1.2 Beispiele mechatronischer Komponenten in Werkzeugmaschinen... 3

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1 Formelzeichen und Abkürzungen XVII 1 Einleitung Begriffsbestimmung mechatronische Systeme" Beispiele mechatronischer Komponenten in Werkzeugmaschinen Weiterentwicklungen 5 2 Aufbau einer Vorschubachse Motoren in Vorschubachsen Anforderungen an die Antriebseinheiten Elektrische Antriebseinheiten Gleichstrommotoren Synchronmotoren Asynchronmotoren Vergleich Gleichstrom-ZDrehstromservoantriebe Schrittmotoren Linearmotoren Positionsmesssysteme für NC-Maschinen Grundlagen der Weg- und Winkelmessung Grundbegriffe Messprinzipien und Messverfahren Direkte und indirekte Messwerterfassung Analoge und digitale Messwerterfassung Relative und absolute Messwerterfassung Messsysteme Photoelektrische Messverfahren 47

2 Digital-inkrementale Messsysteme Digital absolute Messsysteme Inkremental-absolute Messsysteme Interferenzielle Wegmesssysteme Interferometrische Wegmesssysteme Michelson-Interferometer Zweifrequenzenlaser-Interferometer Elektromagnetische Aufnehmer Inductosyn Resolver Magnetische Aufnehmer Interpolationsverfahren und Richtungserkennung Interpolation mit Hilfsphasen Digitale Interpolation Amplitudenauswertung Richtungserkennung Messgeräte - Auswahl und Einbau Auswahl des Messgeräts Anbauort in der Anlage und Maschine Montagehinweise Elektrischer Anschluss Mechanische Übertragungselemente Komponenten zur Wandlung von Rotationsbewegung in Translationsbewegung Gewindespindel-Mutter-Antrieb Ritzel-Zahnstange-Antrieb Schnecke-Zahnstange-Antrieb Zahnriemen-Antriebe Vorschubgetriebe Zahnradgetriebe Zahnriemengetriebe Sondervorschubgetriebe Kupplungen Ausgleichskupplungen Sicherheitskupplungen zum Überlastschutz Umrichter für WZM-Vorschubachsen Aufbau von Umrichtersystemen Regelungstechnik in Umrichtern Analoge Regelung Digitale Regelung : 130

3 XI Zusätzliche Funktionen digitaler Antriebsregler Schnittstellen zur Steuerung Analoge Schnittstelle Digitale Schnittstelle Hydraulische Antriebseinheiten Kolben-Zylinder-Antriebe Hydraulikmotoren Servo-, Proportionalregel- und Piezoventile System Hydraulikmotor - Servoventil Elektrohydraulischer Antrieb als Stellglied im Lageregelkreis Vergleich von Elektro-, Schritt- und Hydraulikmotoren Dynamisches Verhalten von Vorschubachsen Regelungstechnische Grundlagen Lineare zeitkontinuierliche Übertragungssysteme Zeitverhalten von Regelkreisgliedern Grundsysteme von Regelkreisgliedern und ihre Darstellung Aufbau eines Regelkreises Wirkungsplan (Blockschaltbild) Stabilität von Regelkreisen Einstellregeln für analog arbeitende Regler Lineare zeitdiskrete Übertragungssysteme Darstellung zeitdiskreter Systeme z-transformation Lineare Differenzengleichungen Einstellregeln für zeitdiskret arbeitende Regler z-übertragungsfunktion Feedforward-Controller zur Schleppfehlerkorrektur Zustandsregelung Darstellung im Zustandsraum Entwurf des Zustandsreglers Zustandsbeobachter Regelung von Vorschubantrieben Vorschubantrieb als Regelkreis Berechnung von zeitkontinuierlichen Lageregelkreisen Übertragungsverhalten des linearen Lageregelkreises 217

4 XII Inhaltsverzeichnis Simulation von Vorschubantrieben Übertragungsverhalten der Mechanik Physikalische Grenzen des mechanischen und elektrischen Systems Übertragungsverhalten elektromechanischer Antriebssysteme Kinematisches Übertragungsverhalten Statisches Übertragungsverhalten Dynamisches Übertragungsverhalten Übertragungsverhalten linearer Direktantriebe Einflüsse des Messsystems auf die Vorschubregelung Verhalten von elektromechanischen Achsen bei Regelung über indirektes und direktes Messsystem Einfluss des Messsystems bei linearen Direktantrieben Kleinste verfahrbare Schrittweite Statische und dynamische Steifigkeit von Vorschubachsen Statische Steifigkeit Statische Steifigkeit elektromechanischer Antriebe (Gewindespindelantrieb) Statische Steifigkeit beim elektrischen Lineardirektantrieb Dynamische Steifigkeit Dynamische Steifigkeit elektromechanischer Vorschubachsen Elektrischer Lineardirektantrieb Vorschubantriebe zur Bahnerzeugung Aufbau von Bahnsteuerungen Bahnfehler an Werkzeugmaschinen Bahnfehler im Interpolator Typische Bahnfehler der Lageregelung Auswirkungen der mechanischen Übertragungselemente Bestimmung der dynamischen Bahnabweichungen Eckenverrundung Kreisform und Durchmesserabweichung Einfluss des K v -Faktors auf die Bahnabweichungen 262

5 XIII 4.3 Maßnahmen zur Verringerung der Bahnabweichungen Auslegung von Vorschubantrieben Auswahl des Motors und der mechanischen Komponenten Bestimmung der Anforderungen und Wahl des Antriebsprinzips Wahl und Auslegung der mechanischen Komponenten Auswahl und Auslegung des Antriebsmotors Statische Auslegung Dynamische Auslegung Optimales Übersetzungsverhältnis Auslegung des Messsystems Inbetriebnahme der Regelung Manuelle Inbetriebnahme Einstellung des Drehzahlreglers Einstellung des Lagereglers Automatische Inbetriebnahme Prozessüberwachung, Prozessregelung, Diagnose und Instandhaltungsmaßnahmen Einführung Hintergrund, Begriffe, Ziele Wirtschaftliche Bedeutung von Prozessüberwachung, Prozessregelung, Diagnose und Instandhaltungsmaßnahmen Einflussgrößen auf die Funktion der Fertigungsmittel und die Qualität der Produkte Strategien und Struktur von Überwachungssystemen Strategien für Überwachungssysteme Die Struktur von Überwachungssystemen Zusammenhang und Abgrenzung zwischen Prozessüberwachung und Maschinendiagnose Prinzipien der Prozessregelung Sensoren Dehnungsmessung Piezoelektrische Kraftmesselemente 307

6 XIV Inhaltsverzeichnis Körperschall- und Beschleunigungssensoren Strom- und Leistungsmessung Steuerungsinterne Informationen Temperatursensoren Mechanische und optische Sensoren Signalverarbeitung und Mustererkennung Analoge Signalaufbereitung Digitale Vorverarbeitung Merkmalsextraktion Klassifikation Feste Grenzen Mitlaufende Schwellen Mehrdimensionale Klassifikation Technologische Prozessüberwachung und Prozessregelung bei verschiedenen Fertigungsverfahren Drehbearbeitung Sensorsysteme zur Drehmoment- und Zerspankraftmessung Kraft-, Drehmoment- und Leistungsregelung bei der Drehbearbeitung Automatische Schnittaufteilung für das Drehen Prozessüberwachung Fräsbearbeitung Sensorsysteme und Verfahren zur Prozessüberwachung beim Fräsen Prozessüberwachung für die Fräsbearbeitung Prozessregelung für die Fräsbearbeitung Prozessregelung beim Gussputzen Automatische Ratterbeseitigung Bohren Prozessüberwachung beim Bohren und Tiefbohren Prozessregelung für das Tiefbohren Schleifen Prozessregelung Abrichtüberwachung Funkenerosive Bearbeitung Kollisionsüberwachung Statistische Prozessregelung 408

7 XV 6.6 Instandhaltung und Maschinenzustandsüberwachung Verfahren der Instandhaltung und Wartung Maschinenzustandsüberwachung Diagnosemöglichkeiten Teleservice 431 Literaturverzeichnis 438 Sachverzeichnis 449