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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-36 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
1 Grundlagen
Dummie-Seite, damit die Bildunterschriften i. O. sind
Bild 1-1Bild 1-2Bild 1-3Bild 1-4Bild 1-5Bild 1-6Bild 1-7Bild 1-8Bild 1-9Bild 1-10Bild 1-11Bild 1-12Bild 1-13Bild 1-14Bild 1-15Bild 1-16Bild 1-17Bild 1-18Bild 1-19Bild 1-20Bild 1-21Bild 1-22Bild 1-23Bild 1-24Bild 1-25Bild 1-26Bild 1-27Bild 1-28Bild 1-29Bild 1-30 Bild 1-31 Bild 1-32 Bild 1-33 Bild 1-34 Bild 1-35 Bild 1-36 Bild 1-37 Bild 1-38 Bild 1-39 Bild 1-40 Bild 1-41Bild 1-42 Bild 1-43 Bild 1-44
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-37 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
1.9 Antriebe
1.9.1 Aufgaben
1.9.2 Anforderungen an Antriebe
- Hauptantriebe
- Nebenantriebe / Vorschubantriebe
1.9.3 Elektrische Antriebe
- Gleichstrommaschine
- Schrittmotor - Linearmotor
1.10 Getriebe
1.11 Steuerung und Sensorik bei Werkzeugmaschinen
1.11.1 Steuerung von Werkzeugmaschinen
1.11.2 Sensorik an Werkzeugmaschinen
- Messwerterfassung
- Positionserfassung / Fehlerquellen
- Integration von Sensorik
1.12 Literatur
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1.9 Antriebe
Hinsichtlich der Energieversorgung lassen sich folgende Antriebe für Werkzeugmaschinen voneinan-
der unterscheiden:
Pneumatische Antriebe
Pneumatische Antriebe neigen aufgrund der hohen Kompressibilität der zugeführten Luft zu instabilem
Verhalten und sind daher nur sehr aufwendig zu Steuern. Aus diesem Grunde finden sie in der Regel
lediglich als Hilfsantriebe Verwendung.
Hydraulische Antriebe
Für hydraulische Antriebe spricht eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Leistungsgewicht. Somit
weisen diese Antriebe ein großes Beschleunigungsvermögen und ein gutes dynamisches Verhalten
auf. Nachteilig ist hier der hohe Wartungsbedarf und die erhöhte Störanfälligkeit.
Elektrische Antriebe
Einen elektrischen Antrieb zeichnen eine hohe Lebensdauer, ein guter Wirkungsgrad und eine geringe
Wärmeentwicklung aus. Außerdem gehört die Bereitstellung von elektrischer Energie zur infrastruktu-
rellen Grundausstattung einer jeden Fertigungsstätte.
1.9.1 Aufgaben
Antriebe von Werkzeugmaschinen erzeugen die für die Bearbeitung notwendigen Wirkbewegungen.
Hierzu wird die bereitgestellte Primärenergie in mechanische Energie umgewandelt, an die Bewegung
angepasst und zur Wirkstelle weitergeleitet. Zur Erfüllung dieser Aufgabe besteht eine Antriebseinheit
grundsätzlich aus den Komponenten Motor, Getriebe und Kupplungen.
Die von einer Werkzeugmaschine auszuführenden Bewegungen lassen sich den folgenden Gruppen
zuordnen:
Hauptbewegungen
Hauptbewegungen bezeichnen die für die Bearbeitung primär notwendigen Relativbewegungen zwi-
schen dem Werkzeug und dem Werkstück. Bei spanabhebenden Werkzeugmaschinen ist dies die
Schnittbewegung.
Nebenbewegungen
Nebenbewegungen bezeichnen die für die Bearbeitung sekundär benötigten Relativbewegungen. Zu
den Nebenbewegungen gehören Vorschub-, Zustell- und Positionierbewegungen.
Hilfsbewegungen
Hilfsbewegungen sind solche Bewegungen, die den Bearbeitungsprozess unterstützen. Werkzeug-
und Werkstückwechsel, Unterbrechung bzw. Freigabe der Kühlschmierstoffzufuhr sowie Klemmungen
und Verriegelungen sind Hilfsbewegungen.
1.9.2 Anforderungen an Antriebe
Wichtige Anforderungen, die hinsichtlich des Betriebsverhaltens an Antriebe zu stellen sind, zeigt Bild
1-45.
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Hauptantriebe
Fräs-, Drehspindel, Pressenstößel
Nebenantriebe
Vorschubachsen
Hilfsantriebe
Kühlmittel, Lüfter, Beschickung
Einstellfeinheit mittel hoch konstant
Steifigkeit hoch hoch niedrig
Gleichlauf mittel hoch niedrig
Beschleunigungsvermögen mittel hoch niedrig
Bild 1-45: Anforderungen an Werkzeugmaschinenantriebe bzgl. des Betriebsverhaltens
Neben dem Betriebsverhalten sind die folgenden Anforderungen von spezieller Bedeutung und müs-
sen je nach Einsatzfall besonders beachtet werden:
Leistungs- / Drehzahl-Kennfeld
Wirkungsgrad
Schwingungsverhalten
Anlauf- und Bremsverhalten
dynamisches Verhalten
Positionier- und Bahngenauigkeit
Eigenschaften der zu realisierenden Bewegungen:
die Bewegung wird durch Werkzeug oder Werkstück ausgeführt
rotierende oder translatorische Bewegung
Bewegung mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit
Bewegung verläuft kontinuierlich oder schrittweise
Hauptantriebe
Hauptantriebe kommen zur Erzeugung der Hauptarbeitsbewegung zum Einsatz. Dies sind die Haupt-
spindelbewegung bei Dreh-, Fräs-, Bohr-, Schleif- oder Sägemaschinen, die Tischbewegungen bei
Hobelmaschinen und die Bewegungen des Stößels bei Pressen und Stoßmaschinen. Entsprechende
Bewegungszustände sind bei spanenden Werkzeugmaschinen:
Anlaufbewegung zum Erreichen der Schnittbewegung
Schnittbewegung
Abbremsen der Schnittbewegung
Verstellung der Schnittbewegung
Umkehr der Schnittbewegung
Als Hauptantriebsmotoren werden heute fast ausschließlich drei Typen von Elektromotoren einge-
setzt:
konventioneller geregelter Gleichstrommotor
permanenterregter bürstenloser Gleichstrommotor
frequenzgeregelter Asynchronmotor mit Käfigläufer
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Nebenantriebe / Vorschubantriebe
Anforderungen an Vorschubantriebe für das stationäre Verhalten:
Großer Vorschubgeschwindigkeitsstellbereich
Ausreichendes Drehmoment bzw. ausreichende Kraft
Niedrige Massen
Ruckfreier Betrieb auch bei niedrigsten Geschwindigkeiten (Stick-slip-Freiheit)
Gleichmäßiges Drehmoment bei kleinen Drehzahlen
Anforderungen an Vorschubantriebe für das dynamische Verhalten:
Hohe Beschleunigungs-/Verzögerungsmomente und –Kräfte
Gutes Führungs- und Störverhalten, um Änderungen der Sollwertgröße möglichst rasch ver-
zerrungs- und verzögerungsfrei folgen zu können
1.9.3 Elektrische Antriebe
Gleichstrommaschine
Gleichstrommotoren als Antriebe für Werkzeugmaschinen
Gleichstrom-Servomotoren sind Weiterentwicklungen der konventionellen Gleichstrommotoren, wobei
durch verschiedene Maßnahmen das Betriebsverhalten in Hinblick auf die speziellen Anforderungen
an einen Vorschubantrieb verbessert wurden. Zu diesen Maßnahmen zählen:
Verringerung des Läuferdurchmessers
Durch die Verringerung des Läuferdurchmessers bei gleichzeitiger Verlängerung des Rotors wird eine
Reduzierung des Anker-Trägheitsmomentes erreicht. Dies wirkt sich günstig auf das Beschleuni-
gungsvermögen des Motors aus.
Reduzierung der Ankermasse
Die Reduzierung der umlaufenden Ankermasse bewirkt ebenfalls eine Verminderung des Trägheits-
momentes und somit eine Erhöhung des Beschleunigungsvermögens.
gezielte Fremdkühlung
Durch die gezielte Fremdkühlung wird die Schädigung der Ankerwicklungen durch Überhitzung bei
Überlast vermindert. Somit steigt die kurzzeitige Überlastfähigkeit der Maschine.
Erhöhung der Ankerwicklungsdichte
Die Erhöhung der Wicklungsdichte auf dem Anker wirkt sich durch die Erhöhung der Rundlaufgüte
insbesondere bei kleinen Drehzahlen aus. Dies erweitert den Steuerbereich der Maschine hin zu klei-
nen und kleinsten Drehzahlen.
Servomotor
Servomotoren sind permanenterregte Synchronmotoren, die vom Aufbau her den Asynchronmotoren
gleichen. Der Rotor hat ausgeprägt magnetische Pole, die von Permanentmagneten erzeugt werden.
Der Synchronmotor kann aufgrund der Trägheit des Rotors und der großen Geschwindigkeit des Net-
zes nicht selbst anlaufen. Daher wird der Servomotor mit Hilfe eines Servoumrichters mit sinusförmi-
gen Strömen versorgt und somit die Geschwindigkeit des Drehfeldes eingestellt.
Besondere Eigenschaften sind:
sehr kleines Massenträgheitsmoment (geringer Läuferdurchmesser, reduzierte Ankermasse)
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hohe Überlastbarkeit
geringe Verluste
nahezu wartungsfrei durch Einsatz verstärkter Lager
hohe Dynamik und Präzision
Bild 1-46: Konventioneller (oben) und bürstenloser Gleichstrommotor (unten) bei gleicher Leistung (42263)
Schnellläufer
Schnellläufermotoren zeichnen sich in der Regel durch kleine Ankerdurchmesser und durch die
Blechung des Jochringes aus. Durch verschiedene Ankerformen wird ein geringes Trägheitsmoment
und somit ein günstiges dynamisches Verhalten erreicht. Diese Bauformen lassen jedoch nur be-
grenzte Beschleunigungs- und Dauerdrehmomente durch die damit verbundene begrenzte Wärmeka-
pazität zu. Hohe Drehmomente lassen sich daher nur durch hohe Drehzahlen in Verbindung mit einem
Untersetzungsgetriebe realisieren.
Stabläufer
Stabläufermaschinen oder Minertia-Motoren haben einen sehr schlanken, nutenlosen Rotor mit ho-
mogener Wicklung und einer hohen Wicklungsdichte. Auf der Läuferwelle ist ein
Siliziumstahlblechkern als Träger für die Ankerwicklungen aufgepresst. Die Wicklung selbst wird mit
Glasfaserbandagen fixiert. Die Stabform des Rotors bedingt ein geringes Trägheitsmoment und somit
ein gutes Beschleunigungsvermögen.
Hohlläufer
Beim Hohlläufer sind die Ankerwicklungen auf einem glockenförmigen Wicklungskorb aufgebracht. Im
Gegensatz zu konventionellen Gleichstrommaschinen ist das Eisen des Ankers nicht Teil der Welle,
sondern feststehend und bildet einen Teil des Gehäuses. damit ergibt sich ein geringes Trägheitsmo-
ment für den Rotor.
Scheibenläufer
Scheibenläufermotoren sind permanenterregte Servomotoren in deren Luftspalt eine aus Isolations-
material bestehende Scheibe - der Rotor - mit aufgeklebten Kupferleitern drehbar gelagert ist. Das von
acht bis zehn Polpaaren gebildete Magnetfeld breitet sich im inneren des Motors aus. Der magneti-
Stator mit
Permanentmagneten
Rotor mit
Wicklung
Gleichstrom-
tachogenerator
Rotor mit Permanent-
magneten
Kollektoren und Kohlebürsten
(Verschleißteile!)
Bürstenloser Tacho-
generator mit Rotor-
positionsgeber
Stator mit
Wicklung
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-42 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
sche Rückfluss erfolgt durch die Eisenteile des Gehäuses. Der Ankerstrom wird über Spezialkohle-
bürsten direkt auf die Leiterzüge übertragen.
Durch das Fehlen des Eisens im Anker wird nicht nur das Trägheitsmoment reduziert, es ergeben sich
außerdem sehr kleine Werte für die Selbstinduktion in den Ankerleitungen. Hierdurch lassen sich gro-
ße Stromanstiegsgeschwindigkeiten realisieren, so dass der Motor in wenigen Millisekunden auf die
gewünschte Drehzahl gebracht werden kann.
Langsamläufer
Servomotoren dieses Typs sind permanenterregte Gleichstrommaschinen mit Nebenschlussverhalten.
Sie zeichnen sich durch hohe Drehmomente auch bei niedrigen Drehzahlen aus. Die dabei entste-
hende Verlustwärme wird von der hohen Wärmespeicherkapazität des großen Läufers aufgenommen.
Es werden Drehzahlen bis zu 3000 min-1
erreicht. Der Motor eignet sich für den Direktantrieb von Vor-
schubspindeln und bietet daher ein günstiges dynamisches Verhalten. Bedingt durch die Permanent-
erregung zudem ist der Wirkungsgrad sehr hoch.
Torque-Motor
Einen Extremfall des Langsamläufers bildet der Torque-Motor, der bei sehr kleinen Drehzahlen ein
enorm hohes Drehmoment aufbringen kann und zudem sehr wenig Bauraum benötigt. Dieser Motor
eignet sich besonders für Sonderanwendungen wie z.B. als Vorschubantrieb für Ultra-
Präzisionsmaschinen oder als Direktantrieb an den Gelenken von Handhabungseinrichtungen.
Bild 1-47: Bauarten von Gleichstromservomotoren (42555)
Schrittmotor
Aufbau und Wirkungsweise
Die Wirkungsweise eines elektrischen Schrittmotors wird in Bild 1-48 anhand eines dreigliedrigen
Motors erläutert. Der Ständer trägt im Inneren die Erregerwicklungen. Die Wicklungen sind so ge-
schaltet, dass Nord- und Südpole alternierend nebeneinander angeordnet sind. Der Rotor besitzt zu
- sehr kleines Massenträgheitsmoment- großer Drehzahlregelbereich- große Positioniergenauigkeit
- robuster Motor- geringes Massenträgheitsmoment- hohe Drehzahlen
Scheibenläufer Stabläufer
Hohlläufer Langsamläufer
- extrem hoher Wirkungsgrad- sehr kleines Massenträgheitsmoment- sehr hohe Drehzahlen
- große Stromüberlastbarkeit- hohe Dauerdrehmomente- für Direktantrieb geeignet
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Universalmotor fürStandardeinsätze
Konventionelle Bauart
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-43 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
jedem Pol einen Läuferzahn, der weder eine Wicklung trägt, noch permanent erregt sein muss. Wäh-
rend die Polschuhe der verschiedenen Teilglieder ohne Versatz, achsial hintereinander angeordnet
sind, weisen die Läuferzähne verschiedener Teilglieder einen von der Polpaarzahl p abhängigen Win-
kelversatz = 360° / 2 p auf.
Bild 1-48: Aufbau eines Schrittmotors (42778)
Zur Erzeugung eines Drehmomentes wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass der Läufer be-
strebt ist, die Stellung einzunehmen, bei der sich ein Minimum des magnetische Widerstandes ergibt.
Das heißt, die magnetischen Feldlinien haben das Bestreben sich zu verkürzen. Werden die Erreger-
wicklungen eines Teilgliedes von einem Strom durchflossen, so werden sich die Läuferzähne entspre-
chend unter den Erregerpolen ausrichten und den Rotor drehen. Wird die Erregerspannung auf den
nächsten Ständerteil weiter geschaltet, so wird der Rotor um einen weiteren Winkelschritt weiter-
gedreht.
Um eine quasi kontinuierliche Bewegung zu erzeugen, müssen die verschiedenen Statorteile nachei-
nander aktiviert werden. Hierzu wird dem Schrittmotor ein Ansteuergerät vorgeschaltet, dass die
Ständerspannung bei jedem Eingangsimpuls zum nächsten Teilglied weiterschaltet. Je nach Reihen-
folge der Aktivierung läuft der Motor vorwärts oder rückwärts.
Bild 1-49: Ansteuerung eines Schrittmotors (42779)
Linearmotor
Einen elektromagnetischen Linearmotor kann man sich vereinfacht als einen aufgeschnittenen Dreh-
strommotor vorstellen, der direkt eine Relativbewegung zwischen dem Primär- und Sekundärteil er-
zeugt. Mit Linearmotoren lassen sich, im Vergleich zu konventionellen Antrieben, nicht nur höhere
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, sondern auch höhere Bahngeschwindigkeiten auf einem
höheren Geschwindigkeitsniveau erzielen. Der Grund für das gute dynamische Verhalten liegt in den
fehlenden mechanischen Nachgiebigkeiten innerhalb einer Regelstrecke. Gerade das macht den Li-
nearmotor besonders für mehrachsige Anwendungen interessant. Nachteilig wirkt sich die je nach
Auslegung und Baugröße eingeschränkte Vorschubkraft aus, weshalb man die zu bewegenden Mas-
sen möglichst gering hält.
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-44 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Auf den Aufbau, die Einsatzgebiete sowie Vor- und Nachteile wird in einem späteren Kapitel näher
eingegangen.
Bild 1-50: Aufbau eines Linearmotors (offene Bauform) (42550)
1.10 Getriebe
Ein Getriebe ist eine Baugruppe, die der Anpassung, zwangsläufigen Umwandlung und Übertragung
von Bewegungen und Momenten bzw. Kräften bei der Energieübertragung dient. Im Werkzeugma-
schinenbau dienen Getriebe hauptsächlich zur Reduzierung der i. a. hohen Drehzahlen der Antriebs-
motoren auf die Arbeitsdrehzahlen und zur Erzeugung definierter Vorschubbewegungen.
Bei Getrieben unterscheidet man zwischen gleichförmig und ungleichförmig übersetzenden getrieben.
Bei gleichförmig übersetzenden Getrieben stehen Eingangs- und Ausgangsbewegung in einem festen
Verhältnis zueinander.
Die gleichförmig übersetzenden Getriebe lassen sich weiter in gestufte und stufenlose Getriebe unter-
teilen. Damit ist gemeint, dass die Getriebe zwischen einer größten und kleinsten Abtriebsdrehzahl
entweder eine endliche Anzahl von Zwischendrehzahlen (Stufen) erzeugen (gestufte Getriebe) oder
dass in diesem Bereich kontinuierlich jede Zwischendrehzahl eingestellt werden kann (stufenlose Ge-
triebe). Stufenlose Getriebe ermöglichen es z. B:, bei spanenden Werkzeugmaschinen für unter-
schiedliche Bearbeitungsbedingungen die jeweils günstigste Schnittgeschwindigkeit genau einzustel-
len. Sie haben gegenüber gestuften Getrieben aber den Nachteil des geringeren Wirkungsgrades und
des (bei gleicher Leistung) größeren Bauvolumens. Stufenlose mechanische Getriebe werden jedoch
mehr und mehr durch drehzahlsteuerbare Hydraulik- und Elektromotoren verdrängt. Das heute übli-
cherweise angewendete Prinzip zur Erzeugung kontinuierlich einstellbarer Abtriebsdrehzahlen ist die
Kombination eines Stufengetriebes von nur wenigen Stufen (2 bis 3) mit einem stufenlos drehzahlein-
stellbaren Elektromotor. Das Stufengetriebe ist deshalb noch erforderlich, da der geforderte Drehzahl-
stellbereich vom Motor allein nicht erfüllt werden kann.
Die ungleichförmig übersetzenden Getriebe erzeugen bei gleichförmiger Eingangsdrehbewegung eine
ungleichförmige Abtriebsbewegung. Im allgemeinen wird dabei die gleichförmige rotatorische An-
triebsbewegung in eine ungleichförmige translatorische Abtriebsbewegung umgewandelt.
Das Verhältnis von Eingangsdrehzahl nan und Ausgangsdrehzahl nab bezeichnet man als Überset-
zung i. Es gilt: i = nan / nab.
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-45 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Bild 1-51: Gleichförmig übersetzende Getriebe (42794)
Bild 1-52: Ungleichförmig übersetzende Getriebe (42795)
Zahnradgetriebe
Stirnrad-
getriebe
Kegelrad-
getriebe
Schnecken-
getriebe
Zahnradgetriebe
Stirnrad-
getriebe
Kegelrad-
getriebe
Schnecken-
getriebe
Zugmittelgetriebe
Riemen-
getriebe
Ketten-
getriebe
Zugmittelgetriebe
Riemen-
getriebe
Ketten-
getriebe
mechanisch
Um-
schlingungs-
getriebe
Kugel-
scheiben-
getriebe
mechanisch
Um-
schlingungs-
getriebe
Kugel-
scheiben-
getriebe
elek-
trisch
Leonard-
satz
elek-
trisch
Leonard-
satz
hydrau-
lisch
Hydropumpe
Hydromotor
hydrau-
lisch
Hydropumpe
Hydromotor
Stufenlose GetriebeStufengetriebe
gleichförmig übersetzte Getriebe
ungleichförmig übersetzte Getriebe
Waagerecht-
Stoßmaschine
Zustell- und
Vorschubbew.
(Drehautomat)
Materialvor-
Schub
(Stanzen)
Wälzstoß-
maschine
Scheren
Pressen
Wälzstoß-
maschine
Scheren
Pressen
Pressen
Hydraulische
Linearantriebe
z.B. Pressen
Hauptantrieb
An Hobel-
maschinen
An
wen
du
ng
s-
Besp
iele
Schwingende
Kurbelschleife SonderformenKurvenscheibeKniehebelSchubkurbel
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-46 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
1.11 Steuerung und Sensorik bei Werkzeugmaschinen
1.11.1 Steuerung von Werkzeugmaschinen
Bild 1-53: Aufbau einer CNC-Maschine (72094)
Bild 1-54: Struktur einer CNC-Steuerung (Ak_0084)
Bild 1-55: Steuerungsarten von CNC-Maschinen (72748)
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-47 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Bild 1-56: Interpolationsarten (72729)
Aufgaben eines Prozessrechners in der Fertigungstechnik:
Messwerterfassung: Sensorik
Messwertverarbeitung: Verdichtung von Daten, Interpolation, Regression
Überwachung: Grenzwertkontrolle, Ablaufkontrolle, Materialverfolgung
Protokollierung: Speicherung der Daten, Tabellen, Diagramme
Steuerung und Regelung: Digitale Regelung nach Regelalgorithmus, Sollwert-Vorgabe
Führungsaufgaben: Anwendung globaler Regelungsmodelle, Optimierungsstrategien
Bild 1-57: Prozessperipherie (Ak_0077)
Prozessrechner
Sensorik
(Einteilung nach Wirkprinzip)
Aktorik
Elektrisch
Schalter
Taster
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Dehnungsmessstreifen
Mechanisch
Schalter
Taster
Optisch
Punktsensor (Lichtschranke)
Zeilenkamera
Flächenkamera
Thermoelement, -kamera
Akustisch
Mikrofon
Pneumatisch
Magnetisch
Relais
Ein / Aus
Motor
Position
Geschwindigkeit
Ventil
Druck
Kraft
Prozess
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-48 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Bild 1-58: Gegenüberstellung von Steuerkette und Regelkreis nach Weck (42352)
1.11.2 Sensorik an Werkzeugmaschinen
Messwerterfassung
Beim direkten Messverfahren wird die Schlittenposition unmittelbar vom Messsystem mit einem Maß-
stab erfasst. Das indirekte Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schlittenposition über
eine mechanische Umwandlung ermittelt wird. Der Vorteil direkter Messverfahren ist, dass die nach-
folgende Mechanik keinen Einfluss auf die Messwerterfassung hat. Nachteilig ist der Aufwand zur
Abschirmung gegen Schmutz und Temperatureinflüsse (Bild 1-59).
Bild 1-59: Direkte und indirekte Wegmesssysteme (62053) [Tönshoff]
Motor
Motor
Schlitten
Schlitten
Vorschubspindel
Vorschubspindel
Direkte Lageerfassung
Indirekte Lageerfassung
Winkel-
aufnehmer
AufnehmerMaßstab
(fest)
M
M
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-49 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Bild 1-60: Analoge und digitale Wegaufnehmer (62054) [Tönshoff]
Analoge Messwerterfassungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in jedem Fall absolut messen
(jedem Wert einer Messgröße ist ein bestimmter Messwert zugeordnet). Im Werkzeugmaschinenbau
spielt dieses Messverfahren keine Rolle mehr, da es von der digitalen Messerfassung abgelöst wurde
(Bild 1-60). Die Messgröße wird dabei durch elementares Abzählen vorgegebener Inkremente aus-
gewertet. Das digitale Messverfahren kann absolut oder relativ (inkremental) erfolgen (Bild 1-61).
Bild 1-61: Inkrementale und absolute Wegmessung (62067)
Analog
(z.B. Potentiometer)
Digital
(z.B. Strichmaßstab)
Weg x Fotozelle Strichmaßstab
Spannung
Weg xWeg x
Weg x
Foto-
spannung
Weg x
Spannung
Foto
-
Spannung
Zähle
r-
sta
nd
SchlittenImpuls-
zähler
0 5 10 15 20 25
20
21
22
23
24
0 1 0 1 1
Maßstab
mit Klartext
maschinell lesbar
codierter Maßstab
Abtasteinheit
Decodierer
TT
0 4 2 1 7
Abtasteinheit
Zähler
inkrementaler
Maßstab
Weginkrement
inkremental absolut
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Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-50 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
Vorteile der absoluten Messwerterfassung gegenüber der inkrementalen Erfassung:
Jeder Messwert ist auf einen festgelegten Nullpunkt bezogen und direkt ablesbar; kummulative Mess-
fehler bzw. Kettenmessfehler treten nicht auf.
Der richtige Messwert bleibt auch nach einer Störung (z. B. Spannungsaufall) ohne besonderen Hilfs-
maßnahmen erhalten.
Nachteilig ist, dass wenn eine hohe Messgenauigkeit über größere Messbereiche verlangt wird, der
Aufwand durch die große Anzahl erforderlicher Codespuren sehr hoch ist.
Positionserfassung / Fehlerquellen
Kinematische Fehler (bei Drehgebern)
Kinematische Fehler der Positionserfassung über Spindel und Drehgeber entstehen im wesentli-
chen durch Steigungsfehler der Kugelgewindespindel. Sie wirken sich direkt auf das Messergeb-
nis aus, weil die Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs als Maßverkörperung für die Längen-
messung genutzt wird.
Umkehrfehler
Umkehrfehler treten beim Positionieren aus unterschiedlichen Richtungen auf. Ihre Ursachen sind
Lose und Elastizitäten in Verbindung mit Reibungskräften. Aber auch der sogenannte Steigungs-
verlust infolge einer Verlagerung der Kugeln beim Anfahren von Kugelgewindetrieben mit Vor-
spannung kann zu Umkehrfehlern führen.
Verformung der Vorschubmechanik durch Kräfte
Kräfte, die zur Verformung der Vorschubmechanik führen, sind im wesentlichen Massenkräfte
beim Beschleunigen des Schlittens, Prozesskräfte der Zerspanung und Reibungskräfte in den
Führungen. Sie bewirken eine Verschiebung der tatsächlichen Achsschlitten-Position gegenüber
der mit Spindel und Drehgeber erfassten Position.
- Beschleunigungskräfte
In Verbindung mit der Schlittenmasse und der Beschleunigung ergeben sich Verformungen,
die vom Spindel/Drehgeber-System nicht erkannt werden können. Da der allgemeine Trend
der möglichen Beschleunigungen in deutlich höhere Bereiche geht, werden hier zunehmend
große Verformungen auftreten.
- Prozesskräfte
Die Schnittkräfte wirken nicht nur auf das Vorschubsystem, sondern auf die gesamte Struktur
der Maschine zwischen Werkstück und Werkzeug. Die Verformung des Vorschubsystems hat
somit an der Gesamtverformung der Maschine in der Regel nur einen geringen Anteil. Mit ei-
nem Längenmesssystem kann dementsprechend maximal dieser geringe Anteil erkannt und
ausgeregelt werden.
- Reibungskräfte
Die Reibungskräfte in den Führungen liegen je nach Art der Lagerung zwischen 1 bis 2 % der
Normalkraft für Rollenführungen und 3 bis 12 % der Normalkraft für Gleitführungen.
In der Kugelgewindemutter wird in der Regel der größte Teil der Reibung eines Vorschubsys-
tems erzeugt. Die Ursache hierfür liegt in der komplexen Kinematik einer Kugelgewindemutter.
Entgegen der auf den ersten Blick rollenden Bewegung der Kugeln tritt in Kugelgewindetrie-
ben ein erheblicher Anteil an Gleitreibung auf. Neben dem Mikroschlupf infolge von Relativ-
bewegungen in den eingedrückten Kontaktbereichen tritt vor allem Makroschlupf infolge kine-
matischer Zwangsbedingungen auf. Die Kugeln sind in den Gewindegängen nicht vollständig
geführt und taumeln deshalb wie „Tennisbälle in der Regenrinne“. Ein ständiges Drängeln und
Schieben mit zeitweisem Rutschen der Kugeln ist die Folge. Die Reibung zwischen den Ku-
geln ist durch die hohe Flächenpressung infolge des fehlenden Trennkäfigs beträchtlich. Wie
in jedem Schrägkugellager tritt Bohrreibung wegen des nicht orthogonal zur Drehachse der
Kugeln stehenden Berührungsdurchmessers auf. Jede Kugel dreht sich deshalb um den Be-
rührungsdurchmesser. Neuere Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass die Bewegung
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der Kugeln im Gewinde nur durch einen von der Gewindesteigung verursachten zusätzlichen
Gleitanteil möglich ist.
Das Rückführsystem ist eine besondere Problemzone von Kugelgewindetrieben. Bei jedem
Eintritt in das Rückführsystem wird ebenso wie beim Austritt die Bewegung der Kugel voll-
ständig verändert. Unter anderem muss die Rotationsenergie der Kugel jeweils auf- und ab-
gebaut werden. Im Gegensatz zum vorgespannten Gewindebereich stehen die Kugeln in der
Rückführung nicht unter Vorspannung. Aus energetischen Gründen ist das Rückführsystem
deshalb ein bevorzugter Aufenthaltsort für die Kugeln. Ohne Maßnahmen zum Wiedereinfüh-
ren der Kugeln in das Gewinde am Ende des Rückführsystems entsteht ein Stau im
Rückführsystem, der zum Klemmen des Kugelgewindetriebs führen kann.
Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Spindel
Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Kugelgewindespindel stellen das größte Problem
der Positionserfassung über Spindel und Drehgeber dar. Ihre Ursache liegt in der Doppelfunktion
des Kugelgewindetriebs, der einerseits die Drehbewegung des Servomotors möglichst steif in eine
lineare Vorschubbewegung umsetzen soll, andererseits aber auch als präzise Maßverkörperung
dienen muss. Diese Doppelfunktion stellt einen problematischen Kompromiss dar, weil sowohl die
Steifigkeit als auch die Erwärmung von der Vorspannung der Kugelgewindemutter und der Festla-
ger abhängen. In erster Näherung ist die axiale Steifigkeit der Kugelgewindemutter ebenso wie ihr
Reibmoment der Vorspannung proportional.
Mögliche Gegenmaßnahmen:
Fehlerkompensation
Die Kompensation von Steigungsfehlern und Umkehrspannen ist mit den meisten Steuerungen mög-
lich. Zur Bestimmung der Kompensationswerte sind jedoch aufwendige Messungen mit externen
Messgeräten wie Interferometern und Kreuzgitter-Messgeräten nötig. Zudem sind die Umkehrspannen
oft nicht über längere Zeiträume stabil und müssen deshalb entsprechend nachkalibriert werden. Die
Ursachen dieser Instabilität sind unter anderem Einlaufvorgänge der Kugelgewindetriebe und Verän-
derungen der Reibkräfte in den Führungen. Zahnriementriebe können ebenfalls im Laufe der Zeit
deutliche Positionierfehler verursachen.
Maßnahmen gegen Positionierfehler infolge von Erwärmung
Als Maßnahmen gegen die Positionierfehler infolge der Erwärmung der Kugelgewindespindel werden
verschiedene Verfahren angewendet bzw. diskutiert.
Von verschiedenen Herstellern werden hohlgebohrte Kugelgewindespindeln angeboten, die mit einem
Kühlmedium durchströmt werden können. Der Kreislauf des Kühlmediums erfordert bei der üblicher-
weise rotierenden Spindel Drehdurchführungen in der Nähe der Spindellager. Abgesehen von den
Dichtungsproblemen setzt dieses Verfahren ein in der Regel nicht vorhandenes, genau temperiertes
Kühlmedium voraus. Zudem wird die mechanische Steifigkeit der Kugelgewindespindel insbesondere
in Zug/Druck-Richtung reduziert. Der Aufwand dieser Methode dürfte deutlich höher sein, als der für
den Einsatz von Längenmesssystemen erforderliche.
Die Kompensation thermischer Verformungen mit Hilfe von analytischen Modellen, neuronalen Netzen
und empirischen Gleichungen wird derzeit vielfach untersucht. Das Interesse gilt hierbei jedoch meist
den vom Hauptspindelantrieb verursachten Wärmedehnungen.
Zur Kompensation der Dehnung der Kugelgewindespindeln muss deren Temperatur in Abhängigkeit
von der Position bekannt sein, weil je nach Verfahrprogramm lokale Erwärmungen auftreten. Die di-
rekte Temperaturmessung der rotierenden Kugelgewindespindel ist jedoch sehr aufwendig. Rück-
schlüsse von der Temperatur der Spindelmutter bzw. der Lagertemperatur auf die Dehnung der Spin-
del sind nur begrenzt möglich, weil sich unter anderem die Eingangsparameter solcher Rechenmodel-
le im Laufe der Zeit ändern. Der Einsatz einer beidseitig festen Lagerung der Kugelgewindespindel
erhöht zwar die axiale Steifigkeit der Vorschubmechanik beträchtlich, kann jedoch das thermische
Wachsen der Kugelgewindespindel kaum verhindern. Bei einem Durchmesser der Kugelgewindespin-
del von 40 mm müssten zur Unterdrückung der thermischen Dehnung ca. 2,6 kN/K von den Lagern
aufgenommen werden. Für eine übliche Erwärmung um mehr als 10 K bedeutet dies Lagerkräfte von
mehr als 26 kN, die ohne Verformung aufgenommen werden müssten.
Institut für Umformtechnik und Leichtbau Prof. Dr.-Ing. E. Tekkaya Institut für Spanende Fertigung Prof. Dr.-Ing. D. Biermann
Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-52 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3
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