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Motor an – Schwingung aus

Werkzeugmaschine: Elektronik hilft bei Problemen in der Mechanik
Motor an – Schwingung aus

Magnetlager in der Hauptspindel sollen die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen steigern (Bild: Levitec)
Antriebsexperten tragen dazu bei, dass eine Maschine schneller und länger arbeitet: mit einer schwingungsdämpfenden Kombination aus Motor und Steuerung, mit magnetischen Lagern oder einer speziellen Dichtung.

Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann birgit.oppermann@konradin.de

Manchmal zwingt die Physik die Maschinenbauer zur Rücksichtnahme: An dem Punkt beispielsweise, an dem bewegte Teile eine Konstruktion zum Schwingen bringen, ist Schluss mit Geschwindigkeits- und Produktivitätssteigerung. Antriebsexperten schaffen es heute aber, solche Grenzen Stück für Stück zu verschieben, indem sie die Schwingungen zum Beispiel mit dem Motor dämpfen.
Diesen Ansatz hat der Siemens-Geschäftsbereich A&D verfolgt und das Advanced-Position-Control-System (APC) entwickelt. Im Grundprinzip ähnelt es herkömmlichen Regelsystemen. Den Erlangern ist es jedoch gelungen, dem Motor direkt und sehr schnell die Daten für die Lageregelung zur Verfügung zu stellen. Damit kann er beim Entstehen von Schwingungen schon auf kleinste Veränderungen in der Maschine reagieren und Energie in das Gesamtsystem einbringen, die den störenden Schwingungen entgegenwirkt. Einen zusätzlichen Sensor brauchen die Erlanger dafür nicht, weil der ohnehin vorhandene Linearmaßstab alle erforderlichen Informationen liefert.
„Mit dieser Art der Schwingungsdämpfung haben wir seit drei Jahren praktische Erfahrungen gesammelt und das System entsprechend weiterentwickelt“, sagt Dr. Jens Hamann, der die Abteilung Mechatronic-Support leitet. Seit der Präsentation auf der Messe Emo im Jahr 2003 ist APC in verschiedenen Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen im Einsatz. An der Fünf-Achsen-Portalfräsmaschine MP-3130 (5F) von Toshiba beispiesweise verbesserten sich die Dynamik der Maschine und die Oberflächengüte der Werkstücke: Der kv-Faktor, ein Maß für die Steifigkeit einer Kinematik, ließ sich von 0,5 auf 3 bis 3,3 steigern.
Bessere Oberflächenqualität wäre natürlich auch durch eine andere Mechanik zu erreichen, wie Hamann beschreibt: „Eine Kugelrollspindel mit größerem Durchmesser verändert die Eigenfrequenz der Konstruktion und bringt eine höhere Steifigkeit. Sie kostet aber erheblich mehr als ein elektronisches System wie APC.“
Eine Verbesserung zu herkömmlichen mechanischen Lösungen will auch die Levitec GmbH in Lahnau bieten. Die Tochter der Lust Antriebstechnik GmbH hat sich seit Jahren mit Magnetlagern für Pumpen und Generatoren einen Namen gemacht und wendet diese Technik nun auch für Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen an. In einer solchen Hauptspindel mit Magnetlager lassen sich die Steifigkeit und die Dämpfung elektronisch einstellen, so dass auch die Eigenfrequenzen beeinflusst werden können. Darüber hinaus ist die Position des Rotors und damit die Position des Werkzeugs variabel.
„Daher sind Magnetlager für Spindeln gerade dabei, sich im Markt zu etablieren“, sagt Levitec-Geschäftsführer Matthias Kroll. Nicht überall – aber im Werkzeug- und Formenbau, beim Schleifen von Lagerringen, in der Glasbearbeitung sowie beim Schleifprozess von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren gebe es schon einige Anwender, die Maschinen mit magnetgelagerten Spindeln nutzen. Die Argumente dafür seien einerseits die erreichbare Präzision, andererseits die gesteigerte Verfügbarkeit der Maschinen.
Die Skepsis der potenziellen Magnetlager-Anwender beschreibt Kroll als „typisch für die Einführung einer neuen Technologie“. Ein bisschen Aufwand fällt schließlich an: So muss das Gesamtsystem aus Lager, Antrieb und Steuerung schon beim Konstruieren aufeinander abgestimmt werden, um den mechatronischen Lagern die maximale Leistung zu entlocken. Dennoch lassen sich die Magnetlager mit marktüblichen Steuerungen für Werkzeugmaschinen kontrollieren, wie Kroll betont. „Und von den Kosten her lässt sich die Magnetlagertechnik am besten mit einem hochwertigen Servosystem vergleichen.“
Kroll räumt allerdings auch ein, dass in wirtschaftlich schwierigen Zeiten die Entscheidung für eine solche Investition vielen schwerer falle. Eine deutliche Forderung der Anwender ist laut Kroll auch, die Magnetlager weiterzuentwickeln, so dass sie sich nicht nur für Spezialanwendungen eignen, sondern auch eine größere Bandbreite bieten. Eine größere dynamische Steifigkeit ist dafür die Voraussetzung. „Daran arbeiten unsere Entwickler derzeit“, sagt der Geschäftsführer.
Verfügbarkeit von Maschinen ist allerdings nicht allein eine Sache der Mechatroniker. Eine neue Hochleistungsdichtung, die die Ratinger NSK Precision Europe GmbH entwickelt hat, soll die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben der BSS-Serie auch in stark verschmutzter Umgebung steigern: Mit einer Labyrinthabdichtung brachte es das System auf vier bis sechs Monate, mit vorgespannten Fingerabstreifern auf ein Jahr, mit der Hochleistungsdichtung hielt es über zwei Jahre durch. Leichte Einschränkungen bei der Geschwindigkeit muss der Anwender zwar in Kauf nehmen. Werte bis zu 300 m/min sind laut Hersteller aber kein Problem – und damit ist sicherlich die Mehrzahl der Anwendungen abgedeckt.
Elektronische Lösung günstiger als mechanische

„Wir brauchen prozesssichere Maschinen“

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Nachgefragt

Überzeugende Maschinen sind zugleich zuverlässig und schnell, sagt Prof. Christian Brecher vom WZL der RWTH Aachen
Was begrenzt die Geschwindigkeit in Werkzeugmaschinen ?
Aus rein technischer Sicht haben viele Maschinen ihre maximale Leistungsfähigkeit noch nicht erreicht: Sowohl die Mechanik als auch das Zusammenspiel von Mechanik und Elektrik haben Reserven, um die Nebenzeiten zu reduzieren. Aus wirtschaftlicher Sicht stellt sich aber oft die Frage, wieviel Aufwand man sinnvollerweise in diese Verbesserungen stecken sollte.
Welche Entwicklungen an Antrieben lohnen sich denn noch?
Entwicklungsaufwand lohnt sich vor allem für Systeme, die Maschinen zuverlässiger machen, denn wettbewerbsfähige mechatronische Elemente müssen sich an der Grenze des physikalisch Machbaren bewegen. Oft ist es sinnvoll, die Leistungsgrenzen nicht ganz auszureizen, um die Maschine erheblich ausfallsicherer zu betreiben.
In welchen Komponenten steckt das meiste Potenzial?
Es geht weniger um einzelne Elemente. Vielmehr gilt es, das Zusammenspiel der Schlüsselkomponenten wie Hauptspindel und Vorschubachsen besser zu verstehen. Der sinnvolle Einsatz intelligenter Komponenten kann dabei hilfreich sein.
Welche Neuerungen könnten einen Entwicklungsschub auslösen wie schon die Linearmotoren?
Am interessantesten sind derzeit wohl Elemente, die zusätzliche Diagnosefunktionen bieten und die Instandhaltung planbarer machen. Hier stehen wir aber erst am Anfang, und es ist noch viel Entwicklungsarbeit erforderlich.
Industrieanzeiger
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19.2021
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