antriebstechnik 2/2025

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNGSIMULATIONUNTERSUCHUNG UND MODELLIERUNG DESREIBUNGSVERHALTENS WÄLZGELAGERTERMASCHINENACHSENVorschubantriebe von Produktionsanlagen sind leistungsfähige Maschinenmodule,an die abhängig von der Anwendung hohe Anforderungen gestellt werden.Typische Vorschubantriebe hochgenauer Werkzeugmaschinen sind als Kugelgewindetrieb,Ritzel-Zahnstangen-Antrieb oder Linearmotorantrieb in Kombination mit Linearführungen(Wälz- oder Gleitführungen) aufgebaut. Vorschubantriebe realisieren in Verfahrrichtung dieSteifigkeit. Aufgrund der konstruktiven Gestaltung und der während des Betriebesauftretenden Belastungen kommt es zu Reibungseffekten in den Antrieben. Dieser Berichtbeleuchtet die einzelnen Anteile und Einflüsse auf die unterschiedlichen Anteile sowie dieMessmöglichkeiten der Verluste am Beispiel des häufig eingesetzten Kugelgewindetriebes.1. ANALYSE VON MECHANISCHEN UNDELEKTRISCHEN VERLUSTENDie Vorschubachsen automatisierter Produktionsanlagen (zumBeispiel Werkzeugmaschinen) bestehen aus Maschinenelementenzur Realisierung von Verfahrbewegungen mit hoher Präzisionund Geschwindigkeit sowie hoher statischer und dynamischerSteifigkeit. Aufgrund dieser Anforderungen kommen häufig vorgespanntewälzende Kontakte zum Einsatz. In Bild 01 sind die unterschiedlichenPositionen und Arten der verlustbehafteten Elementedargestellt. Die Höhe der Verluste ist neben den konstruk-VorschubantriebzKühlluftzirkulationSpindellagerungTCPDie Messung der Reibung in der Kugelgewindetriebspindel(Nenndurchmesser 32 mm) und den Linearführungen (KugelführungGröße 35) fand auf einem speziellen Prüfstand mit integriertenSensoren statt. Das Reibmoment der KGT-Mutter geschahmit einem zwischen der Mutter und dem Schlitten, dieReibkraft der Führungen mit einem zwischen dem Schlitten undFührungswagen installierten Sensor. Die Erfassung der Temperaturenan den Führungen, der KGT-Spindel und KGT-Mutter ge-SpindelantriebVorschubantriebx01 Energieverluste an MaschinenStänderMaschinenbettVorschubantriebyverlusterzeugende MaschinenkomponentenKonvektionSchaltschrankSchaltschrankkühlerLeistungsmoduleMKSS / HydraulikInstallationsebeneTCP: Tool Center Pointtiven Ausführungen (beispielsweise Höhe der Vorspannung) auchvon dem Belastungszyklus abhängig. Neben den Vorschubachsensind auch die Hauptspindel und die Nebenaggregate sowie dieLeistungs- und Regelmodule im Schaltschrank Einheiten mit erheblicherWärmeentwicklung. Diese Verluste gehen entweder indie Struktur, werden an der Oberfläche der Struktur abgestrahlt,oder werden durch Kühlung von den Bauteilen abgeführt.Die quantitative Erfassung der Verluste der einzelnen Komponentenin der Maschine oder in Prüfständen ist durch separateSensoren für die verlustzeugenden Kenngrößen (zum BeispielReibkraft, -moment) möglich. Die gezielte Untersuchung vonVorschubachsen bezog sich auf das aus Vorschubmotor, Kupplung,Kugelgewindetrieb-Lagerung und -Mutter bestehende System.Dabei wurden auch die im Motor verbauten Lager berücksichtigt.Das Reibmoment der Kugelgewindetriebspindelmutterund die Verschiebekraft der Linearführungen der Achsen wurdenbei unterschiedlichen Verfahrzyklen (Variation der mittlerenGeschwindigkeit durch unterschiedlich lange Pausen) sowie mitunterschiedlichen Schmierstoffen erfasst. Bild 02 zeigt die verlusterzeugendenKomponenten, die mögliche Art der Erfassungder Verluste sowie die in den unterschiedlichen Ursachen derVerluste. Über den Motorstrom kann der summarische Wert allerReibanteil bei reversierender Bewegung ermittelt werden. Dieeinzelnen Anteile lassen sich dabei aber nicht erfassen. Auch istdie Umrechnung durch die zustandsabhängige Drehmomentkonstantenur mit Unsicherheiten möglich.2. MESSUNG MECHANISCHER VERLUSTE46 antriebstechnik 2025/02 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG02 Möglichkeiten der Erfassung von Verlusten in VorschubantriebenSchaltschrankmit Steuerung,VersorgungsundAntriebsmodulenNetzanschlussGesamtstromaufnahmeWärmeentwicklung inVorschubantriebenErfassungVerlusteVerlustanteileLeistungsmodul:HerstellerangabenelektrischeVerluste imLeistungs- undRegelmodulMotorlager:sep. Prüfstandelektr. Verluste:StromsensorUmrichter- Netzfilterverluste- Kondensatorverluste im Zwischenreis- Schaltungsverluste im Stellelementen (z.B. IGBTs, Dioden) = f(Schaltfrequenz)- LeitungsverlusteReibung in Linearwälzführungenmit Wälzkontakten+ DichtungenelektrischeVerluste imMotor Reibungim MotorlagerMotorlager: sep.Prüfstandelektr. Verluste:Stromsensor,HerstellerangabenReibung imKugelgewindetrieblagerKGT-Lager:sep. PrüfstandReibung in KugelgewindetriebmutterWälzkontakte +DichtungenMotor- Kupfer- (Stator) und Eisenverluste(Stator+Rotor)- Lagerreibungsverluste- Ummagnetisierungsverluste- LüfterleistungKGT-Mutter:Drehmomentmessungmit /ohne DichtungenReibung imKugelgewindetrieblagerWälzführungen:VerschiebekraftmessungMechanikReibung in Maschinenelementen- Kugelgewindetrieblagerung- Kugelgewindetriebmutter- Linearführungen- Längenmesssystem03 Erwärmung eines klassischen Vorschubantriebs aus Kugelgewindetrieb undLinearwälzführung im VerfahrbereichSensoren- Verschiebekraft Linearführung- Reibmoment KGT-Mutter- T TemperaturTT LLLLSensorenTT MMMMMMMM , AA SSSS TT MMMM , AA KKKKKKTT MMMMVerfahrbereichRuhebereichschah in regelmäßigen Abständen. Die Entwicklung der einzelnenWerte als auch Korrelation der Reibkraft / -moment sowieder Temperatur erlauben Aussagen über den Einfluss der Viskositätund des Schmierzustandes. Die flächige Analyse der Temperaturverteilungfand mittels Infrarotthermographie statt. Dabeisind die absoluten Werte aufgrund fehlender Präparation derAchskomponenten nicht direkt auswertbar. Jedoch ergeben dieMessungen über der Zeit und die Verteilung der Temperatur guteErkenntnisse. Die absoluten Werte der Temperatur erfasste eintaktil arbeitender Sensor, der intermittierend bei stehendemPrüfstand die Daten auf der KGT-Spindel, zwei Stellen der KGT-Mutter und den Linearführungen erfasste.Zur Erfassung tribologischer Effekte beim Verfahren kamen unterschiedlicheMaximalgeschwindigkeiten bezüglich der Reibmomentebei den Versuchen zur Anwendung. Die Auswertunganalysierte die bei der konstant gefahrenen maximalen Geschwindigkeitauftretenden Reibmomente der Kugelgetriebespindelmutter.Damit ergeben sich die geschwindigkeitsproportionalenReibanteile der Kugelgewindetriebmutter und der Linearführungen.Die Verschiebekräfte der Linearführungen lassensich durch den separaten Sensor getrennt erfassen und aus demKGT-Mutternmoment herausgerechnet werden.Die durchgeführten Versuche beinhalteten unterschiedlichevariierten Parameter. Ein Test diente der Analyse des gemitteltenwww.antriebstechnik.de antriebstechnik 2025/02 47