antriebstechnik 9/2017

ANTRIEBE FÜR

ANTRIEBE FÜR WERKZEUGMASCHINEN I SPECIAL Fertigungsqualität fängt beim Motor an Warum Achsmotoren in der Werkzeugmaschine immer noch wenig Beachtung finden Genauigkeit und Oberflächenqualität sind die Ziele anspruchsvoller Fertigungsprozesse. Dafür investieren zerspanende Betriebe viel Zeit und Aufwand: In Werkzeugmaschinen, Steuerungen mit speziellen Funktionen und Optionen, Werkzeuge, Messtechnik und natürlich die Mitarbeiter- Qualifikation. Die Achsmotoren finden in diesem Arrangement leider immer noch wenig Beachtung. Dabei haben sie ganz entscheidenden Einfluss auf die Fertigungsqualität. Ein Elektromotor kommt in den unterschiedlichsten Applikationen zum Einsatz und muss dabei ein breites Spektrum an Anforderungen abdecken. Für Achsmotoren in Werkzeugmaschinen sind z. B. neben dem Maximalmoment des Motors vor allem das Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last und die Momentenwelligkeit entscheidende Kriterien. Denn sie haben direkte Auswirkungen auf die Qualität des zu fertigenden Werkstücks. Heidenhain-Achs- 01 Benötigter sprungartiger Lastwechsel für eine vorgegebene Positionsabweichung in Abhängigkeit vom Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last 02 Entwicklung der Beschleunigungsfähigkeit eines Motors in Abhängigkeit vom Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last Benötigte Kraft in N Beschleunigungsfähigkeit in rad/s² 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Verhältnis Motor:Last Verhältnis Motor:Last 104 antriebstechnik 9/2017

motoren für die Werkzeugmaschine bieten ein ausgewogenes Trägheitsmoment und eine niedrige Momentenwelligkeit für ausgezeichnete Bearbeitungsergebnisse und dynamische Bewegungsführung. Unempfindlich gegen Störungen Entscheidend für die Unempfindlichkeit gegen Störungen durch Schwingungen oder Fräskräfte ist die Störsteifigkeit eines Systems. Je größer die Störsteifigkeit, desto besser. Die Störsteifigkeit wiederum wird maßgeblich vom Trägheitsverhältnis zwischen Motor und bewegter Masse der Vorschubachse (Last) beeinflusst. Das heißt: Je größer der Motor im Vergleich zur Last ist, desto größer ist auch die Störsteifigkeit des Systems gegenüber schwankenden Fräskräften oder Vibrationen. Bild 01 zeigt abhängig vom Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last, wie groß ein sprungartiger Lastwechsel sein muss, um in einem Antrieb kurzzeitig eine vorgegebene Positionsabweichung zu erzeugen. Ein Beispiel: Ein leichter Anhänger hinter einem großen, zugstarken Fahrzeug bringt bei Böen oder Fahrbahnschäden weniger Unruhe in das ganze Gespann als ein schwerer Anhänger, der von einem leichten, aber ebenso leistungsstarken Kleinwagen gezogen wird, obwohl der leichte Anhänger selbst natürlich viel empfänglicher für diese Einflüsse ist als der schwerere. An der Werkzeugmaschine hieße das also, dass ein möglichst großer Motor einen möglichst leichten Tisch bewegen sollte, um den Einfluss von Störungen wie Fräskräften oder Schwingungen, die am Tisch auftreten, auf das Gesamtsystem so gering wie möglich zu halten. Bei großen Unterschieden zwischen Motor- und Lastträgheit ist allerdings zusätzlich eine Reduzierung der Reglerverstärkungen notwendig. Sie führt zu einer ge ringeren Störsteifigkeit, sodass das Gesamtsystem bei Störeinwirkungen auf der Lastseite – z. B. durch Fräskräfte oder Schwingungen – wieder stärker reagiert. Daher sollte für Werkzeugmaschinen ein ausgewogenes Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last gewählt werden. Es stellt eine ausreichend hohe Störsteifigkeit sicher, um das Gesamtsystem so unempfindlich gegen äußere Einflüsse auf der Lastseite zu machen, dass diese keine Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis haben und gleichzeitig mit hohen Reglerverstärkungen gearbeitet werden kann. Anders ausgedrückt: Zugfahrzeug und Anhänger sollten zueinander passen. Die Dynamik muss stimmen Zusätzlich würde eine Auslegung mit möglichst großem Motorträgheitsmoment der nächsten Anforderung widersprechen: Einer möglichst hohen Beschleunigungsfähigkeit. Die Trägheit des Motors hat nämlich auch erheblichen Einfluss auf die Beschleunigungsfähigkeit des Gesamtsystems. Diesen direkten Zusammenhang zeigt ein Blick auf die Formel zur Berechnung der Beschleunigungsfähigkeit und auf Bild 02: Bei einem gegebenen Maximalmoment des Motors M max und einer vorgegebenen Lastträgheit J Last verringert sich die Beschleunigungsfähigkeit des Gesamtsystems, wenn sich die Motorträgheit J Motor erhöht. Das heißt im Umkehrschluss ganz einfach: Ein Motor mit geringer Trägheit liefert eine höhere Beschleunigung. Denn je größer die Eigenträgheit des Motors ist, desto mehr Moment muss der Motor aufbringen, um eine gegebene Last wie gewünscht zu beschleunigen. Mit dem aufzubringenden Moment hält nun auch die Wirtschaftlichkeit Einzug in die Betrachtungen: Je größer das Maximalmoment sein soll, desto teurer wird der Motor. Denn die Leistungssteigerung verlangt nach mehr oder besseren magnetischen Werkstoffen für größere oder optimierte Motoren. Somit sprechen auch das Beschleunigungsverhalten und die Kosten für ein ausgewogenes, an den Einsatz - zweck angepasstes Verhältnis zwischen Motor und Last. Gleichlaufverhalten des Motors Motion Control Drives Neben den bisher beschriebenen äußeren Einflüssen kann auch der Motor selbst Störungen in das System einbringen, die Auswirkung auf die Bearbeitung und die Oberflächenqualität eines Werkstücks haben. Entscheidend ist hier vor allem die Momentenwelligkeit, die Motoren trotz eines sinusförmigen Stroms erzeugen. Das abgegebene Motormoment schwankt somit leicht über dem Motorwinkel. Für die Vergleichsmessungen zur Untersuchung der Momentenwelligkeit verschiedener Motorenkonzepte wurde die Z-Achse einer Werkzeugmaschine bei ansonsten gleichbleibendem Aufbau und identischen Versuchsbedingungen zunächst von einem Heidenhain-Achsmotor für die Werkzeugmaschine und anschließend von einem nicht für die Werkzeugmaschine ausgelegeinfach präzise. Überlegene Antriebslösungen mit höchster Präzision, hohem Wirkungsgrad, schnellen Lieferzeiten. Ihr Wettbewerbsvorteil: Antriebstechnik von Sumitomo Drive Technologies. Halle 6 Stand H62 Telefon +49 8136 66-0 marktind@sce-cyclo.com www.sumitomodrive.com