Um die Energieeffizienz von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren zu steigern, braucht es ein Gesamtpaket aus berührungslosem Linearatrieb und Leichtbau. Durch den Leichtbau fallen die Beschleunigungswerte bei geringerem Energieeinsatz deutlich besser aus.
Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentren, die auf dem Kugelgewindetriebskonzept basieren, schaffen heute nur bis zu 1 G Beschleunigung, knapp 80 m/min Eilgang und erreichen eine Bearbeitungsgenauigkeit von 5 bis 10 μm. Der mechanische Verschleiß hinterlässt jedoch Spuren, was sich vor allem nach einigen Jahren in der Genauigkeit negativ auswirkt. Kürzere und teuere Wartungsintervalle sind notwendig. Und nach durchschnittlich zwei bis drei Jahren müssen Antriebskomponenten wie Kugelrollspindel oder Lager ausgetauscht werden. Das erhöht die Wartungskosten und reduziert die Verfügbarkeit der Maschinen deutlich.
Mit einem Beschleunigungswert von 2 G für die Linearachsen, 15 U/s² für die Rundachsen und einem Eilgang von 120 m/min für die Linearachsen, 150 U/min für die Rundachsen und 20 000 U/min der Hauptspindel weist das das Linear-Pick-up-Zentrum (LPZ) von MAP Kennzahlen auf, die weit über vergleichbaren Modellen liegen. Die erzielbaren Bearbeitungsgenauigkeiten liegen dabei bei rund 3 μm. Diese Werte konnten nur durch eine Finite-Elemente-Methode (FEM) optimierte Maschinenkonstruktion unter Einhaltung der Gesetze der Maschinendynamik erreicht werden. Das Maschinenbett ist eine eigensteife Gusskonstruktion und liegt im Massenverhältnis >10 zur ersten mechanischen Achse. Die Gewichtsoptimierung der einzelnen Baugruppen und das Eliminieren störanfälliger Komponenten wie zum Beispiel den bei anderen Produkten auf dem Markt üblichen Werkzeugwechsler waren ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion. Da es keine mechanischen Kraftübertragungselemente wie Kupplungen oder Getriebe gibt, können auch keine mechanischen Übertragungsfehler auftreten. Zahnspiel oder Umkehrlose existieren nicht.
Weiterhin zu nennen sind hier die primär und sekundär gekühlten Linear- und Torquemotoren in Verbindung mit einem hochperfomanten Antriebssystem für einen stabilen Temperaturverlauf. Die absoluten Messsysteme dienen der Kommutierung und der Achsregelung und sind so nah wie möglich am Zerspanungsprozess, aber außerhalb des Arbeitsraumes angeordnet. Dadurch werden ein sehr gutes Positionierverhalten und eine sehr hohe Bahntreue erreicht.
Die Brücke zur Aufnahme der X- und Z-Achse mit Motorspindel wird mittels eines Gantry-Verbunds auf der Y-Achse verfahren. Der Gewichtsausgleich der Z-Achse wird mittels eines verhältnismäßig kleinen pneumatischen Ausgleichszylinder realisiert, wodurch alle Energieketten entlastet werden. Die Motoren für die vierte Achse werden mechanisch zueinander ausgerichtet – elektrisch kleiner 3° – und parallel an einem Leistungsmodul betrieben.
Dadurch werden nur ein Regelmodul, ein absolutes Winkelmesssystem und keine zweite Gantry-Option benötigt. Hier ist eine Entlastung und ein Performancegewinn in der Steuerung spürbar, besonders bei präziser Positionierung beziehungsweise Bewegung sowie hohen KV-Faktoren. Der KV-Faktor ist eine spezielle Größe für die Lageregelung der Werkzeugmaschine, der die Kreisverstärkung beinhaltet. Er gibt an, mit welcher Geschwindigkeit ein bestimmter Lagefehler zu Null gemacht wird: Je größer der KV, desto schneller ist das System. Allerdings darf KV auch nicht zu groß werden, sonst kommt das System zum Schwingen. Diese simple und doch geniale Anordnung kommt im Vergleich zu konventionellen Konzepten mit einem Antriebsregler und einem Messsystem aus.
Durch die parallel mögliche Installation der so genannten Energiebox – bestehend aus der Maschinenverkleidung, dem Elektroschaltschrank, der Pneumatik, der Fluidtechnik und dem Zusammenbau der Achsen auf dem Maschinenbett – kann mit anschließender Endmontage und Inbetriebnahme die Fertigung in sechs Wochen bis zur Auslieferung durchgeführt werden.
Durch Einhaltung der normalen Transportmaße wird die Maschine in einem Stück geliefert, wodurch sich die Aufstellzeit beim Kunden auf rund zwei Tage reduziert. Durch die Kombination verschiedener Grundkomponenten, wie etwa drei verschiedenen Motorspindeln im Leistungsbereich von 16 bis 28 KW und einer Maximaldrehzahl von 20 000 U/min oder verschiedenen Werkzeugmagazinen, angefangen von einem Teller mit 36 bis zu einer Kette mit 78 normal großen Werkzeugplätzen, lässt sich die Maschine entsprechend abstimmen.
Um den Anwender in der Produktion flexibel zu machen, ist auch eine schnelle Umrüstung des Bearbeitungszentrums erforderlich. Dies wurde durch ein μ-genaues Nullpunktspannsystem mit optionalen Mediendurchführungen im Rundtisch realisiert. Der dadurch geringere Fertigungs-, Montage- und Justieraufwand wirkt sich ebenfalls positiv auf die Verfügbarkeit der Maschine aus.
Die Produktivität der LPZ ist dank schneller Achsgeschwindigkeiten, Beschleunigungswerten und der daraus resultierenden Reduzierung der Nebenzeiten sehr hoch. Untersuchungen beim Kunden ergaben, dass im Vergleich zu konventionellen Maschinen eine Einsparung der Bearbeitungszeit von 25 bis 30 % erreicht werden kann.
Die typischen Probleme, durch die Störfaktoren Getriebe, Hydraulik, Pneumatik und Sensorik bei konventionellen Werkzeugmaschinen, wurden weitestgehend eliminiert. Mit einer Anschlussleistung von 60 kVA und einem durchschnittlichen Energieverbrauch von 30 KW/h liegt die Maschine unter dem vergleichbaren Bereich der konventionellen Werkzeugmaschinen dieser Baugröße. Durch die Direktantriebe in allen fünf Achsen tritt auch längerfristig kein Genauigkeitsverlust auf.
Kosta Andreu Geschäftsführer MAP Werkzeugmaschinen GmbH, Neugattersleben
Autobauer setzen auf Leichtbau
Mit diesen Kundenanforderungen sieht sich MAP konfrontiert:
- Endkunden wollen Produkte mit geringerem Energieverbrauch
- Einführung neuer Bearbeitungstechnologien, zum Beispiel Trockenbearbeitung mit und ohne Minimalmengenschmierung (MMS)
- Produktumstellung der Automobilindustrie auf Baugruppen vorwiegend aus Leichtmetallen
- Abstände der Produkterneuerung verkürzen sich
- Abkehr von unflexiblen Taktstraßen hin zu variabel einstellbaren Fertigungsstraßen
- Bearbeitung in einer Aufspannung, Fünf-Achs-Bearbeitung
- Hohe Anforderungen hinsichlich Genauigkeit
Kosteneffizienz
Der Trend zu Leichtbaumaterialien, der im Automobilbereich seit langem verfolgt wird, macht auch im Maschinenbau nicht halt, da hier ein Schlüssel zur Senkung der Energiekosten liegt: Je leichter die Maschine ist, desto weniger Energie benötigt sie. So wiegen die Bearbeitungszentren von MAP durch die Verwendung von Aluminiumlegierungen mit rund 6 t nur halb so viel wie frühere Modelle. Dadurch benötigen sie auch nur 50 % der Energiekosten.
Unsere Webinar-Empfehlung
Der Summit richtet sich an Entscheider aus den Bereichen Fertigung, Instandhaltung, Fabrikautomatisierung, Automatisierung, Intralogistik und Fabrikplanung, Netzplanung, Netzwerkinfrastruktur, Innovationsmanagement. Daneben sind Hersteller aus den Bereichen Maschinenbau, Sensorik,…
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