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#Produkttrends
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Unterschiedliche Antriebskonzepte für unterschiedliche Bewegungen der Werkzeugmaschine
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Haupt-, Vorschub- und Hilfsantriebe
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Hier ist ein kurzer Blick auf Ihre Optionen bei der Auswahl von Antrieben für den Einsatz in Werkzeugmaschinen.
Bei Werkzeugmaschinen sind typischerweise die Details der installierten Antriebstechnik verborgen. Grundsätzlich gibt es jedoch mehrere Möglichkeiten für Haupt-, Vorschub- und Hilfsantriebe, um die erforderlichen Maschinenbewegungen durchzuführen.
Hauptantriebe
Hauptantriebe sind überwiegend geregelte, elektrische Synchron- und Asynchronmotoren. Zu den Anwendungen gehören Bausatz- oder Gehäusemotoren für den Einsatz in Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen sowie in Bearbeitungszentren. Die traditionellen Spindelantriebe mit gehäusten Motoren - meist luftgekühlt - sind auch als Hauptantriebe beliebt. Im Vergleich zu Motorspindeln sind sie unter Berücksichtigung der Sekundärkosten beider Systeme kostengünstiger. Einerseits ermöglicht der Einsatz von Getrieben die Anpassung von Drehzahl und Drehmoment an die Bearbeitungsaufgabe. Andererseits verursachen die Getriebe unerwünschte Radialkräfte, Geräusche und erhöhten Verschleiß.
Die Hauptantriebe mit Bausatzmotoren mit integrierter Spindel sind technisch ausgereift. Da Getriebe und Kupplungen entfallen können, ermöglichen diese Antriebe eine zentrische Drehbewegung ohne Scherkräfte. Sie zeichnen sich durch langfristige Laufruhe und minimalen Verschleiß aus und werden häufig bei der Hochleistungsbearbeitung eingesetzt. Die Erzeugung von Antrieben mit höheren Drehmomenten ist derzeit noch recht aufwendig, da entweder ein (Planeten-)Getriebe in die Spindel integriert werden muss oder eine höhere Motorleistung gewählt werden muss. Um eine vorbeugende Wartung und Instandhaltung durchzuführen, sollten Sensoren in die Spindel integriert werden, um Messdaten zu überwachen und zu erfassen. Eine Kühlung mit Öl, Luft oder Glykol ist weiterhin erforderlich.
Vorschubantriebe
Bei Vorschubantrieben kann zwischen elektromechanischen oder hydraulischen Systemen gewählt werden. Bei den elektromechanischen Vorschubantrieben dominiert der elektrische Servomotor mit Kugelgewindetrieb derzeit weltweit. Er wandelt die Drehbewegung in eine lineare Bewegung um. Hier werden bevorzugt Synchrongehäusemotoren eingesetzt, da sie hohen Anforderungen an Positionierung, Synchronbetrieb und Dynamik gerecht werden müssen; mehr als der Hauptantrieb.
Aufgrund seiner hohen statischen Steifigkeit eignet sich dieses traditionelle Antriebssystem für eine Vielzahl von Anwendungen, ist aber verschleißanfällig. Abhängig von den Einbaubedingungen und den erforderlichen Drehmomentkräften wird der Servomotor direkt oder z.B. über einen Synchronriemen mit der Spindel verbunden.
Antriebe sollten Verschleißfestigkeit sowie hohe Steifigkeit und Dynamik bieten. Eine solche Kombination von Eigenschaften ermöglicht eine höhere Präzision und einen langfristig störungsfreien Betrieb als bei einer vergleichbaren Kugelgewindetriebseinheit mit indirektem Positionsmesssystem.
Das Lastverhalten des Antriebs ist ein Aspekt, der seine Nutzung einschränkt. Das bedeutet natürlich nicht, dass bei der Bearbeitung mit großen Kräften Kugelgewindetriebe und hydraulische Antriebslösungen entfallen können. Auch tragende Maschinenelemente wie der Spänedeckel mit seiner maximal zulässigen Gleitgeschwindigkeit und die Schlittenführung mit ihrem Dämpfungsverhalten können den Einsatz einschränken. Den Vorteilen von Linearmotorantrieben stehen die damit verbundenen Investitionskosten gegenüber, die bisher einen weltweiten Durchbruch dieser Antriebstechnik verhindert haben.
Hydraulische Vorschubantriebe sind gefragt, wenn ihr Nutzen erhebliche Auswirkungen hat, wie z.B. bei engen Platzverhältnissen, sowie bei Anwendungen, die eine hohe Dynamik und große Vorschubkräfte erfordern. Und natürlich muss der hydraulische Vorschubantrieb mikrometergenau positionieren. Die Praxis zeigt, dass der hydraulische Linearantrieb spielfrei arbeitet, langlebig ist und tendenziell langlebiger ist als ein vergleichbarer Antrieb mit Kugelgewindetrieb. Bei elektrischen Vorschubantrieben muss jede spezifische Leistung (Drehmoment und Drehzahl) installiert werden. Eine Hydraulikachse kann jedoch je nach Bedarf Energie aus einem Hydraulikfluidspeicher beziehen und die installierte Eingangsleistung um bis zu 80% reduzieren.
Hilfsantriebe
Eine Vielzahl von Antrieben erfüllt die Anforderungen einer Hilfsantriebsanwendung. Über das gesamte Spektrum der Nebenantriebsfunktionen in Werkzeugmaschinen hinweg gibt es weder einen signifikanten Trend noch zeichnen sich einige bewährte Einheiten ab. Die Wahl hängt von der Anwendung ab.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Maschinengruppe mit einer geschlossenen Abfolge von Funktionen verschiedene Antriebe kombiniert. Beispiele dafür gibt es in Anwendungen, in denen elektromechanische Antriebe für vertikal oder diagonal bewegte Schlitten in Kombination mit hydraulischer oder pneumatischer Gewichtskompensation eingesetzt werden. Hier kann die Gewichtskompensation als passiver Hilfsantrieb im weitesten Sinne verstanden werden, dessen Aufgabe es ist, die Gewichtskraft der bewegten Masse zu kompensieren. Der Gewichtsausgleich kann auf verschiedene Weise erreicht werden, wobei das Hydrauliksystem mit einem Hydraulikflüssigkeitsspeicher beliebt ist. Ist die zu kompensierende Gewichtskraft gering, kann eine Gasdruckfeder die Funktion übernehmen. Die Vorteile dieser Lösungen liegen in ihrem anpassungsfähigen dynamischen Verhalten sowie in ihrer günstigen Energiebilanz.
Pneumatische Antriebe eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer einfachen Steuerungsstruktur und der Schnelligkeit ihrer Bewegungen ideal für den Einsatz in Handhabungsgeräten. Diese Merkmale gelten für Zuführ- und Beladeeinheiten für kleinere Massen, die in den Werkstückfluss des Produktionsprozesses integriert sind. Die Werkzeug- und Werkstückspannung an Werkzeugmaschinen ist entscheidend, da sie die Arbeitsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit beeinflusst. Hydraulische Spannvorrichtungen stellen eine besondere Art des Hilfsantriebs dar und werden in Maschinen mit unbeaufsichtigter Werkstückbe- und -entladung eingesetzt, da sie leicht automatisierbar sind. Die hohe Kraftdichte der Spannelemente begünstigt den Bau von Spannvorrichtungen auf kleinstem Raum.
Fazit
Für Antriebsaufgaben in Werkzeugmaschinen stehen eine Reihe von elektrischen, hydraulischen, elektromechanischen und pneumatischen Antriebskonzepten zur Verfügung. Das Engineering-Team muss unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen entscheiden, welche Art von Antriebskonzept für die jeweilige Aufgabe geeignet ist. Ein guter Automatisierungsanbieter, der über Expertise in all diesen Technologiegruppen verfügt, wird die Kunden bei diesen Entscheidungen berücksichtigen und beraten.