INA-Sonderdruck September 2001

Mechatronische Vorschubeinheit für PKM

Dipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied

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Mechatronische Vorschubeinheit für PKMDipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied

Geringere Stückkosten, höherePositionier-Genauigkeiten, generellniedrigere Systemkosten: Das sindeinige der großen technischenHerausforderungen, denen sichWerkzeugmaschinen-Herstellerund Zulieferer heute gemeinsamstellen müssen. Niedrigere Stückkosten könnenu.a. durch das Maschinenkonzeptder Parallel-Kinematik (PKM) und inVerbindung mit dynamischerenVorschubantrieben erreichtwerden. Dadurch lassen sichBearbeitungsprozesse optimierenund unproduktive Nebenzeitenerheblich verkürzen – so beimWerkzeugwechsel oder zwischenden Werkzeugeingriffen. Wiemüssen zeitgemässe Vorschub-antriebe für parallele Kinematikennun ausgelegt sein, damit siemaximale Geschwindigkeiten undhohe Beschleunigungen zulassen?

Konzepte für PKM-Vorschub-antriebe – BestandsaufnahmeDen bisherigen Antriebslösungen standenneben den zweifellos vorhandenenVorteilen auch eine Reihe größerer Nach-teile gegenüber. So waren z.B. lange dieelektronischen Komponenten im Antrieblimitierend für mehr Dynamik in derVorschubachse. Mit der Einführung derNC-Steuerungen – z.B. die Siemens 840D– begrenzen nun jedoch primär diemechanischen Antriebsbauteile höhereGeschwindigkeiten und Beschleuni-gungen. Lösungen in kartesischenMaschinen mit Servomotor, angetriebe-ner Spindel und Fest-, Loslagerungbieten deshalb auch nur wenig Spielraumfür höhere Drehzahlen, da die Spindelanfällig für Resonanz-Schwingungen ist.Neuere Konzepte – z.B. die Linear-direktantriebe – sind teuer und haben mit ihren hohen Temperaturen auchtechnische Nachteile. Außerdem stellensie große Anforderungen an die Rege-lungstechnik. Mehr als eine Alternative zu diesenKonzepten sind die oben erwähntenparallelen Kinematiken mit konventionellenAntrieben wie Gelenkarmeinheiten oder

KGT-Vorschubachsen bei Konstruktionenmit starren Streben. Ihre dynamischeLeistungsfähigkeit ist mit den schnellstenkartesischen Maschinen vergleichbar –hier besonders mit den Linearmotor-Maschinen. Obwohl bei den parallelenKinematiken mitunter die Übersetzungs-verhältnisse die Dynamik wesentlichmitbestimmen, bleibt aber auch hier dieMechanik der Vorschubantriebe derbegrenzende Faktor für dynamischeSteigerungen. Denn klassische PKM-Systeme mit Teleskopstreben habenangetriebene Gewindespindeln und Fest-Los-Lagerungen. Dieser Aufbau ist zwarbewährt, wirtschaftlich und entsprichtauch dem INA-Standard bei Gelenkarm-einheiten. Für dynamischere Leistungenmuss jedoch die biegekritische Drehzahlder Gewindespindel erhöht werden.Zusätzlich sind die bewegten Massenbeim Schwenken um die Gelenkachse imGestell zu minimieren. Denn höhereVorschübe und Beschleunigungen sindnur dann wirklich nutzbar, wenn dieseauch im Arbeitsraum erreicht werden.Doch selbst bei hohen Vorschub- undBeschleunigungwerten bestimmt derRuck die Umsetzbarkeit dieser Kenn-werte entscheidend mit.

Leistung 36,6 KW

Drehmoment 100 Nm

Dauervorschubkraft 10 KN

Vorschubgeschwindigkeit 100 m/min

Mess-System Heidenhain ECN 113 (absolut)

Bremse Binder Einscheibenfederdruck

Verfahrweg Je nach Spindelänge

Länge ca. 600 mm

Tabelle Exemplarische Darstellung der Leistungskennwerte für ein Achsmodul am BeispielAchsmodul GLAE F-234442

Mechatronische Einheit –konventionelle Einzel-Kompo-nenten zu einem wegweisendenSystem kombiniertWie erreicht man nun mit bewährtenklassischen mechanischen Komponentenhöhere dynamische Werte. Die physika-lisch günstigste Anordnung bei PKM-Lösungen ist eine einseitig fixierte Spindelmit rotierender Mutter. Hier lassen sichdie Massen des Antriebs in der Gelenk-achse am Maschinengestell anordnen.Gleichzeitig ist die biegekritische Drehzahldurch die feste Einspannung wesentlichhöher als bei drehender Spindel. Ähnliche Lösungen gibt es auch beikartesischen Maschinen und Vorschub-antrieben mit angetriebener Mutter. INA ging hier allerdings noch einen Schrittweiter und entwickelte zusammen mit derFirma Heckert ein komplettes mecha-tronisches System, das in der SKM 400eingesetzt wird. Die mechanischen Bauteile für dasmechatronische System sind vielfachbewährte INA-Produkte aus dem Bereichder Gewindetrieb-Lagerungen. Das Kern-stück der Einheit ist eine durchgehendeHohlwelle ➀ mit Fest-Loslagerung. Aufder Festlagerseite wird ein zweireihigesAxial-Schrägkugellager ➁ montiert, alsLoslager ein Nadellager ➂ eingesetzt.

Das Axial-Schrägkugellager übernimmteine Doppelfunktion: Es lagert dieSpindelmutter ➃ in der Hohlwelle undsorgt gleichzeitig für die Positionierungund Lagerung des Hohlwellen-Antriebs ➄.Dadurch wird eine besonders hoheLaufgenauigkeit und ein sehr kompakterAufbau erreicht. Außerdem sind dieAnregungen aus der Vorschubeinheitniedriger, da der Antrieb auf der Achsezentriert wird. Durch das rotatorischeMess-System ist der elektrische Antrieboptimal steuerbar und somit auch fürhöchste Positionier-Genauigkeitengeeignet. Motor und hohle Spindelkönnen durch eine Flüssigkeitskühlunggekühlt werden. Die Schmierung derSpindelmutter erfolgt stirnseitig.

ResümeeDachte man bis vor kurzem noch, dassLineardirektantriebe die klassischenAntriebskonzepte immer mehr verdrängen,so wurde dies in letzter Zeit zunehmendrevidiert. Heute sind elektromechanischeAntriebe wieder hoch aktuell und vielfachdie technisch und wirtschaftlich besteLösung. So ist der Gewindetrieb mitseiner Lagerung sowohl in Teleskop-streben als auch in Konzepten mitlängenunveränderlichen Streben und inKoppelkinematiken nach wie vor dieführende Antriebstechnik.

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Autor:Dipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied ist Anwen-dungsingenieur im BranchenmanagementProduktionsmaschinen und Systeme bei der INA Wälzlager Schaeffler oHG in Herzogenaurach.

Bild 1 Mechatronische Vorschubeinheit für PKM

Entscheidend für seine Funktion istjedoch immer, dass Maschinenkonzept,Antriebskomponenten und Lagerung bei der Auslegung optimal aufeinanderabgestimmt sind. Hierin liegt nun eine der Stärken von INA:Komplettlösungen wie die mechatroni-sche Vorschubeinheit zu entwickeln, einerotierende Gewindetriebmutter mit Hohl-wellenantrieb, die mit ihren Komponentengenau auf das Gesamt-Maschinenkon-zept abgestimmt ist. Diese Lagerungs-variante für Anwendungen in parallelenKinematiken wurde in enger Zusammen-arbeit mit einem Werkzeugmaschinen-Hersteller realisiert. Dabei floss unserelangjährige Erfahrung in der Gestaltungvon Lagerungen für Gewindetriebe ein.Das Ergebnis ist eine montagefertigeVorschubeinheit für hohe Positionier-Genauigkeiten, die hilft, Stückkosten zusenken und den INA-Systemgedankenweiter festigt.

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