Rolf Gerhardt, Sieb & Meyer

Rolf Gerhardt, Sieb & Meyer

 

Wahre Tausendsassas müssen Antriebe für Werkzeugmaschinen sein. Mehrere Antriebstechnik-Experten berichteten kürzlich auf einer Tagung unter anderem über intelligente Antriebe, Frequenzumrichter für extrem schnelle Spindeln und schließlich einen ruckentkoppelten Achsverbund.Zu den Pflichtveranstaltungen für Konstrukteure und Entwickler zählt die Tagung „Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen“, die das renommierte Werkzeugmaschenlabor WZL (RWTH Aachen) Ende 2009 unter Leitung von Oberingenieur Wieland Klein veranstaltet hat. antriebspraxis konzentrierte sich auf den Themenschwerpunkt „Antriebe und Umrichter“.

Rolf Gerhardt, Sieb & Meyer

Mit einem Totalschaden warb Dipl.-Ing. Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer aus Lüneburg, für den Einsatz von Frequenzumrichtern bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Das präsentierte Foto zeigte ein Antriebselement mit Rotorschaden, der offensichtlich durch extreme Überhitzung entstand. Der Grund: Ein Hochgeschwindigkeitsmotor erzeugt seine Leistung nicht durch das Moment, sondern durch die Drehzahl. Daher nimmt das Rotorvolumen beispielsweise bei zehnfacher Drehzahl um 90 Prozent ab. Entsprechend nimmt auch die für das Abstrahlen von Wärme zur Verfügung stehende Fläche ab. Hinzu kommt, dass bei den höheren Drehzahlen auch die Qualität des Motorphasenstroms sich stärker auf die Verluste auswirkt. So sorgen Oberwellen für Verluste, von denen laut Gerhardt rund 90 % direkt auf den Rotor einwirken und ihn erhitzen.

Als Lösung kommt beispielsweise der Direktanschluss eines Frequenzumrichters (FU) direkt an die Hochgeschwindigkeitsspindel infrage. Das Erhöhen der Schaltfrequenz wirkt sich auf den Wirbelstrom aus und senkt Gerhardt zufolge in manchen Fällen die Verluste. Im Hochgeschwindigkeitsbereich komme dagegen meist eine Kombination von FU mit Vorschaltdrossel zum Einsatz, die allerdings nicht nur Verluste, sondern auch die Leistung vor allem im höheren Drehzahlbereich verringere. Es eignen sich auch vorgeschaltete LC-Filter, die ebenfalls für Leistungseinbußen sorgen. Gerhardt: „Diesen Lösungsansatz favorisiere ich nicht wegen der Gefahr von Resonanzeffekten.“  

Kondensator als Energiespeicher
Sieb & Meyer hat nichts gegen diese Effekte, denn die Norddeutschen setzen sie sogar gezielt beim geregelten LC-Filter des Typs FC 71 ein, der für eine Leistungsüberhöhung sorgen soll. Dieser Filter misst die sich verändernden Kondensatorströme und regelt dann innerhalb von wenigen Millisekunden nach. Der Kondensator wirkt dabei in der Entlastungsphase als Energiespeicher. „Wir können mit dieser Technik an einem 400-Volt-Anschluss bis zu 560 V erzeugen“, rechnete der Fachmann vor. Das Airbus-Werk in Varel verwendet diese Technik beispielsweise in einem Bearbeitungszentrum.

Für extrem schnell drehende Spindeln kommt dagegen vor allem die Puls-Amplituden-Modulation über Frequenzumrichter etwa des Typs FC 2 infrage, die selbst bei Drehzahlen von 300 000 bis 500 000 U/min systembedingt die Anzahl an hochfrequenten Oberwellen senken. Als Vorteil sieht der Sieb&Meyer-Diplomingenieur an, dass sich Asychron- und Synchromotoren nun ohne leistungsmindernde Drosseln betreiben lassen.

Für Intelligenz vor Ort sprach sich Dipl.-Ing. HTL Jan Braun aus. Der technische Ausbilder von Maxon Motor aus Sachseln (Schweiz) meinte damit nicht nur die Mitarbeiter, sondern auch kompakte Kleinantriebe. Die Rede war beispielsweise von der Baureihe MCD (maxon compact drive), die sich direkt an den CAN-Feldbus anschließen lässt. Es handelt sich dabei um einen EC-Motor mit integriertem Integral-Encoder und einer Positioniersteuerung des Typs EPOS mit digitalem Signalprozessor. Das System ist ausgelegt für Pulsweitenmodulation (zum Beispiel für 50 kHz).

Der Antrieb beherrscht beide Spielarten eines typischen digitalen Netzwerkes: Es gibt daher sowohl ein Slave-, als auch eine Master-Version. Beispiel Baureihe MCD EPOS (P) 60 W: Der Motor erzeugt ein maximales Drehmoment von 54mNm und eine durch den Encoder begrenzte Drehzahl von 12 000 U/min. Dank der integrierten Intelligenz kann der Antrieb Strom, Drehzahl und Position regeln. Im Master-Betrieb kann der Antrieb im Prinzip wie eine Mini-SPS fungieren, um über CANopen-Schnittstellen weitere Slaves zu steuern oder zu regeln.

Auf die Frage, was für die dezentrale Intelligenz spreche, antwortet Braun: „Es handelt sich um ein vorkonfiguriertes Antriebssystem, das für eine schnelle sichere Auswahl sorgt und Konfigurationsfehler verhindert.“ Der Kompaktantrieb senke außerdem die Kosten unter anderem wegen des Wegfalls der Verkabelung und er erleichtere die Installation (plug-and-play). Es entfielen außerdem Verdrahtungsfehler und es sinke die EMV-Gefahr. Zudem sei ein Schaltschrank nun überflüssig. Als einzigen Nachteil nannte der Schweizer, dass die Antriebe nun größer und schwerer ausfallen würden.

Dirk Friedrich, WZL der RWTH Aachen

Über Erfahrungen mit einem ruckentkoppelten Achsverbund berichtete der wissenschaftliche WZL-Mitarbeiter Dipl.-Ing. Dirk Friedrich. Bei einem ruck- oder impulsentkoppelten System ist das Sekundärteil des Motors in Vorschubrichtung beweglich gelagert. Die Beschleunigung des Primärteils wirkt in entgegen gesetzter Richtung auch auf das Sekundärteil. Friedrich: „Es lassen sich die in das Gestell eingeleiteten Schwingungen signifikant reduzieren.“ Das Antriebskonzept lässt sich bei Handhabungssystemen (bis 30g) und bei allen Anwendungen mit kleinen Prozessfenstern einsetzen. Es benötigt allerdings ein zweites preiswertes Messsystem für die Motorkommutierung und eine Rückstellfeder zum passiven Ausgleich von Reibung und Prozesskräften.

Die Aachener Forscher entwickelten das System zusammen mit einem Industriepartner weiter: Zum temperaturstabilen Einsatz kommt nun ein aktiver Dämpfer mit adaptiven Dämpfungseigenschaften. Außerdem integrierten sie die beiden Messsysteme (für Kommutierung und Positionsregelung) in die Y-Achse.
Das WZL nahm das verbesserte Prinzip beispielsweise bei der kleinen Werkzeugmaschine MiniMill (Steuerung: Siemens 840D) unter die Lupe (Bearbeitungsraum 200 mm x 200 mm x 100 mm), die Werkstücke mit einer Hochfrequenzspindel (60 000 bis 160 000 U/min), einem Vorschub von mehr als 100 mm/s und einer Beschleunigung von mehr als 1,5 g in allen Richtungen bearbeitet. Dank der Ruckentkopplung liegt die Genauigkeit trotz der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei weniger als ± 0,5 µm pro Achse.  

Wichtige Erkenntniss der Untersuchungen: Anwender sollten die Rückwirkung zwischen Primär- und Sekundärschlitten (X- und Y-Achse) innerhalb der Regelungsbandbreite kritisch beobachten und den Einfluss der Massenverhältnisse genau betrachten. Der positive Aspekt: Die Störübertragung von ruckentkoppelten, gestapelten Achsen geht signifikant zurück.

David Franck, Inst. f. elektr. Maschinen, RWTH Aachen

Störgrößen anderer Art  behandelte David Franck, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für elektrische Maschinen der RWTH Aachen. Es ging um elektromagnetisch angeregte Geräuschabstrahlung in der Antriebstechnik. Vor allem elektrische Antriebe erzeugen eine laut Frank „stark tonale akustische Abstrahlung“. Ein Ansatz: Die Wissenschaftler bestimmen die Amplituden sehr genau mit Hilfe von FEM, um dann mit Hilfe der rückführenden Faltung die FEM-Resultate zu zerlegen. Es folgt eine statistische Versuchsplanung, um die Ursachen für die akustischen Störungen zu ermitteln.