daran orientiert, was die Maschine in der Praxis leisten muss.“
Sowohl für die Gewindespindel als auch für den Motor, der die Mutter hier direkt antreibt, haben sich die Entwickler Verbesserungmöglichkeiten einfallen lassen. Damit haben sie nichts völlig Neues getan, denn schon bei bisherigen Maschinen mit Zahnstangenantrieben haben die Schweizer Eigenentwicklungen verwendet. Dennoch schmunzelt Plüss, wenn er über Besonderheiten des DHM spricht: „Man könnte sagen, wir haben einen Linear-motor optimal um die Spindel herum-gewickelt.“
Anders als bei ähnlichen Antriebsvarianten mit Hohlwellenmotor verzichtet Bystronic auf einen Drehstrommotor mit eigenen Lagern. Beim DHM sind die Magnete als Ring direkt auf die Spindelmutter aufgeschraubt: Er ist also als Torquemotor zu betrachten.
Diese Konstruktion ist kürzer als ein Hohlwellenmotor, „und im Gegensatz zu einem Linearmotor haben wir bei diesem Direktantrieb alle Möglichkeiten genutzt, die Vorschubkraft zu optimieren.“ Um die Vorschubkraft eines Linearmotors zu erhöhen, müsse man die Magnetfläche vergrößern – der Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen ist linear. Beim rotativen Antrieb über den Torquemotor und der Umsetzung über den Kugelgewindetrieb habe es hingegen noch Spielraum gegeben: Motormoment, mögliche Vorschubkraft sowie das resultierende Massenträgheitsmoment weisen durch die Spindelsteigung quadratische Zusammenhänge auf. Das haben die Entwickler laut Plüss genutzt, so dass der DHM eine gegebene Vorschubkraft erzeugt und nur 1/25 der Magnetfläche eines Linearmotors mit derselben Kraft und Länge braucht: „Und da die Seltenerdmagneten teuer sind, lässt sich dieser Preisvorteil kaum wegdiskutieren.“ Abgesehen davon „hätten wir ein ganz anderes Maschinenkonzept entwickeln müssen, wenn wir Linearmotoren verwenden wollten“, so Plüss.
Eine der Praxisanforderungen, denen das jetzt verwirklichte Konzept gerecht wird, ist die Breite der Maschine von unter 2,3 m bei einem Verfahrweg von 1,6 m: Sie muss ohne Demontage in einen Container passen. „Obwohl die Byspeed nur ein Drittel des Gewichtes vergleichbarer Maschinen hat, muss sie nicht am Hallenboden verschraubt werden“, lobt der Entwicklungsleiter. Das verdanke sie zwei Besonderheiten. Zum einen werden durch eine dämpfende Spindelaufnahme die Reaktionskräfte definiert in die Tragstruktur eingeleitet, deren Details Plüss mit dem Wort „speziell“ umschreibt. Natürlich büße das System durch dieses Vernichten von Kräften einen Teil seiner Beschleunigung ein, aber das sei tragbar. Zum anderen haben die Maschinenbauer die Bewegungsführung so angepasst, dass ihr System Schwingungen aktiv unterdrückt.
Besonderheiten weist auch die Spindel auf. Um die hohen Vorschubgeschwindigkeiten mit den üblichen Kugelumlaufgeschwindigkeiten zu erreichen, verwenden die Schweizer überquadratische Spezialspindeln mit einer Steigung, die größer ist als der Durchmesser. Es gebe bisher allerdings nur wenige Hersteller, die solche Steilgewindetriebe für Hochleistungsmaschinen fertigen können. Auf die Frage nach der Lebensdauer antwortet Plüss: „Solche Komponenten erreichen die geforderten Lebensdauern nur, wenn sie entsprechend gewartet werden und mit dem Zentralschmiersystem ausgerüstet sind.“ So halten die Gewindetriebe länger als die Führungen, die nach Auskunft des Entwicklungsleiters als erste in einem so dynamischen Antriebssystem ausgetauscht werden müssen.
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