Integrierte und präzise Elektromechanik verfährt mit 200 m/min

Ritzel und Zahnstange hängen Linearmotor ab

Von wegen „veraltete Technik“ – mit 200 m/min und einer Beschleunigung von 4 g sollen sich Zahnstange und Ritzel den Weg in moderne CNC-Maschinen erobern (Bild: Wittenstein)
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Wenn neben der Leistung auch die Kosten zählen, ist der Linearmotor nicht immer die beste Wahl. Das will die Igersheimer Wittenstein Motion Control mit Zahnstange-Ritzel-Lösungen für Präzisionsmaschinen zeigen.

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

Einen Generationswechsel bei Antrieben mit Ritzel und Zahnstange kündigt die Wittenstein Motion Control GmbH (Halle 14, Stand J21) für die diesjährige Hannover Messe an. Mit ihren integrierten elektromechanischen Antriebssystemen, die im Eilgang eine Geschwindigkeit von über 200 m/min erreichen und mit bis zu 4 g beschleunigen, wollen die Igersheimer sogar den Linearmotoren in dynamischen und präzisen Anwendungen den Rang ablaufen.
„Bisher hat sich die Diskussion vor allem um Kugelgewindetrieb und Direktantrieb gedreht“, sagt Produktmanager Klaus Bauer, „denn Ritzel und Zahnstange galten als veraltetes System.“ Zwei Argumente fegten Lösungen dieser Art üblicherweise vom Tisch. Wegen des Spiels in der Verzahnung und der Kopplung der Antriebskomponenten musste der Anwender Abstriche bei der Präzision in Kauf nehmen. An diesem Punkt hatten die Antriebsspezialisten bereits im vergangenen Jahr angesetzt und mit einer Evolventenverzahnung eine formschlüssige Verbindung zwischen Getriebewelle und Ritzel hergestellt. Die damit erreichbare Positioniergenauigkeit soll mit der von Kugelgewindetrieben vergleichbar sein.
Des weiteren galt bisher als nachteilig, dass Motor und Getriebe viel Gewicht mitbrachten und so die Dynamik des Antriebs beeinträchtigten. „Wir haben nun Motor, Getriebe und Ritzel zu einer Einheit integriert“, erläutert Bauer. Diese Maßnahme reduziere das Gewicht der bewegten Teile: Zusatzelemente wie Kupplung und Getriebeflansch entfallen, was sich positiv auf die Präzision auswirke. Auch fällt die Kombination aus Servomotor und Getriebe nach Angaben des Anbieters bis zu drei Mal kleiner aus als bisher üblich.
Dass diese neu konstruierten Komponenten in Werkzeugmaschinen Vorteile bringen, haben die Anwender bereits bestätigt. „Wir haben einen Kunden im Bereich der Lasermaschinen, der an seinen Maschinen einen direkten Vergleich zwischen Linearmotor und unseren neuen Zahnstange-Ritzel-Lösungen angestellt hat“, berichtet Bauer.
An der Präzision der mechanischen Lösung gab es demnach nichts auszusetzen. Aber bei den Kunden, die die Lasertechnik-Maschinen kaufen, landet die LinearmotorVariante nach den Erfahrungen dieses Maschinenbauers auf Platz zwei. Zum einen lasse sich die Maschine mit Zahnstange und Ritzel kompakter konstruieren, zum anderen sei der Linearmotor vielen Kunden noch zu teuer.
Zu dieser Einschätzung kommen auch die Igersheimer, die ihrerseits die verschiedenen Antriebssysteme verglichen haben. An der Leistungsfähigkeit von Linearmotoren zweifeln sie nicht – obwohl es laut Bauer keine Anwendungen gibt, die man nicht auch mit Zahnstange und Ritzel lösen könne. Vor allem bei längeren Verfahrwegen schlügen aber bei den Direktantrieben die Kosten erheblich zu Buche. Diese Beobachtung bestätigt eine Studie, die Wissenschaftler vom Aachener Werkzeugmaschinenlabor (WZL) an einer Portalfräsmaschine durchgeführt haben, die in allen drei Achsen sowohl mit Linearmotoren als auch mit elektromechanischen Antriebssystemen erhältlich ist (Industrieanzeiger 28/2002).
Standard-Bauteile ermöglichen präzise Lineartechnik
Unter dem Aspekt der Kosten ist laut Bauer auch die Positioniergenauigkeit zu betrachten, die mit den verschiedenen Systemen zu erreichen ist. Um präzise zu verfahren, sei bei den Linearmotoren immer ein hochwertiger Linearmaßstab im Antriebsstrang erforderlich. Die von Wittenstein hergestellten TPM-Servomotoren mit integriertem Getriebe hingegen arbeiten mit Encoder oder Sin-Cos-Geber und erreichen mit dem Standard-Motor-Feedbacksystem eine Wiederholgenauigkeit von ± 2 µm. „Diese Präzision hat unser Kunde aus dem Laserbereich in der Praxis bestätigt“, berichtet der Produktmanager.
Auch beim Vergleich mit dem Kugelgewindetrieb kommt das Produkt aus Igersheim gut weg: Geschliffene Kugelrollspindeln schlägt die Zahnstange-Ritzel-Kombination im Hinblick auf den Summenteilungsfehler um den Faktor drei. Gerollte Spindeln von 3 m Verfahrlänge übertrifft sie den Angaben zufolge sogar um den Faktor zehn bis 15, so dass das neue System nun Gantry-Antriebe möglich macht, wie sie für Portalfräsmaschinen erforderlich sind.
Bei Kurzhubanwendungen führen die Entwickler die Lebensdauer als entscheidendes Kriterium an: Im Kugelgewindetrieb steige der Verschleiß an den wenigen bewegten Kugeln stark an. Bei Zahnstange und Ritzel gebe es diesen Effekt nicht, so dass diese Maschinenelemente auch bei kurzen Bewegungen eine längere Lebensdauer erreichten. Bei längeren Verfahrwegen hingegen erschwere beim Kugelgewindetrieb die entlang der Strecke wechselnde Steifigkeit das Regeln, und ab einer gewissen Länge komme die Spindel ins Schwingen. Als weiteren Vorteil der Zahnstange-Ritzel-Lösung nennt Produktmanager Bauer, dass sich mehrere Läufer auf einer Strecke einsetzen lassen.
Für weitere Anwendungen in CNC- oder Erodier-Maschinen ist er daher optimistisch „Dass wir den Ansprüchen in Lasermaschinen gerecht werden, zeigt, dass unsere Lösung auch für viele andere Anwendungen geeignet ist.“
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