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Trotz vieler Lorbeeren bleibt keine Zeit zum Ausruhen

Werkzeugmaschinen: Spindelantriebe und Linearmotoren im Vergleich
Trotz vieler Lorbeeren bleibt keine Zeit zum Ausruhen

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Was verschiedene Vorschubantriebe in Werkzeugmaschinen leisten können, zeigen Untersuchungen an Prüfständen und die Praxis. Sieger und Verlierer sind bei Kugelgewindetrieben und Linearmotoren jedoch nicht auszumachen.

Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann

Sie treten direkt gegeneinander an: Linearmotoren und Kugelgewindetriebe beweisen sich am selben Prüfstand. Daß solche Projekte laufen, macht eines schon vor dem Blick auf die Ergebnisse klar: Selbst wenn beiden Systemen häufig ein eigenes Terrain zugewiesen wird, kämpfen sie in der gleichen Klasse und ringen um Einsatzbereiche.
Ihren Nutzen für den Anwender zu beurteilen, ist jedoch schwierig: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Vorschubkräfte, Geräusch- und Wärmeentwicklung, Präzision, bearbeitetes Material und Späneschutz spielen in ganz unterschiedlicher Weise eine Rolle. So sagt Dr. Bernd Schnurr, Leiter der Abteilung Linear- und Bausatzmotoren bei der Rexroth-Indramat GmbH in Lohr am Main: „In der Praxis kommt es letztlich darauf an, sich für einen konkreten Einsatzfall anhand der Kosten für ein Werkstück zu entscheiden. Solche Informationen liefert kein Prüfstand.“
Die Entscheidung wollen die Forscher auch gar nicht übernehmen, die beispielsweise am Aachener Werkzeugmaschinenlabor (WZL) und am Karlsruher Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (WBK) Kugelgewindetriebe und Linearmotoren vergleichen. Sie wollen mehr Einblick in die komplexen Systeme, um diese gegebenenfalls zu verbessern. So entstand am WBK der Prototyp einer Vorschubachse mit angetriebener Mutter, die Geschwindigkeiten bis 120 m/min erreichte. WZL-Ingenieure stellten unter anderem fest, daß Linearmotoren hochfrequente Schwingungen anregen und die Meßsysteme beeinträchtigen können (siehe S. 53).
Welche Ergebnisse ein Produkt beschreiben, hängt also stark von den Testbedingungen ab. „Man sollte achtgeben, daß man nicht Äpfel mit Birnen vergleicht“, warnt Prof. Manfred Weck, der am WZL den Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen leitet. Die Leistungsfähigkeit der Linearmotoren konnten die Aachener bestätigen. „Aber die Kugelgewindetriebe“, darauf legt Weck wert, „sind längst nicht am Ende.“
Spindeln haben auch in der Maschinenvariante Dyna-M ihren Platz bekommen. Sie ist Teil des Dynamil-Projektes, in dem neue Werkzeugmaschinenkonzepte erprobt werden. Neben den Aachenern sind Stuttgarter Forscher vom Institut für Steuerungstechnik in Werkzeugmaschinen (ISW) beteiligt. Sie verwirklichen ein Parallelkinematik-Konzept mit Linearmotoren, die ursprünglich auch für die Dyna-M mit Koppelkinematik im Gespräch waren. Da aber in der geplanten Anordnung die Sekundärteile lang übergestanden hätten, waren Verbiegungen zu befürchten. „So haben wir uns für Teleskopspindeln mit integrierten Meßsystemen entschieden“, berichtet Weck.
Hersteller ist die Remscheider A. Mannesmann GmbH & Co. KG, die auch Kugelgewindetriebe für den Prüfstandsvergleich bereitstellt. „Wir sehen unsere Produkte als direkte Wettbewerber zu den Direktantrieben“, bestätigt denn auch Konstruktionsleiter Ulrich Grüttner.
Die Remscheider haben ihre Elemente so gestaltet, daß nach ihren Angaben weder Schwingungen des Kugelgewindetriebs noch die Beanspruchung der Mutter das System begrenzen. Geschwindigkeiten bis 100 m/min, Beschleunigungen von 1 bis 1,5 g und Drehzahlkennwerte (n x d) von 160 000 seien prozeßsicher zu erreichen. „Im Augenblick setzt die Leistung der Servomotoren die Grenzen für die Beschleunigung“, betont Grüttner. Schmiersysteme und der Schutz der Mutter vor Spänen werden derzeit weiter verbessert.
Kugelgewindetriebe sind längst nicht am Ende
Hohe Leistungen sind auch nach Angaben anderer Hersteller mit Kugelgewindetrieben zu erreichen. Spindeln der Ratinger THK GmbH beispielsweise eignen sich für Geschwindigkeiten bis 120 m/min und eine Beschleunigung von 2 g. „Das läßt sich aber in Werkzeugmaschinen wegen der Problematik der Trägheitskräfte und Steifigkeit oftmals gar nicht konstruktiv umsetzen“, gibt Christiane Fischer zu bedenken. Für die stellvertretende Abteilungsleiterin des Bereichs Technik bei THK hat es deshalb auch „wenig Sinn, nur mögliche Maximalwerte miteinander zu vergleichen“.
Käme es allein darauf an, läge der Vorteil klar auf Seiten der Direktantriebe. Sie erreichen unter entsprechenden Bedingungen bis 600m/min und Beschleunigungen bis zu 10g. Solche Spitzenwerte gehören aber in den Handling-Bereich und sind von Werkzeugmaschinenbauern nicht gefragt. Viele Vorschubbewegungen kommen hier mit 120 m/min und 1 bis 1,5 g aus.
So wichtig wie die Dynamik sind hingegen stabile Temperatur oder der Schutz vor Spänen. Die führenden deutschen Hersteller von Linearantrieben für Werkzeugmaschinen, Rexroth-Indramat sowie die Münchner Siemens Linear Motor Systems GmbH, bieten zweistufige Verfahren an. Die einfache Kühlung kann mit einem Präzisionssystem ergänzt werden. Kapselungen schützen das Innen-leben vor Fremdkörpern. Für die Abdeckungen ist allerdings noch keine zufriedenstellende Lösung in Sicht. Das bestätigen Werkzeugmaschinenbauer und Wissenschaftler. Besonders ferromagnetische Späne, die ihren Weg zu Permanentmagneten suchen, bereiten Probleme. Faltenbälge sind in der Regel empfindlich gegen heiße Späne oder Kühlschmiermittel. Teleskopabdeckungen wiederum, die in Aachen getestet wurden, schränken die Dynamik ein. „Mit Kettenführungen ließ sich der Ruck beim Ausziehen verringern“, hat WZL-Forscher Carl Bartels festgestellt, „allerdings trat ein leichter Stick-Slip-Effekt auf.“
Glaubenskrieg über Vorschubantriebe wäre fehl am Platze
Permanentmagnete belasten auch die Führungen, worin THK-Ingenieurin Fischer kein großes Problem sieht: „Die Führung muß entsprechend der Belastung und den Anforderungen an die Lebensdauer dimensioniert werden.“ Um die Leistung auszunutzen, müsse das System optimal geschmiert und durch Zubehör vor Schmutz, Kühlwasser und äußeren Einflüssen geschützt werden. Die zweite Generation der Führungen mit Kugelkette verträgt so Geschwindigkeiten von 300 m/min, eine Beschleunigung von 5 g und ist mit Linearmotoren im Einsatz.
Sofern jedoch ein Standardmeßsystem mit 20 µm-Teilungsperiode eingebaut ist, gilt ein anderes Tempolimit. „Mit gekapselten Glasmaßstäben sind Eilganggeschwindigkeiten von 120 Metern pro Minute und Beschleunigungen bis zehn Gramm ohne Probleme erreichbar“, stellt Dr.-Ing. Jan Braasch klar, Entwicklungsleiter bei der Traunreuter Heidenhain GmbH. „Die Dichtlippen halten sogar mehr als vier Meter pro Sekunde aus“, versichert er. Schnelleren Bewegungen stehe derzeit die Auswerteelektronik im Wege. Laserinterferometer kommen seiner Ansicht nach schlechter weg, weil deren Signalperioden mit 0,316 µm noch kleiner seien als die der Glasmaßstäbe und so noch höhere Frequenzen beim Auswerten erforderten. Unter den rauhen Bedingungen in einer Werkzeugmaschine müßten sie ebenfalls aufwendig geschützt und kompensiert werden.
„Was sich mit einer Maschine erreichen läßt, hängt von sehr vielen Faktoren ab“, faßt auch Dr.-Ing. Hinrich Stave zusammen, „man muß im Detail nachschauen und optimieren.“ Stave leitet die Hauptabteilung Standardmaschinen bei der Mindelheimer Grob-Werke GmbH & Co. KG, einem Hersteller von Bearbeitungszentren. Wie groß der Vorsprung beim Positionieren ist, der sich mit Linearmotoren erreichen läßt, hängt seiner Erfahrung nach stark von der Weglänge ab und variiert zwischen 10 und 50 Prozent: „Das läßt sich aber nicht eins zu eins auf die Gesamtbearbeitungszeit übertragen.“ Für ein Kupplungsgehäuse betrug die Ersparnis in einem Fall trotz auf die Hälfte verkürzter Positionierzeiten insgesamt nur rund zehn Prozent. Gleichzeitig stieg der Energieverbrauch mit elektromechanischen Antrieben. Andererseits waren Spindeln lauter.
Eine Reihe von Vor- und Nachteilen haftet also beiden Systemen an. Laut WZL-Direktor Weck gilt für einen breiten Einsatzbereich, daß „sowohl das eine als auch das andere System eingesetzt werden kann“. Zugunsten der Kugelgewindetriebe geht der Vergleich derzeit aus, wenn es um Kräfte über 12 000 N geht. „Dann sind Linerarmotoren zu groß und verlieren ihre dynamischen Vorteile“, erläutert Harald Wild. Er hat ein vergleichendes Forschungsprojekt an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich betreut und beobachtet, daß sich Linearmotoren wegen der höheren Kosten für Umrichter und Magnetmaterial bis heute bei den Schweizer Werkzeugmaschinenbauern nicht durchgesetzt haben.
Um so wichtiger wird es für die Direktantriebshersteller, für eine Annäherung auf der finanziellen Seite zu sorgen. „Größere Stückzahlen können den Preis nach unten bringen“, sagt Indramat-Mitarbeiter Schnurr. Mit anderen Umrichtern planen die Münchner Linearmotor-Hersteller, weitere Anwendungen zu erschließen. Und wo die Türen zu den Entwicklern einen Spalt weit geöffnet werden, ist auch die Rede von Verbesserungen an Magnetmaterialien und -massen.
Ständige Verbesserungen machen den Vergleich zur Momentaufnahme. Einen Glaubenskrieg darüber, welches Element besser ist, hält Dr.-Ing. Wolfgang Horn, Konstruktionsleiter beim Ludwigsburger Maschinenbauer Hüller-Hille GmbH, für fehl am Platze: „Wir setzen Kugelgewindetriebe und Linearmotoren an verschiedenen Achsen derselben Maschine ein. Ich denke, daß Hybride eine gute Chance für die Zukunft bieten.“ In den produzierenden Unternehmen darf man sich also auf leistungsfähigere Maschinen freuen.
Forschung: Zwischen Linearmotoren und Kugelgewindetrieben muß je nach Einsatzfall entschieden werden
Nach den Untersuchungen am WZL-Prüftstand sind die konventionellen Antriebssysteme ernstzunehmende Konkurrenten für die Lineardirektantriebe.
Um Maschinenkonzepte für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zu verwirklichen, sind verschiedene Lösungen denkbar. Ihre Einsatzbereiche lassen sich durch einen Vergleich am Prüfstand bestimmen, bei dem das gesamte mechatronische System aus Motor, eventuell vorhandenen mechanischen Übertragungselementen und Regelung betrachtet wird.
Ein solcher Prüfstand wurde im Rahmen des Projektes Dynamil II – gefördert durch das Bundesforschungsministerium – am WZL der RWTH Aachen aufgebaut. Dort lassen sich die statischen, dynamischen, thermischen und akustischen Eigenschaften unterschiedlich konfigurierter Vorschubantriebe testen. Die Modulbauweise ermöglicht es, nicht nur einen linearen Direktantrieb oder einen Wälzschraubtrieb, sondern auch Ritzel-Zahnstangentriebe sowie Zahnriemenantriebe einzubauen. Da Steuerungselektronik sowie Grundmechanik gleich sind, ist ein objektiver Vergleich der Antriebssysteme sichergestellt.
In den letzten Jahren wurden die Potentiale der Lineardirektantriebe stark hervorgehoben: Dynamik und Steifigkeit, Wartungs- und Verschleißarmut, Präzision und Montagetoleranzen. Darüber hinaus kommen sie ohne mechanische Übertragungselemente im Kraftfluß des Antriebs aus. Die Untersuchungen am Prüfstand ergaben, daß der Linearmotor in vielen Bereichen der konventionellen Technik mit Kugelgewindetrieb überlegen ist. Besonders bei sehr langen Verfahrwegen, wie sie bei großen Portalmaschinen vorzufinden sind, sowie bei geringen bewegten Massen besitzt er hinsichtlich der erreichbaren Dynamik sowie Beschleunigungswerte deutliche Vorteile. Nachteilig wirkt sich die Verlustleistung aus, die eine hohe Kühlleistung erfordert, um die an die Maschine abgegebene Wärme in Grenzen zu halten. Obwohl der Wärmehaushalt und die Kraftwelligkeit des Motors verbessert wurden, haben sich diese Antriebe im Werkzeugmaschinenbau bisher aber nicht auf breiter Front durchgesetzt.
Die Ursache dafür ist einerseits der etwas höhere Systempreis. Andererseits bereitet die Konstruktion der Maschinen Schwierigkeiten. Es zeigte sich nämlich, daß man nicht einfach ein elektromechanisches Antriebssystem durch einen Lineardirektantrieb ersetzen kann. Vielmehr müssen alle Komponenten auf den Einsatz der Direktantriebe abgestimmt werden, um die Potentiale der neuen Technik sinnvoll zu nutzen. Wie sich bei den Tests herausstellte, können aufgrund der großen dynamischen Wirkbandbreite der Antriebe beispielsweise auch höherfrequente Maschinenresonanzen zu Schwingungen angeregt werden. Diese erfaßt auch die Regelung, da neben dem Lageregelkreis auch der wesentlich schnellere Geschwindigkeitsregelkreis über das direkte Meßsystem geschlossen wird. Es gibt bereits Programme für die Finite-Elemente-Methode, die in Zukunft auch dazu benutzt werden sollten, die Meßsystemankopplung zu modellieren.
Entwicklungen auf dem konventionellen Sektor zeigen, daß besonders der Kugelgewindetrieb wie auch der Ritzel-Zahnstangentrieb ernstzunehmende Konkurrenten bleiben. So stehen Kugelrollspindeln zur Verfügung, die durch die gestiegenen Drehzahlkennwerte Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/min und darüber hinaus erreichen können. Zwar werden die maximalen Beschleunigungswerte eines optimal abgestimmten linearen Direktantriebes nicht erreicht. Dafür ist für einen solchen Antrieb das Beschleunigungsverhalten über der zu bewegenden Nutzmasse aber wesentlich ausgeglichener.
Die anfängliche Euphorie, der Linearmotor werde die bestehenden Antriebe verdrängen, ist daher gedämpft worden. Ein breiterer Einsatz der Direktantriebstechnik setzt eine höhere Akzeptanz voraus, die durch eine Steigerung seiner Kraftdichte, sichere Konzepte zur Späneabdeckung sowie einen angemessenen Preis in Zukunft erreicht werden kann.
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