Das Vorschubsystem. WS 2008/09 Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL Vorlesung. Das Vorschubsystem. Folie 1

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1 7. Vorlesung Das Vorschubsystem Folie 1

2 Inhalt der Vorlesung Einleitung Grundlagen Gewindetriebe Linearantriebe Dimensionierung aktuelles Forschungsthema Das Vorschubsystem Folie 2 Einleitung Grundlagen Gewindetrieb Linearantrieb Dimensionierung Trends

3 Vorschubbewegung beim Drehen Werkzeug Wirkbewegung Schnittbewegung V e V C Werkstück Werkstück Vorschubbewegung beim Fräsen Definition der Vorschubbewegung V f Vorschubbewegung v e = Wirkgeschwindigkeit [m/min] v c = Schnittgeschwindigkeit [m/min] v f = Vorschubgeschwindigkeit [m/min] Drehwerkzeug Die Vorschubbewegung ist die Bewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück (Wirkpaar), die zusammen mit der Schnittbewegung eine mehrmalige oder stetige Spanabnahme während mehrerer Umdrehungen oder Hübe ermöglicht. Sie kann daher stetig oder schrittweise vor sich gehen. Quelle: DIN 6580 Folie 3 Einleitung Grundlagen Gewindetrieb Linearantrieb Dimensionierung Trends

4 Anforderungen an Vorschubantriebe Jahr Verfahrgeschwindigkeit [m/min] 2, Vorschubantriebe müssen genügend große Momente aufbringen, um Schnittkräfte, Reibung und Trägheit zu überwinden hohe Drehzahlsteifigkeit (Drehzahl soll unabhängig vom Belastungsmoment sein) geringe Geräuschentwicklung Spielfreiheit und Reibungsarmut Ruckfreiheit bei kleinen Geschwindigkeiten hohe statische und dynamische Steifigkeit unempfindlich gegenüber jegliche Störgrößen und Verlagerungen Folie 4 Einleitung Grundlagen Gewindetrieb Linearantrieb Dimensionierung Trends

5 Aufbau von Vorschubantrieben Ein Vorschubantrieb besteht aus: Motor, Getriebe, Messsystem sowie Übertragungselemente (Führung, Riemen, Kugelgewindespindel, etc.). Fräsmaschine Energie Schlitten + - Motor Getriebe Wegmesssystem Lagesollwert Spindel- Mutter Lageregler Leistungsverstärker Lageistwert Regelung und Elemente eines Vorschubsystems Quelle: Conrad, K.-J.: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen Folie 5

6 Motoren für Vorschubsysteme Motoren für Vorschubsysteme Elektrische Motoren lineare elektrische Motoren rotatorische elektrische Motoren synchroner Linearmotor asynchroner Linearmotor Gleichstrommotor Synchronmotor Asynchronmotor Schrittmotor VL 6 Folie 6

7 Schrittmotor Ein Schrittmotor ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) durch ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld der Statorspulen (nicht drehbarer Motorteil) um einen minimalen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann. Explosionsmodell eines Fünf-Phasen-Schrittmotors mit Encoder Bild: Firma Berger Lahr Schema eines Schrittmotors in 4 Schritten eine Umdrehung Folie 7

8 Merkmale eines Schrittmotors charakteristische Verhalten der Schrittmotoren ist das Drehen der Motorwelle in diskreten Schritten Ständerwicklungen das einen rechtförmigen Stromverlauf im zyklischen Wechsel speist und ein umlaufendes Magnetfeld ausbildet Rotor folgt diesem Feld in seine neue Lage und führt somit einen direkten Winkelschritt aus schnelles und schrittgenaues Positionieren ohne Rückmeldung der Rotorlage, d. h. es ist prinzipiell kein Regelkreis mit aufwändigem Messsystem erforderlich. Bild: Firma Berger Lahr Folie 8

9 Einteilung von Linearmotoren Wirkungsweise Synchron Asynchron Bürstenkommutiert Reluktanz konventioneller rotatorischer Motor Einteilung von Linearmotoren nach Fahrweg Abwicklung von Ständer und Läufer Kurzstator (Primärteil kürzer als Sekundärteil) Langstator (Sekundärteil kürzer als Primärteil) Linearmotor Bauformen Solenoid Einzelkamm Doppelkamm Quelle : Krauss-Maffei Folie 9

10 Prinzipieller Aufbau eines Linearmotors Sekundärteil mit Kurschlusskäfig Solenoidmotor (zylindrisch) Primärteil mit Drehstromwicklung Primärteil mit Drehstromwicklung Einzelkammlinearmotor Maschinenschlitten Führungssystem lineares Wegmesssystem lineare Wälzlagerung Sekundärteil mit Kurschlusskäfig lineares Wegmesssystem Quelle : Krauss-Maffei Folie 10

11 Aufbau einer Vorschubachse mit einem Linearmotor Rollenumlaufeinheit Primärteil Vorschubachse mit Linearmotor aufgeklebtes Maßband Lesekopf des Messsystems Maschinenbett Sekundärteil Folie 11

12 Vorteile des Linearmotors Das Vorschubsystem Positioniergenauigkeit bis 0,1 μm Hohe Dynamik gute Dämpfung kurze Einschwingzeit Baugröße beliebig lange Verfahrwege realisierbar Schnelligkeit hohe Geschwindigkeit (300m/min) hohe Beschleunigung ( bis 10 g) Linearmotor vereint Hoher Gleichlauf einfache Regelbarkeit Verschleißfrei berührungsloser Antrieb Flexibilität mehrere unabhängige Läufer auf 1 Achse Spielfrei kein Übersteuern Montagefreundlich geringe Bauteilanzahl Quelle : Krauss-Maffei Folie 12

13 Vor- und Nachteile eines Linearmotors Vorteile hohes Beschleunigungsvermögen (bis 10 g) hohe Verfahrgeschwindigkeit (bis 300 m/min) beliebig große Verfahrwege hohe Positioniergenauigkeit (bis 0,1 µm) hohe Vorschubkräfte (bis 20 kn) Nachteile geringer Wirkungsgrad bzw. hohe Verlustleistung führt zu erheblicher Wärmeentwicklung mitten in der Maschinenstruktur Kraftübersetzung nicht möglich, die erzeugbare Kraft hängt nur vom verwendeten Motor ab hohe magnetische Anziehungskräfte müssen von Schlitten und Führung aufgenommen werden keine mechanischen Übertragungselemente notwendig kein Verschleiß der Motorelemente (berührungslose Kraftübertragung) Folie 13

14 Einsatzmöglichkeit in Vorschubantrieben mit zylindrischen Linearantrieben Zylindrischer Lineardirektantrieb Kardanantriebe TCP Tool Center Point Endeffektor Steward-Plattform 6 Lineardirektantriebe: je 230 W TCP-Geschwindigkeit: ca. 100 m/min Masse der bewegten Elemente: <20 kg Beschleunigung: 20 m/s 2 Quelle: parallelkinematischer Prototyp der Universität Hannover, IFW Folie 14

15 Getriebearten für Vorschubantriebe I Antrieb 2-Gang-Schaltgetriebe Abtrieb Antrieb Abtrieb Schneckengetriebe Planetengetriebe Planetengetriebe Schneckengetriebe Stirnradgetriebe Folie 15

16 Getriebearten für Vorschubantriebe II Antrieb Kurven- Scheibengetriebe Kurvenscheiben Schrittgetriebe Abtrieb Antrieb Elastisch verformt Abtrieb Harmonic Drive- Getriebe Harmonic Drive Einheit Folie 16

17 Definition Wegmesssysteme für Vorschubantriebe Die Wegmesssysteme bei Werkzeugmaschinen dienen dazu, eine als analoge geometrische Größe vorgegebene Strecke zu erfassen und sie als digitalen Positionswert zur Verfügung zu stellen. Sie sind wesentliche Bestandteile des Lageregelkreises und bestimmen über ihre Genauigkeit mit die Fertigungsqualität einer Maschine. Werkzeugschlitten Motor Drehaufnehmer Antriebs- und Messspindel Optische Absolute Winkelcodierer, Firma INDUcoder Folie 17

18 Wegmesssysteme für Vorschubantriebe Messverfahren Messwerterfassung analog digital Wahl des Bezugssystems absolut relativ auch: zyklisch absolut absolut auch: codiert relativ auch: inkremental Messmethode direkt/ translat. indirekt/ rotator. direkt/ translat. indirekt/ rotator. direkt/ translat. indirekt/ rotator. direkt/ translat. indirekt/ rotator. Messsystem Schiebepotentiometer Drehpotentiometer Inductosyn Drehmelder, auch: Resolver Codemaßstab Winkelcodierer Strichmaßstab, Interferometer Winkelschrittgeber Drehpotentiometer Winkelschrittgeber Folie 18

19 Übertragungselemente für Vorschubantriebe Zu den mechanischen Komponenten sind alle Bauteile eines Vorschubantriebes zu rechnen, die im Kraftfluss zwischen Motor und Werkzeug bzw. Werkstück liegen. Neben den Komponenten zur Wandlung von Rotationsbewegung in Translationsbewegung wie Kugelgewindetriebe sind dies Vorschubgetriebe, Kraftübertragungskomponenten und Kupplungen. Riemen angetriebene Mutter Antrieb Kugelgewindespindel Kugelgewindetrieb mit angetriebener Mutter, Quelle: Firma Bosch Rexroth GmbH Folie 19

20 Spindel-Mutter-Systeme für den Werkzeugmaschinentisch Kugelrollspindel mit angetriebener Spindel Messsystem Kugelrollspindel mit angetriebener Mutter Führung Spindel Motor Führung Riemenantrieb Mutter Riemenantrieb Mutter Spindel Motor Messsystem Kugelgewindetriebe mit angetriebener Spindel, Quelle: Bosch Rexroth GmbH Kugelgewindetriebe mit angetriebener Mutter, Quelle: Bosch Rexroth GmbH Folie 20

21 Kugelgewindetrieb Definition Das Vorschubsystem Der Kugelgewindetrieb ist die Gesamtheit eines Wälzschraubantriebes mit Kugel als Wälzkörper. Er dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt. Kugelgewindemutter Kugelgewindetrieb Bild: THK GmbH Kugelgewindespindel Kugel Erzeugung der Vorspannung durch Distanzscheiben Spindel unter Zugspannung ( O-Anordnung) Spindel unter Druckspannung (X-Anordnung) Vorschubachse mit Kugelgewindetrieb Quelle: DIN Teil 1 Folie 21

22 Ausführungsformen von Kugelgewindemuttern Kugeln Spindel Umlenkstücksystem Mutter Umlenkrohr Spindel Mutter Umlenkrohrsystem Quelle : Katalog, NSK Precision Europe GmbH Folie 22

23 Kugelgewindetriebe in einer Drehmaschine Kugelgewindetriebe Werkzeugschlitten Reitstock Kugelgewindetriebe Spindelstock Bild: Bosch Rexroth AG Folie 23

24 Präzisions-Trapezgewindetrieb Trapezgewindetriebe eignen sich als preisgünstige Lösung für konstruktive Aufgaben im Bereich: des Spannens, Positionierens und der Vorschubbewegungen. Trapezgewindespindel Trapezgewindetriebe Klassische Bauform Hydrostatische Bauform Bauformen des Trapezgewindetriebes Trapezgewindemutter Folie 24

25 Trapezgewindespindel mit hydrostatischer Spindelmutter Technische Besonderheiten: hochgenaue Übertragung der Rotation in lineare Bewegung z. B. für Vorschubantriebe zwischen Hydrostatiktaschen schwebend gelagerte Mutter ohne Kugeln integrierte Mengenregelung nur durch den Taschendruck, keinerlei elektronische Zusatzregelung erforderlich, nur ein Hydraulikanschluss Spindelenden werden nach Kundenwunsch ausgeführt Drucköl Vorwiderstände Rücköl Öltaschen Prinzip einer hydrostatischen Spindelmutter Hydrostatische Gewindetrieb Quelle: Firma HYPROSTATIK Schönfeld GmbH Folie 25

26 Vergleich Kugelgewindetrieb und Trapezgewindetrieb Kugelgewindetrieb (KGT) Vorteile höhere Verfahrgeschwindigkeit höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit infolge Spielfreiheit und ausreichender Federsteifigkeit geringe Erwärmung geringer Verschleiß und dadurch bedingt eine hohe Lebensdauer kein Stick-Slip-Effekt Nachteile geringe Systemdämpfung teurer als Trapezgewindetriebe Klassische Trapezgewindetrieb (TGT) Vorteile höhere Dämpfung keine Vibration durch Kugelumlenkungen geringe Geräuschentwicklung geringes Gewicht: weniger Massen müssen bewegt werden selbsthemmend erhebliche Kosteneinsparung Nachteile geringer Wirkungsgrad als Kugelgewindetriebe (mech. Wirkungsgrad: KGT 98%, TGT 48%) geringe Positioniergenauigkeit Quelle : Abschlussbericht Verbundprojekt DYNAMIL, Herhausgeber Hüller Hiller GmbH Folie 26

27 Vergleich Kugelgewindetrieb und Linearmotor Kugelgewindetrieb Vorteile robuste und einfache Bauweise einfache Steuerung geringere Kosten Änderung der Kraftübersetzung Linearmotor Vorteile schnelle Reaktionszeit hohe Geschwindigkeiten präzise Positionierung Linearmotor arbeitet verschleißfrei Nachteile relativ hohe Massenträgheitsmomente eingeschränkte Drehzahlen begrenzte axiale Last Nachteile komplexer Aufbau hohe Kosten Bauraum und Eigengewicht im Vergleich groß gute Abdeckung gegen ferromagnetische Späne notwendig Folie 27

28 Geräuschverhalten von Linearmotor, Kugel- und Trapezgewindetriebe 90 Geräuschpegel [db(a)] (Messabstand 1m) Trapezgewindebetrieb Kugelgewindetrieb Linearmotor Verfahrgeschwindigkeit [m/min] bzw. [U/min] Quelle : Abschlussbericht Verbundprojekt DYNAMIL, Herhausgeber Hüller Hiller GmbH Folie 28

29 Beschleunigung [m/s 2 ] Das Vorschubsystem Vergleich des Beschleunigungsvermögens von Linearmotor und Kugelgewindetrieb 100 m/s Linearmotor Kugelgewindebetrieb F schub1 = 8000 N h 1 = 40 mm h 2 = 20 mm F schub2 = 8000 N kg 500 Linear bewegte Masse m ges [kg] Linearmotor Berechnung der Beschleunigung durch die Schubkraft a=f schub / m ges mit m ges = m Tisch + m Motor + m Werkstück Kugelgewindetrieb Überschlägig Berechnung der Beschleunigung bei zwei unterschiedlichen Spindelsteigerungen unter folgenden Rand-bedingungen d Spindel = 40 mm L spindel = 1000 mm M Nenn = 28 Nm J Motor = kgm 2 M Motor, max = 3 x M Nenn m ges = m Tisch + m Werkstück Steigung h1 und h2 Reibungsverluste unberücksichtigt Quelle : Abschlussbericht Verbundprojekt DYNAMIL, Herhausgeber Hüller Hiller GmbH Folie 29

30 Kenngrößen der Dimensionierung von Vorschubantrieben Dimensionierung Statische Kenngrößen Eilgangsgeschwindigkeit Positioniergenauigkeit Drehzahlstellbereich Dauerdrehmoment Dynamische Kenngrößen Einschwingverhalten Geschwindigkeitsverstärkung Nennbeschleunigung Maximalbeschleunigung Störverhalten Verfahrgeschwindigkeit Bearbeitungskräfte Positioniergenauigkeit Positionierverhalten Geschwindigkeitsverstärkung Zeitkonstanten des Lagereglers Folie 30

31 Vorgehensweise bei der Gestaltung und Dimensionierung von Vorschubantrieben Aufgabenstellung Konzeptauswahl Auswahl des zweckmäßigen Vorschubkonzeptes Gestaltung Anordnung Auswahl der Baugruppen Dimensionierung Auslegung der Komponenten Gestaltung der Fertigungsteile Inbetriebnahme Funktionsprüfung Prüfung der geforderten Eigenschaften allgemeine Prüfungen hinsichtlich Betriebssicherheit Randbedingungen technische und technologische Vorgaben und Grenzen räumliche Gegebenheiten wirtschaftliche Grenzen Umgebungs- und Einsatzbedingungen Aufgabenstellung Bauteile Entwicklungsaufwand Fertigungskosten Montagekosten erreichbare Parameter Wege Geschwindigkeiten Kräfte Genauigkeit Quelle : Dissertation TU Dresden, Arndt, H.: Auslegung und Bewertung von Vorschubantrieben mit Spindel-Mutter-Systemen Folie 31

32 Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugelgewindetriebes Auswahlkriterien Welche Positioniergenauigkeit muss erreicht werden? Welche Verfahrgeschwindigkeit soll erreicht werden? Welche Lebensdauer soll erreicht werden? Berechnung der Lebensdauer Berechnung Lebensdauer statische Steifigkeit Ausknickungssicherheit Maximaldrehzahl biegekritische Drehzahl Antriebsmoment C dyn L H F m F 1 bis F n = dynamische Tragzahl in N = Lebensdauer in Stunden = mittlere Axiallast in N bezogen auf 33 1/3 Umdrehungen/min = Axialbelastung in den einzelnen Lastfällen in N n 1 bis n n = Drehzahlen der einzelnen Lastfälle min -1 t 1 bis t n = Zeitanteil der einzelnen Belastungen an der Gesamtlaufzeit in Prozent Quelle : NSK Precision Europe GmbH Folie 32

33 Adaptronischer Kugelgewindetrieb Verspannter Kugelgewindetrieb mit Doppelmutter und aktivem Piezoaktor K p K sp L 0 Δ Lo L pr L ak Gesamtsteifigkeit der Piezokeramik Steifigkeit der Spindel Ausgangslänge vor dem Einbau Gesamtlängenänderung vorgespannter Zustand im eingebauten Zustand Länge des Aktors ΔL ak Längenänderung des Aktors R b/t Kugelkontaktsteifigkeit Labormuster Quelle : Fraunhofer Verbundprojekt FASPAS Funktionsverdichtete adaptive Strukturen durch Kombination von Piezotechnik und Softwaretechnologie autonomer Systeme Folie 33 Einleitung Motor Getriebe Messsystem Ü-Elemente ak. Forschung