Skript Fertigungstechnologie, 5. Semester · 1.9.2 Anforderungen an...

Institut für Umformtechnik und Leichtbau Prof. Dr.-Ing. E. Tekkaya Institut für Spanende Fertigung Prof. Dr.-Ing. D. Biermann

Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen 1-36 Grundlagen SS 2010 / Vorlesung 3

1 Grundlagen

Dummie-Seite, damit die Bildunterschriften i. O. sind

Bild 1-1Bild 1-2Bild 1-3Bild 1-4Bild 1-5Bild 1-6Bild 1-7Bild 1-8Bild 1-9Bild 1-10Bild 1-11Bild 1-12Bild 1-13Bild 1-14Bild 1-15Bild 1-16Bild 1-17Bild 1-18Bild 1-19Bild 1-20Bild 1-21Bild 1-22Bild 1-23Bild 1-24Bild 1-25Bild 1-26Bild 1-27Bild 1-28Bild 1-29Bild 1-30 Bild 1-31 Bild 1-32 Bild 1-33 Bild 1-34 Bild 1-35 Bild 1-36 Bild 1-37 Bild 1-38 Bild 1-39 Bild 1-40 Bild 1-41Bild 1-42 Bild 1-43 Bild 1-44



1.9 Antriebe

1.9.1 Aufgaben

1.9.2 Anforderungen an Antriebe

- Hauptantriebe

- Nebenantriebe / Vorschubantriebe

1.9.3 Elektrische Antriebe

- Gleichstrommaschine

- Schrittmotor - Linearmotor

1.10 Getriebe

1.11 Steuerung und Sensorik bei Werkzeugmaschinen

1.11.1 Steuerung von Werkzeugmaschinen

1.11.2 Sensorik an Werkzeugmaschinen

- Messwerterfassung

- Positionserfassung / Fehlerquellen

- Integration von Sensorik

1.12 Literatur



1.9 Antriebe

Hinsichtlich der Energieversorgung lassen sich folgende Antriebe für Werkzeugmaschinen voneinan-

der unterscheiden:

Pneumatische Antriebe

Pneumatische Antriebe neigen aufgrund der hohen Kompressibilität der zugeführten Luft zu instabilem

Verhalten und sind daher nur sehr aufwendig zu Steuern. Aus diesem Grunde finden sie in der Regel

lediglich als Hilfsantriebe Verwendung.

Hydraulische Antriebe

Für hydraulische Antriebe spricht eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Leistungsgewicht. Somit

weisen diese Antriebe ein großes Beschleunigungsvermögen und ein gutes dynamisches Verhalten

auf. Nachteilig ist hier der hohe Wartungsbedarf und die erhöhte Störanfälligkeit.

Elektrische Antriebe

Einen elektrischen Antrieb zeichnen eine hohe Lebensdauer, ein guter Wirkungsgrad und eine geringe

Wärmeentwicklung aus. Außerdem gehört die Bereitstellung von elektrischer Energie zur infrastruktu-

rellen Grundausstattung einer jeden Fertigungsstätte.

1.9.1 Aufgaben

Antriebe von Werkzeugmaschinen erzeugen die für die Bearbeitung notwendigen Wirkbewegungen.

Hierzu wird die bereitgestellte Primärenergie in mechanische Energie umgewandelt, an die Bewegung

angepasst und zur Wirkstelle weitergeleitet. Zur Erfüllung dieser Aufgabe besteht eine Antriebseinheit

grundsätzlich aus den Komponenten Motor, Getriebe und Kupplungen.

Die von einer Werkzeugmaschine auszuführenden Bewegungen lassen sich den folgenden Gruppen

zuordnen:

Hauptbewegungen

Hauptbewegungen bezeichnen die für die Bearbeitung primär notwendigen Relativbewegungen zwi-

schen dem Werkzeug und dem Werkstück. Bei spanabhebenden Werkzeugmaschinen ist dies die

Schnittbewegung.

Nebenbewegungen

Nebenbewegungen bezeichnen die für die Bearbeitung sekundär benötigten Relativbewegungen. Zu

den Nebenbewegungen gehören Vorschub-, Zustell- und Positionierbewegungen.

Hilfsbewegungen

Hilfsbewegungen sind solche Bewegungen, die den Bearbeitungsprozess unterstützen. Werkzeug-

und Werkstückwechsel, Unterbrechung bzw. Freigabe der Kühlschmierstoffzufuhr sowie Klemmungen

und Verriegelungen sind Hilfsbewegungen.

1.9.2 Anforderungen an Antriebe

Wichtige Anforderungen, die hinsichtlich des Betriebsverhaltens an Antriebe zu stellen sind, zeigt Bild

1-45.



Hauptantriebe

Fräs-, Drehspindel, Pressenstößel

Nebenantriebe

Vorschubachsen

Hilfsantriebe

Kühlmittel, Lüfter, Beschickung

Einstellfeinheit mittel hoch konstant

Steifigkeit hoch hoch niedrig

Gleichlauf mittel hoch niedrig

Beschleunigungsvermögen mittel hoch niedrig

Bild 1-45: Anforderungen an Werkzeugmaschinenantriebe bzgl. des Betriebsverhaltens

Neben dem Betriebsverhalten sind die folgenden Anforderungen von spezieller Bedeutung und müs-

sen je nach Einsatzfall besonders beachtet werden:

Leistungs- / Drehzahl-Kennfeld

Wirkungsgrad

Schwingungsverhalten

Anlauf- und Bremsverhalten

dynamisches Verhalten

Positionier- und Bahngenauigkeit

Eigenschaften der zu realisierenden Bewegungen:

die Bewegung wird durch Werkzeug oder Werkstück ausgeführt

rotierende oder translatorische Bewegung

Bewegung mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit

Bewegung verläuft kontinuierlich oder schrittweise

Hauptantriebe

Hauptantriebe kommen zur Erzeugung der Hauptarbeitsbewegung zum Einsatz. Dies sind die Haupt-

spindelbewegung bei Dreh-, Fräs-, Bohr-, Schleif- oder Sägemaschinen, die Tischbewegungen bei

Hobelmaschinen und die Bewegungen des Stößels bei Pressen und Stoßmaschinen. Entsprechende

Bewegungszustände sind bei spanenden Werkzeugmaschinen:

Anlaufbewegung zum Erreichen der Schnittbewegung

Schnittbewegung

Abbremsen der Schnittbewegung

Verstellung der Schnittbewegung

Umkehr der Schnittbewegung

Als Hauptantriebsmotoren werden heute fast ausschließlich drei Typen von Elektromotoren einge-

setzt:

konventioneller geregelter Gleichstrommotor

permanenterregter bürstenloser Gleichstrommotor

frequenzgeregelter Asynchronmotor mit Käfigläufer



Nebenantriebe / Vorschubantriebe

Anforderungen an Vorschubantriebe für das stationäre Verhalten:

Großer Vorschubgeschwindigkeitsstellbereich

Ausreichendes Drehmoment bzw. ausreichende Kraft

Niedrige Massen

Ruckfreier Betrieb auch bei niedrigsten Geschwindigkeiten (Stick-slip-Freiheit)

Gleichmäßiges Drehmoment bei kleinen Drehzahlen

Anforderungen an Vorschubantriebe für das dynamische Verhalten:

Hohe Beschleunigungs-/Verzögerungsmomente und –Kräfte

Gutes Führungs- und Störverhalten, um Änderungen der Sollwertgröße möglichst rasch ver-

zerrungs- und verzögerungsfrei folgen zu können

1.9.3 Elektrische Antriebe

Gleichstrommaschine

Gleichstrommotoren als Antriebe für Werkzeugmaschinen

Gleichstrom-Servomotoren sind Weiterentwicklungen der konventionellen Gleichstrommotoren, wobei

durch verschiedene Maßnahmen das Betriebsverhalten in Hinblick auf die speziellen Anforderungen

an einen Vorschubantrieb verbessert wurden. Zu diesen Maßnahmen zählen:

Verringerung des Läuferdurchmessers

Durch die Verringerung des Läuferdurchmessers bei gleichzeitiger Verlängerung des Rotors wird eine

Reduzierung des Anker-Trägheitsmomentes erreicht. Dies wirkt sich günstig auf das Beschleuni-

gungsvermögen des Motors aus.

Reduzierung der Ankermasse

Die Reduzierung der umlaufenden Ankermasse bewirkt ebenfalls eine Verminderung des Trägheits-

momentes und somit eine Erhöhung des Beschleunigungsvermögens.

gezielte Fremdkühlung

Durch die gezielte Fremdkühlung wird die Schädigung der Ankerwicklungen durch Überhitzung bei

Überlast vermindert. Somit steigt die kurzzeitige Überlastfähigkeit der Maschine.

Erhöhung der Ankerwicklungsdichte

Die Erhöhung der Wicklungsdichte auf dem Anker wirkt sich durch die Erhöhung der Rundlaufgüte

insbesondere bei kleinen Drehzahlen aus. Dies erweitert den Steuerbereich der Maschine hin zu klei-

nen und kleinsten Drehzahlen.

Servomotor

Servomotoren sind permanenterregte Synchronmotoren, die vom Aufbau her den Asynchronmotoren

gleichen. Der Rotor hat ausgeprägt magnetische Pole, die von Permanentmagneten erzeugt werden.

Der Synchronmotor kann aufgrund der Trägheit des Rotors und der großen Geschwindigkeit des Net-

zes nicht selbst anlaufen. Daher wird der Servomotor mit Hilfe eines Servoumrichters mit sinusförmi-

gen Strömen versorgt und somit die Geschwindigkeit des Drehfeldes eingestellt.

Besondere Eigenschaften sind:

sehr kleines Massenträgheitsmoment (geringer Läuferdurchmesser, reduzierte Ankermasse)



hohe Überlastbarkeit

geringe Verluste

nahezu wartungsfrei durch Einsatz verstärkter Lager

hohe Dynamik und Präzision

Bild 1-46: Konventioneller (oben) und bürstenloser Gleichstrommotor (unten) bei gleicher Leistung (42263)

Schnellläufer

Schnellläufermotoren zeichnen sich in der Regel durch kleine Ankerdurchmesser und durch die

Blechung des Jochringes aus. Durch verschiedene Ankerformen wird ein geringes Trägheitsmoment

und somit ein günstiges dynamisches Verhalten erreicht. Diese Bauformen lassen jedoch nur be-

grenzte Beschleunigungs- und Dauerdrehmomente durch die damit verbundene begrenzte Wärmeka-

pazität zu. Hohe Drehmomente lassen sich daher nur durch hohe Drehzahlen in Verbindung mit einem

Untersetzungsgetriebe realisieren.

Stabläufer

Stabläufermaschinen oder Minertia-Motoren haben einen sehr schlanken, nutenlosen Rotor mit ho-

mogener Wicklung und einer hohen Wicklungsdichte. Auf der Läuferwelle ist ein

Siliziumstahlblechkern als Träger für die Ankerwicklungen aufgepresst. Die Wicklung selbst wird mit

Glasfaserbandagen fixiert. Die Stabform des Rotors bedingt ein geringes Trägheitsmoment und somit

ein gutes Beschleunigungsvermögen.

Hohlläufer

Beim Hohlläufer sind die Ankerwicklungen auf einem glockenförmigen Wicklungskorb aufgebracht. Im

Gegensatz zu konventionellen Gleichstrommaschinen ist das Eisen des Ankers nicht Teil der Welle,

sondern feststehend und bildet einen Teil des Gehäuses. damit ergibt sich ein geringes Trägheitsmo-

ment für den Rotor.

Scheibenläufer

Scheibenläufermotoren sind permanenterregte Servomotoren in deren Luftspalt eine aus Isolations-

material bestehende Scheibe - der Rotor - mit aufgeklebten Kupferleitern drehbar gelagert ist. Das von

acht bis zehn Polpaaren gebildete Magnetfeld breitet sich im inneren des Motors aus. Der magneti-

Stator mit

Permanentmagneten

Rotor mit

Wicklung

Gleichstrom-

tachogenerator

Rotor mit Permanent-

magneten

Kollektoren und Kohlebürsten

(Verschleißteile!)

Bürstenloser Tacho-

generator mit Rotor-

positionsgeber

Stator mit

Wicklung



sche Rückfluss erfolgt durch die Eisenteile des Gehäuses. Der Ankerstrom wird über Spezialkohle-

bürsten direkt auf die Leiterzüge übertragen.

Durch das Fehlen des Eisens im Anker wird nicht nur das Trägheitsmoment reduziert, es ergeben sich

außerdem sehr kleine Werte für die Selbstinduktion in den Ankerleitungen. Hierdurch lassen sich gro-

ße Stromanstiegsgeschwindigkeiten realisieren, so dass der Motor in wenigen Millisekunden auf die

gewünschte Drehzahl gebracht werden kann.

Langsamläufer

Servomotoren dieses Typs sind permanenterregte Gleichstrommaschinen mit Nebenschlussverhalten.

Sie zeichnen sich durch hohe Drehmomente auch bei niedrigen Drehzahlen aus. Die dabei entste-

hende Verlustwärme wird von der hohen Wärmespeicherkapazität des großen Läufers aufgenommen.

Es werden Drehzahlen bis zu 3000 min-1

erreicht. Der Motor eignet sich für den Direktantrieb von Vor-

schubspindeln und bietet daher ein günstiges dynamisches Verhalten. Bedingt durch die Permanent-

erregung zudem ist der Wirkungsgrad sehr hoch.

Torque-Motor

Einen Extremfall des Langsamläufers bildet der Torque-Motor, der bei sehr kleinen Drehzahlen ein

enorm hohes Drehmoment aufbringen kann und zudem sehr wenig Bauraum benötigt. Dieser Motor

eignet sich besonders für Sonderanwendungen wie z.B. als Vorschubantrieb für Ultra-

Präzisionsmaschinen oder als Direktantrieb an den Gelenken von Handhabungseinrichtungen.

Bild 1-47: Bauarten von Gleichstromservomotoren (42555)

Schrittmotor

Aufbau und Wirkungsweise

Die Wirkungsweise eines elektrischen Schrittmotors wird in Bild 1-48 anhand eines dreigliedrigen

Motors erläutert. Der Ständer trägt im Inneren die Erregerwicklungen. Die Wicklungen sind so ge-

schaltet, dass Nord- und Südpole alternierend nebeneinander angeordnet sind. Der Rotor besitzt zu

- sehr kleines Massenträgheitsmoment- großer Drehzahlregelbereich- große Positioniergenauigkeit

- robuster Motor- geringes Massenträgheitsmoment- hohe Drehzahlen

Scheibenläufer Stabläufer

Hohlläufer Langsamläufer

- extrem hoher Wirkungsgrad- sehr kleines Massenträgheitsmoment- sehr hohe Drehzahlen

- große Stromüberlastbarkeit- hohe Dauerdrehmomente- für Direktantrieb geeignet

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

Universalmotor fürStandardeinsätze

Konventionelle Bauart



jedem Pol einen Läuferzahn, der weder eine Wicklung trägt, noch permanent erregt sein muss. Wäh-

rend die Polschuhe der verschiedenen Teilglieder ohne Versatz, achsial hintereinander angeordnet

sind, weisen die Läuferzähne verschiedener Teilglieder einen von der Polpaarzahl p abhängigen Win-

kelversatz = 360° / 2 p auf.

Bild 1-48: Aufbau eines Schrittmotors (42778)

Zur Erzeugung eines Drehmomentes wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass der Läufer be-

strebt ist, die Stellung einzunehmen, bei der sich ein Minimum des magnetische Widerstandes ergibt.

Das heißt, die magnetischen Feldlinien haben das Bestreben sich zu verkürzen. Werden die Erreger-

wicklungen eines Teilgliedes von einem Strom durchflossen, so werden sich die Läuferzähne entspre-

chend unter den Erregerpolen ausrichten und den Rotor drehen. Wird die Erregerspannung auf den

nächsten Ständerteil weiter geschaltet, so wird der Rotor um einen weiteren Winkelschritt weiter-

gedreht.

Um eine quasi kontinuierliche Bewegung zu erzeugen, müssen die verschiedenen Statorteile nachei-

nander aktiviert werden. Hierzu wird dem Schrittmotor ein Ansteuergerät vorgeschaltet, dass die

Ständerspannung bei jedem Eingangsimpuls zum nächsten Teilglied weiterschaltet. Je nach Reihen-

folge der Aktivierung läuft der Motor vorwärts oder rückwärts.

Bild 1-49: Ansteuerung eines Schrittmotors (42779)

Linearmotor

Einen elektromagnetischen Linearmotor kann man sich vereinfacht als einen aufgeschnittenen Dreh-

strommotor vorstellen, der direkt eine Relativbewegung zwischen dem Primär- und Sekundärteil er-

zeugt. Mit Linearmotoren lassen sich, im Vergleich zu konventionellen Antrieben, nicht nur höhere

Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, sondern auch höhere Bahngeschwindigkeiten auf einem

höheren Geschwindigkeitsniveau erzielen. Der Grund für das gute dynamische Verhalten liegt in den

fehlenden mechanischen Nachgiebigkeiten innerhalb einer Regelstrecke. Gerade das macht den Li-

nearmotor besonders für mehrachsige Anwendungen interessant. Nachteilig wirkt sich die je nach

Auslegung und Baugröße eingeschränkte Vorschubkraft aus, weshalb man die zu bewegenden Mas-

sen möglichst gering hält.



Auf den Aufbau, die Einsatzgebiete sowie Vor- und Nachteile wird in einem späteren Kapitel näher

eingegangen.

Bild 1-50: Aufbau eines Linearmotors (offene Bauform) (42550)

1.10 Getriebe

Ein Getriebe ist eine Baugruppe, die der Anpassung, zwangsläufigen Umwandlung und Übertragung

von Bewegungen und Momenten bzw. Kräften bei der Energieübertragung dient. Im Werkzeugma-

schinenbau dienen Getriebe hauptsächlich zur Reduzierung der i. a. hohen Drehzahlen der Antriebs-

motoren auf die Arbeitsdrehzahlen und zur Erzeugung definierter Vorschubbewegungen.

Bei Getrieben unterscheidet man zwischen gleichförmig und ungleichförmig übersetzenden getrieben.

Bei gleichförmig übersetzenden Getrieben stehen Eingangs- und Ausgangsbewegung in einem festen

Verhältnis zueinander.

Die gleichförmig übersetzenden Getriebe lassen sich weiter in gestufte und stufenlose Getriebe unter-

teilen. Damit ist gemeint, dass die Getriebe zwischen einer größten und kleinsten Abtriebsdrehzahl

entweder eine endliche Anzahl von Zwischendrehzahlen (Stufen) erzeugen (gestufte Getriebe) oder

dass in diesem Bereich kontinuierlich jede Zwischendrehzahl eingestellt werden kann (stufenlose Ge-

triebe). Stufenlose Getriebe ermöglichen es z. B:, bei spanenden Werkzeugmaschinen für unter-

schiedliche Bearbeitungsbedingungen die jeweils günstigste Schnittgeschwindigkeit genau einzustel-

len. Sie haben gegenüber gestuften Getrieben aber den Nachteil des geringeren Wirkungsgrades und

des (bei gleicher Leistung) größeren Bauvolumens. Stufenlose mechanische Getriebe werden jedoch

mehr und mehr durch drehzahlsteuerbare Hydraulik- und Elektromotoren verdrängt. Das heute übli-

cherweise angewendete Prinzip zur Erzeugung kontinuierlich einstellbarer Abtriebsdrehzahlen ist die

Kombination eines Stufengetriebes von nur wenigen Stufen (2 bis 3) mit einem stufenlos drehzahlein-

stellbaren Elektromotor. Das Stufengetriebe ist deshalb noch erforderlich, da der geforderte Drehzahl-

stellbereich vom Motor allein nicht erfüllt werden kann.

Die ungleichförmig übersetzenden Getriebe erzeugen bei gleichförmiger Eingangsdrehbewegung eine

ungleichförmige Abtriebsbewegung. Im allgemeinen wird dabei die gleichförmige rotatorische An-

triebsbewegung in eine ungleichförmige translatorische Abtriebsbewegung umgewandelt.

Das Verhältnis von Eingangsdrehzahl nan und Ausgangsdrehzahl nab bezeichnet man als Überset-

zung i. Es gilt: i = nan / nab.



Bild 1-51: Gleichförmig übersetzende Getriebe (42794)

Bild 1-52: Ungleichförmig übersetzende Getriebe (42795)

Zahnradgetriebe

Stirnrad-

getriebe

Kegelrad-

getriebe

Schnecken-

getriebe

Zahnradgetriebe

Stirnrad-

getriebe

Kegelrad-

getriebe

Schnecken-

getriebe

Zugmittelgetriebe

Riemen-

getriebe

Ketten-

getriebe

Zugmittelgetriebe

Riemen-

getriebe

Ketten-

getriebe

mechanisch

Um-

schlingungs-

getriebe

Kugel-

scheiben-

getriebe

mechanisch

Um-

schlingungs-

getriebe

Kugel-

scheiben-

getriebe

elek-

trisch

Leonard-

satz

elek-

trisch

Leonard-

satz

hydrau-

lisch

Hydropumpe

Hydromotor

hydrau-

lisch

Hydropumpe

Hydromotor

Stufenlose GetriebeStufengetriebe

gleichförmig übersetzte Getriebe

ungleichförmig übersetzte Getriebe

Waagerecht-

Stoßmaschine

Zustell- und

Vorschubbew.

(Drehautomat)

Materialvor-

Schub

(Stanzen)

Wälzstoß-

maschine

Scheren

Pressen

Wälzstoß-

maschine

Scheren

Pressen

Pressen

Hydraulische

Linearantriebe

z.B. Pressen

Hauptantrieb

An Hobel-

maschinen

An

wen

du

ng

s-

Besp

iele

Schwingende

Kurbelschleife SonderformenKurvenscheibeKniehebelSchubkurbel



1.11 Steuerung und Sensorik bei Werkzeugmaschinen

1.11.1 Steuerung von Werkzeugmaschinen

Bild 1-53: Aufbau einer CNC-Maschine (72094)

Bild 1-54: Struktur einer CNC-Steuerung (Ak_0084)

Bild 1-55: Steuerungsarten von CNC-Maschinen (72748)



Bild 1-56: Interpolationsarten (72729)

Aufgaben eines Prozessrechners in der Fertigungstechnik:

Messwerterfassung: Sensorik

Messwertverarbeitung: Verdichtung von Daten, Interpolation, Regression

Überwachung: Grenzwertkontrolle, Ablaufkontrolle, Materialverfolgung

Protokollierung: Speicherung der Daten, Tabellen, Diagramme

Steuerung und Regelung: Digitale Regelung nach Regelalgorithmus, Sollwert-Vorgabe

Führungsaufgaben: Anwendung globaler Regelungsmodelle, Optimierungsstrategien

Bild 1-57: Prozessperipherie (Ak_0077)

Prozessrechner

Sensorik

(Einteilung nach Wirkprinzip)

Aktorik

Elektrisch

Schalter

Taster

Induktive Sensoren

Kapazitive Sensoren

Dehnungsmessstreifen

Mechanisch

Schalter

Taster

Optisch

Punktsensor (Lichtschranke)

Zeilenkamera

Flächenkamera

Thermoelement, -kamera

Akustisch

Mikrofon

Pneumatisch

Magnetisch

Relais

Ein / Aus

Motor

Position

Geschwindigkeit

Ventil

Druck

Kraft

Prozess



Bild 1-58: Gegenüberstellung von Steuerkette und Regelkreis nach Weck (42352)

1.11.2 Sensorik an Werkzeugmaschinen

Messwerterfassung

Beim direkten Messverfahren wird die Schlittenposition unmittelbar vom Messsystem mit einem Maß-

stab erfasst. Das indirekte Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schlittenposition über

eine mechanische Umwandlung ermittelt wird. Der Vorteil direkter Messverfahren ist, dass die nach-

folgende Mechanik keinen Einfluss auf die Messwerterfassung hat. Nachteilig ist der Aufwand zur

Abschirmung gegen Schmutz und Temperatureinflüsse (Bild 1-59).

Bild 1-59: Direkte und indirekte Wegmesssysteme (62053) [Tönshoff]

Motor

Motor

Schlitten

Schlitten

Vorschubspindel

Vorschubspindel

Direkte Lageerfassung

Indirekte Lageerfassung

Winkel-

aufnehmer

AufnehmerMaßstab

(fest)

M

M



Bild 1-60: Analoge und digitale Wegaufnehmer (62054) [Tönshoff]

Analoge Messwerterfassungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in jedem Fall absolut messen

(jedem Wert einer Messgröße ist ein bestimmter Messwert zugeordnet). Im Werkzeugmaschinenbau

spielt dieses Messverfahren keine Rolle mehr, da es von der digitalen Messerfassung abgelöst wurde

(Bild 1-60). Die Messgröße wird dabei durch elementares Abzählen vorgegebener Inkremente aus-

gewertet. Das digitale Messverfahren kann absolut oder relativ (inkremental) erfolgen (Bild 1-61).

Bild 1-61: Inkrementale und absolute Wegmessung (62067)

Analog

(z.B. Potentiometer)

Digital

(z.B. Strichmaßstab)

Weg x Fotozelle Strichmaßstab

Spannung

Weg xWeg x

Weg x

Foto-

spannung

Weg x

Spannung

Foto

-

Spannung

Zähle

r-

sta

nd

SchlittenImpuls-

zähler

0 5 10 15 20 25

20

21

22

23

24

0 1 0 1 1

Maßstab

mit Klartext

maschinell lesbar

codierter Maßstab

Abtasteinheit

Decodierer

TT

0 4 2 1 7

Abtasteinheit

Zähler

inkrementaler

Maßstab

Weginkrement

inkremental absolut



Vorteile der absoluten Messwerterfassung gegenüber der inkrementalen Erfassung:

Jeder Messwert ist auf einen festgelegten Nullpunkt bezogen und direkt ablesbar; kummulative Mess-

fehler bzw. Kettenmessfehler treten nicht auf.

Der richtige Messwert bleibt auch nach einer Störung (z. B. Spannungsaufall) ohne besonderen Hilfs-

maßnahmen erhalten.

Nachteilig ist, dass wenn eine hohe Messgenauigkeit über größere Messbereiche verlangt wird, der

Aufwand durch die große Anzahl erforderlicher Codespuren sehr hoch ist.

Positionserfassung / Fehlerquellen

Kinematische Fehler (bei Drehgebern)

Kinematische Fehler der Positionserfassung über Spindel und Drehgeber entstehen im wesentli-

chen durch Steigungsfehler der Kugelgewindespindel. Sie wirken sich direkt auf das Messergeb-

nis aus, weil die Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs als Maßverkörperung für die Längen-

messung genutzt wird.

Umkehrfehler

Umkehrfehler treten beim Positionieren aus unterschiedlichen Richtungen auf. Ihre Ursachen sind

Lose und Elastizitäten in Verbindung mit Reibungskräften. Aber auch der sogenannte Steigungs-

verlust infolge einer Verlagerung der Kugeln beim Anfahren von Kugelgewindetrieben mit Vor-

spannung kann zu Umkehrfehlern führen.

Verformung der Vorschubmechanik durch Kräfte

Kräfte, die zur Verformung der Vorschubmechanik führen, sind im wesentlichen Massenkräfte

beim Beschleunigen des Schlittens, Prozesskräfte der Zerspanung und Reibungskräfte in den

Führungen. Sie bewirken eine Verschiebung der tatsächlichen Achsschlitten-Position gegenüber

der mit Spindel und Drehgeber erfassten Position.

- Beschleunigungskräfte

In Verbindung mit der Schlittenmasse und der Beschleunigung ergeben sich Verformungen,

die vom Spindel/Drehgeber-System nicht erkannt werden können. Da der allgemeine Trend

der möglichen Beschleunigungen in deutlich höhere Bereiche geht, werden hier zunehmend

große Verformungen auftreten.

- Prozesskräfte

Die Schnittkräfte wirken nicht nur auf das Vorschubsystem, sondern auf die gesamte Struktur

der Maschine zwischen Werkstück und Werkzeug. Die Verformung des Vorschubsystems hat

somit an der Gesamtverformung der Maschine in der Regel nur einen geringen Anteil. Mit ei-

nem Längenmesssystem kann dementsprechend maximal dieser geringe Anteil erkannt und

ausgeregelt werden.

- Reibungskräfte

Die Reibungskräfte in den Führungen liegen je nach Art der Lagerung zwischen 1 bis 2 % der

Normalkraft für Rollenführungen und 3 bis 12 % der Normalkraft für Gleitführungen.

In der Kugelgewindemutter wird in der Regel der größte Teil der Reibung eines Vorschubsys-

tems erzeugt. Die Ursache hierfür liegt in der komplexen Kinematik einer Kugelgewindemutter.

Entgegen der auf den ersten Blick rollenden Bewegung der Kugeln tritt in Kugelgewindetrie-

ben ein erheblicher Anteil an Gleitreibung auf. Neben dem Mikroschlupf infolge von Relativ-

bewegungen in den eingedrückten Kontaktbereichen tritt vor allem Makroschlupf infolge kine-

matischer Zwangsbedingungen auf. Die Kugeln sind in den Gewindegängen nicht vollständig

geführt und taumeln deshalb wie „Tennisbälle in der Regenrinne“. Ein ständiges Drängeln und

Schieben mit zeitweisem Rutschen der Kugeln ist die Folge. Die Reibung zwischen den Ku-

geln ist durch die hohe Flächenpressung infolge des fehlenden Trennkäfigs beträchtlich. Wie

in jedem Schrägkugellager tritt Bohrreibung wegen des nicht orthogonal zur Drehachse der

Kugeln stehenden Berührungsdurchmessers auf. Jede Kugel dreht sich deshalb um den Be-

rührungsdurchmesser. Neuere Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass die Bewegung



der Kugeln im Gewinde nur durch einen von der Gewindesteigung verursachten zusätzlichen

Gleitanteil möglich ist.

Das Rückführsystem ist eine besondere Problemzone von Kugelgewindetrieben. Bei jedem

Eintritt in das Rückführsystem wird ebenso wie beim Austritt die Bewegung der Kugel voll-

ständig verändert. Unter anderem muss die Rotationsenergie der Kugel jeweils auf- und ab-

gebaut werden. Im Gegensatz zum vorgespannten Gewindebereich stehen die Kugeln in der

Rückführung nicht unter Vorspannung. Aus energetischen Gründen ist das Rückführsystem

deshalb ein bevorzugter Aufenthaltsort für die Kugeln. Ohne Maßnahmen zum Wiedereinfüh-

ren der Kugeln in das Gewinde am Ende des Rückführsystems entsteht ein Stau im

Rückführsystem, der zum Klemmen des Kugelgewindetriebs führen kann.

Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Spindel

Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Kugelgewindespindel stellen das größte Problem

der Positionserfassung über Spindel und Drehgeber dar. Ihre Ursache liegt in der Doppelfunktion

des Kugelgewindetriebs, der einerseits die Drehbewegung des Servomotors möglichst steif in eine

lineare Vorschubbewegung umsetzen soll, andererseits aber auch als präzise Maßverkörperung

dienen muss. Diese Doppelfunktion stellt einen problematischen Kompromiss dar, weil sowohl die

Steifigkeit als auch die Erwärmung von der Vorspannung der Kugelgewindemutter und der Festla-

ger abhängen. In erster Näherung ist die axiale Steifigkeit der Kugelgewindemutter ebenso wie ihr

Reibmoment der Vorspannung proportional.

Mögliche Gegenmaßnahmen:

Fehlerkompensation

Die Kompensation von Steigungsfehlern und Umkehrspannen ist mit den meisten Steuerungen mög-

lich. Zur Bestimmung der Kompensationswerte sind jedoch aufwendige Messungen mit externen

Messgeräten wie Interferometern und Kreuzgitter-Messgeräten nötig. Zudem sind die Umkehrspannen

oft nicht über längere Zeiträume stabil und müssen deshalb entsprechend nachkalibriert werden. Die

Ursachen dieser Instabilität sind unter anderem Einlaufvorgänge der Kugelgewindetriebe und Verän-

derungen der Reibkräfte in den Führungen. Zahnriementriebe können ebenfalls im Laufe der Zeit

deutliche Positionierfehler verursachen.

Maßnahmen gegen Positionierfehler infolge von Erwärmung

Als Maßnahmen gegen die Positionierfehler infolge der Erwärmung der Kugelgewindespindel werden

verschiedene Verfahren angewendet bzw. diskutiert.

Von verschiedenen Herstellern werden hohlgebohrte Kugelgewindespindeln angeboten, die mit einem

Kühlmedium durchströmt werden können. Der Kreislauf des Kühlmediums erfordert bei der üblicher-

weise rotierenden Spindel Drehdurchführungen in der Nähe der Spindellager. Abgesehen von den

Dichtungsproblemen setzt dieses Verfahren ein in der Regel nicht vorhandenes, genau temperiertes

Kühlmedium voraus. Zudem wird die mechanische Steifigkeit der Kugelgewindespindel insbesondere

in Zug/Druck-Richtung reduziert. Der Aufwand dieser Methode dürfte deutlich höher sein, als der für

den Einsatz von Längenmesssystemen erforderliche.

Die Kompensation thermischer Verformungen mit Hilfe von analytischen Modellen, neuronalen Netzen

und empirischen Gleichungen wird derzeit vielfach untersucht. Das Interesse gilt hierbei jedoch meist

den vom Hauptspindelantrieb verursachten Wärmedehnungen.

Zur Kompensation der Dehnung der Kugelgewindespindeln muss deren Temperatur in Abhängigkeit

von der Position bekannt sein, weil je nach Verfahrprogramm lokale Erwärmungen auftreten. Die di-

rekte Temperaturmessung der rotierenden Kugelgewindespindel ist jedoch sehr aufwendig. Rück-

schlüsse von der Temperatur der Spindelmutter bzw. der Lagertemperatur auf die Dehnung der Spin-

del sind nur begrenzt möglich, weil sich unter anderem die Eingangsparameter solcher Rechenmodel-

le im Laufe der Zeit ändern. Der Einsatz einer beidseitig festen Lagerung der Kugelgewindespindel

erhöht zwar die axiale Steifigkeit der Vorschubmechanik beträchtlich, kann jedoch das thermische

Wachsen der Kugelgewindespindel kaum verhindern. Bei einem Durchmesser der Kugelgewindespin-

del von 40 mm müssten zur Unterdrückung der thermischen Dehnung ca. 2,6 kN/K von den Lagern

aufgenommen werden. Für eine übliche Erwärmung um mehr als 10 K bedeutet dies Lagerkräfte von

mehr als 26 kN, die ohne Verformung aufgenommen werden müssten.



1.12 Literatur

Braasch, J. Positionserfassung an Werkzeugmaschinen: per Längenmesssys-

tem oder Kugelgewindespindeln mit Drehgebern ?.

http://www.heidenhain.de/dt/artikel/a2/a2_0.htm, 1999

Golz, H. U.; Analyse,Modellbildung und Optimierung des Betriebsverhaltens von

Kugelgewindetrieben, Dissertation Uni Karlsruhe, 1990

Heinemann, G., Papiernik, W. Hochdynamische Vorschubantriebe mit Linearmotoren. VDI-Z Spe-

cial Antriebstechnik April 1998, S. 26-34

N. N. VDW-Bericht 0153, „Untersuchung von Wälzführungen zur Verbes-

serung des statischen und dynamischen Verhaltens von Werkzeug-

maschinen“

Schmitt, Th. Modell der Wärmeübertragungsvorgänge in der mechanischen

Struktur von CNC-gesteuerten Vorschubsystemen,Verlag Shaker,

1996

Schröder, W. Feinpositionierung mit Kugelgewindetrieben, Fortschrittsbericht VDI

Reihe 1 Nr. 277, Düsseldorf: VDI Verlag 1997

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Skript Fertigungstechnologie, 5. Semester · 1.9.2 Anforderungen an...

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