Das Vorschubsystem - iwf.tu-berlin.de · rechnen, die im Kraftfluss zwischen Motor und Werkzeug bzw. Werkstück liegen. Werkstück liegen. Neben den Komponenten zur Wandlung von Rotationsbewegung

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Das Vorschubsystem WS 2008/09 – Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 7

Das Vorschubsystem

7. Vorlesung

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Inhalt der Vorlesung

• Einleitung

• Grundlagen

• Gewindetriebe

• Linearantriebe

• Dimensionierung

• aktuelles Forschungsthema

Einleitung Grundlagen Gewindetrieb Linearantrieb Dimensionierung Trends

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Vorschubbewegung beim Drehen

Definition der Vorschubbewegung

Die Vorschubbewegung ist die Bewegung zwischen Werkzeugschneideund Werkstück (Wirkpaar), die zusammen mit der Schnittbewegung eine mehrmalige oder stetige Spanabnahme während mehrerer Umdrehungen oder Hübe ermöglicht. Sie kann daher stetig oder schrittweise vor sich gehen.

Wirkbewegung Schnittbewegung

Vorschubbewegung

Werkstück

Drehwerkzeug

VCVe

Vf

ve= Wirkgeschwindigkeit [m/min]vc= Schnittgeschwindigkeit [m/min]vf= Vorschubgeschwindigkeit [m/min]

Quelle: DIN 6580


Werkzeug

Werkstück

Vorschubbewegung beim Fräsen

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Anforderungen an Vorschubantriebe


• Vorschubantriebe müssen genügend große Momente aufbringen, um Schnittkräfte, Reibung und Trägheit zu überwinden

• hohe Drehzahlsteifigkeit (Drehzahl soll unabhängig vom Belastungsmoment sein)

• geringe Geräuschentwicklung

• Spielfreiheit und Reibungsarmut

• Ruckfreiheit bei kleinen Geschwindigkeiten

• hohe statische und dynamische Steifigkeit

• unempfindlich gegenüber jegliche Störgrößen und Verlagerungen

Jahr 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 2007Verfahrgeschwindigkeit [m/min] 2,5 4 6 10 20 40 60 300

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Aufbau von Vorschubantrieben

Ein Vorschubantrieb besteht aus:

• Motor,

• Getriebe,

• Messsystem sowie

• Übertragungselemente (Führung, Riemen, Kugelgewindespindel, etc.).

Quelle: Conrad, K.-J.: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen

Lage-regler

Leistungs-verstärker Motor Getriebe Wegmess-

system

Lage-sollwert

-+Spindel-Mutter

SchlittenEnergie

Lageistwert

Einleitung Motor Getriebe Messsystem Ü-Elemente Dimensionierung

Regelung und Elemente eines Vorschubsystems

Fräsmaschine

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Motoren für Vorschubsysteme

Motoren für Vorschubsysteme

Elektrische Motoren

lineareelektrische Motoren

rotatorischeelektrische Motoren

synchronerLinearmotor

asynchronerLinearmotor

Gleichstrommotor Synchronmotor Asynchronmotor

Schrittmotor

VL 6


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SchrittmotorEin Schrittmotor ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) durch ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld der Statorspulen (nicht drehbarer Motorteil) um einen minimalen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann.

Schema eines Schrittmotors –in 4 Schritten eine UmdrehungExplosionsmodell eines Fünf-Phasen-Schrittmotors mit Encoder

Bild: Firma Berger Lahr


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• charakteristische Verhalten der Schrittmotoren ist das Drehen der Motorwelle in diskreten Schritten

• Ständerwicklungen das einen rechtförmigen Stromverlauf im zyklischen Wechsel speist und ein umlaufendes Magnetfeld ausbildet

• Rotor folgt diesem Feld in seine neue Lage und führt somit einen direkten Winkelschritt aus

• schnelles und schrittgenaues Positionieren ohne Rückmeldung der Rotorlage, d. h. es ist prinzipiell kein Regelkreis mit aufwändigem Messsystem erforderlich.


Bild: Firma Berger Lahr

Merkmale eines Schrittmotors

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Einteilung von Linearmotoren

Quelle : Krauss-Maffei


Wirkungsweise

• Synchron

• Asynchron

• Bürstenkommutiert

• Reluktanz

Einteilung von Linearmotoren nach …

Bauformen

• Solenoid

• Einzelkamm

• Doppelkamm

Fahrweg

• Kurzstator (Primärteil kürzer als Sekundärteil)

• Langstator(Sekundärteil kürzer als Primärteil)

konventioneller rotatorischer Motor

LinearmotorAbwicklung von Ständer und Läufer

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Solenoidmotor(zylindrisch)

Einzelkammlinearmotor

Primärteil mit Drehstromwicklung

Sekundärteil mit Kurschlusskäfig

lineares Wegmesssystem

lineare Wälzlagerung

Primärteil mit Drehstromwicklung

Sekundärteil mit Kurschlusskäfig

lineares Wegmesssystem

Führungssystem

Maschinenschlitten


Prinzipieller Aufbau eines Linearmotors


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Aufbau einer Vorschubachse mit einem Linearmotor

Rollenumlauf-einheit

Primärteil

SekundärteilMaschinenbett

Lesekopf des Messsystems

aufgeklebtes Maßband


Vorschubachse mit Linearmotor

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Hohe Dynamik

• gute Dämpfung

• kurze Einschwingzeit

Positionier-genauigkeit

• bis 0,1 μm

Baugröße

• beliebig lange Verfahrwege realisierbar

Hoher Gleichlauf

• einfache Regelbarkeit

Flexibilität

• mehrere unabhängige Läufer auf 1 Achse

Montagefreundlich

• geringe Bauteilanzahl

Spielfrei

• kein Übersteuern

Verschleißfrei

• berührungsloserAntrieb

Schnelligkeit

• hohe Geschwindigkeit (300m/min)

• hohe Beschleunigung ( bis 10 g)

Linearmotor vereint …

Vorteile des Linearmotors



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Vor- und Nachteile eines Linearmotors

Vorteile

• hohes Beschleunigungsvermögen (bis 10 g)

• hohe Verfahrgeschwindigkeit (bis 300 m/min)

• beliebig große Verfahrwege

• hohe Positioniergenauigkeit (bis 0,1 µm)

• hohe Vorschubkräfte (bis 20 kN)

• keine mechanischen Übertragungselemente notwendig

• kein Verschleiß der Motorelemente(berührungslose Kraftübertragung)

Nachteile

• geringer Wirkungsgrad bzw. hohe Verlustleistungführt zu erheblicher Wärmeentwicklung mitten inder Maschinenstruktur

• Kraftübersetzung nicht möglich, die erzeugbareKraft hängt nur vom verwendeten Motor ab

• hohe magnetische Anziehungskräfte müssen vonSchlitten und Führung aufgenommen werden


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Einsatzmöglichkeit in Vorschubantrieben mit zylindrischen Linearantrieben

Kardanantriebe

Endeffektor

Steward-Plattform

ZylindrischerLineardirektantrieb

• 6 Lineardirektantriebe: je 230 W

• TCP-Geschwindigkeit: ca. 100 m/min

• Masse der bewegten Elemente: <20 kg

• Beschleunigung: 20 m/s2

Quelle: parallelkinematischer Prototyp der Universität Hannover, IFW


TCPTool Center Point

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Getriebearten für Vorschubantriebe I

Antrieb

Abtrieb

Stirnrad-getriebe

AbtriebAntrieb

Schnecken-getriebe

Planeten-getriebe


2-Gang-Schaltgetriebe

Planetengetriebe

Schneckengetriebe

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Getriebearten für Vorschubantriebe II

Antrieb

AntriebKurven-Scheiben-getriebe

HarmonicDrive-Getriebe

Abtrieb

Abtrieb

Elastischverformt


Kurvenscheiben Schrittgetriebe

Harmonic Drive Einheit

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Definition Wegmesssysteme für VorschubantriebeDie Wegmesssysteme bei Werkzeugmaschinen dienen dazu, eine als analoge geometrische Größe vorgegebene Strecke zu erfassen und sie als digitalen Positions-wert zur Verfügung zu stellen. Sie sind wesentliche Bestandteile des Lageregelkreises und bestimmen über ihre Genauigkeit mit die Fertigungsqualität einer Maschine.

Optische Absolute Winkelcodierer,Firma INDUcoder

Motor

Werkzeugschlitten

Drehaufnehmer

Antriebs- undMessspindel


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Wegmesssysteme für Vorschubantriebe


Messwert-erfassung

Wahl desBezugssystems

Messsystem

Messmethode

analog digital

absolutabsolutrelativ relativ

auch: zyklischabsolut auch: inkrementalauch: codiert

direkt/translat.

Schiebe-potentio-

meter

Dreh-potentio-

meter

Inducto-syn

Dreh-melder,auch:

Resolver

Code-maß-stab

Winkel-codierer

Strich-maßstab,Interfero-

meter

Winkel-schritt-geber

indirekt/rotator.

indirekt/rotator.

indirekt/rotator.

indirekt/rotator.

direkt/translat.

direkt/translat.

direkt/translat.

Messverfahren

Drehpotentiometer Winkelschrittgeber

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Übertragungselemente für Vorschubantriebe

Zu den mechanischen Komponenten sind alle Bauteile eines Vorschubantriebes zurechnen, die im Kraftfluss zwischen Motor und Werkzeug bzw. Werkstück liegen. Neben den Komponenten zur Wandlung von Rotationsbewegung in Translations-bewegung wie Kugelgewindetriebe sind dies Vorschubgetriebe, Kraftübertragungs-komponenten und Kupplungen.

Kugelgewindetrieb mit angetriebener Mutter, Quelle: Firma Bosch Rexroth GmbH


Kugelgewindespindel

angetriebene Mutter

Antrieb

Riemen

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Spindel-Mutter-Systeme für den Werkzeug-maschinentisch

Kugelrollspindel mit angetriebener Spindel

Kugelrollspindel mit angetriebener Mutter

Messsystem

Motor

Führung

Mutter SpindelRiemenantrieb

Riemenantrieb

Motor Messsystem

Mutter

SpindelFührung

Kugelgewindetriebe mit angetriebener Mutter,Quelle: Bosch Rexroth GmbH

Kugelgewindetriebe mit angetriebener Spindel,Quelle: Bosch Rexroth GmbH


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Kugelgewindetrieb

Quelle: DIN 69051 Teil 1


Kugelgewindetrieb Bild: THK GmbH

Definition

Der Kugelgewindetrieb ist die Gesamtheit eines Wälzschraubantriebes mit Kugel als Wälzkörper. Er dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt.

Kugel

Kugelgewindespindel

Kugelgewindemutter

Vorschubachse mit Kugel-gewindetriebSpindel unter Zugspannung

( O-Anordnung)Spindel unter Druckspannung

(X-Anordnung)

Erzeugung der Vorspannung durch Distanzscheiben

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Ausführungsformen von Kugelgewindemuttern

Quelle : Katalog, NSK Precision Europe GmbH

Umlenkstücksystem

Umlenkrohrsystem

Umlenkrohr

Mutter

Spindel

Spindel

Mutter

Kugeln


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Kugelgewindetriebe in einer Drehmaschine


Kugelgewindetriebe

Kugelgewindetriebe

Bild: Bosch Rexroth AG

Reitstock

Werkzeugschlitten

Spindelstock

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Präzisions-Trapezgewindetrieb


Trapezgewindetriebe eignen sich als preisgünstige Lösung für konstruktive Aufgaben im Bereich:

• des Spannens,

• Positionierens und

• der Vorschubbewegungen.

Trapezgewindemutter

Trapezgewindespindel Trapezgewindetriebe

Klassische Bauform

HydrostatischeBauform

Bauformen des Trapezgewindetriebes

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Trapezgewindespindel mit hydrostatischer Spindelmutter


Hydrostatische Gewindetrieb

Technische Besonderheiten:• hochgenaue Übertragung der Rotation in lineare Bewegung z. B. für Vorschubantriebe

• zwischen Hydrostatiktaschen schwebend gelagerte Mutter ohne Kugeln

• integrierte Mengenregelung nur durch den Taschendruck, keinerlei elektronische Zusatzregelungerforderlich, nur ein Hydraulikanschluss

• Spindelenden werden nach Kundenwunsch ausgeführt

Quelle: Firma HYPROSTATIK Schönfeld GmbH

Drucköl

RückölVorwiderstände

Öltaschen

Prinzip einer hydrostatischen Spindelmutter

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Vergleich Kugelgewindetrieb und Trapezgewindetrieb

Quelle : Abschlussbericht Verbundprojekt DYNAMIL, Herhausgeber Hüller Hiller GmbH

Kugelgewindetrieb (KGT)

Vorteile• höhere Verfahrgeschwindigkeit

• höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit infolge Spielfreiheit und ausreichender Federsteifigkeit

• geringe Erwärmung

• geringer Verschleiß und dadurch bedingteine hohe Lebensdauer

• kein Stick-Slip-Effekt

Nachteile• geringe Systemdämpfung

• teurer als Trapezgewindetriebe

Klassische Trapezgewindetrieb (TGT)

Vorteile• höhere Dämpfung

• keine Vibration durch Kugelumlenkungen

• geringe Geräuschentwicklung

• geringes Gewicht: weniger Massen müssenbewegt werden

• selbsthemmend

• erhebliche Kosteneinsparung

Nachteile• geringer Wirkungsgrad als Kugelgewindetriebe(mech. Wirkungsgrad: KGT 98%, TGT 48%)

• geringe Positioniergenauigkeit


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Vergleich Kugelgewindetrieb und LinearmotorKugelgewindetrieb

Vorteile• robuste und einfache Bauweise

• einfache Steuerung

• geringere Kosten

• Änderung der Kraftübersetzung

Nachteile• relativ hohe Massenträgheitsmomente

• eingeschränkte Drehzahlen

• begrenzte axiale Last

Linearmotor

Vorteile• schnelle Reaktionszeit

• hohe Geschwindigkeiten

• präzise Positionierung

• Linearmotor arbeitet verschleißfrei

Nachteile• komplexer Aufbau hohe Kosten

• Bauraum und Eigengewicht im Vergleichgroß

• gute Abdeckung gegen ferromagnetischeSpäne notwendig


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Geräuschverhalten von Linearmotor, Kugel- und Trapezgewindetriebe

90

85

80

75

70

65

60

Ger

äusc

hpeg

el [d

B(A

)](M

essa

bsta

nd 1

m)

5200

10400

20800

301200

401600

502000

602400

753000

Verfahrgeschwindigkeit [m/min] bzw. [U/min]

Trapezgewindebetrieb

Kugelgewindetrieb

Linearmotor



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Vergleich des Beschleunigungsvermögens von Linear-motor und Kugelgewindetrieb

80

70

60

50

40

30

0

Bes

chle

unig

ung

[m/s

2 ]

0 50 100 200 250 300 400 500150 350 kg

100

m/s2

10

Linear bewegte Masse mges [kg]

Linearmotor

Kugelgewindebetrieb

Fschub1 = 8000 N

Fschub2 = 8000 N

h1 = 40 mm

h2 = 20 mm

20



LinearmotorBerechnung der Beschleunigung durch die Schubkraft a=Fschub / mgesmit mges = mTisch + mMotor + mWerkstück

KugelgewindetriebÜberschlägig Berechnung der Be-schleunigung bei zwei unterschiedlichen Spindelsteigerungen unter folgenden Rand-bedingungen

dSpindel = 40 mm

Lspindel = 1000 mm

MNenn = 28 Nm

JMotor = 0.017 kgm2

MMotor, max = 3 x MNenn

mges = mTisch + mWerkstück

Steigung h1 und h2Reibungsverluste unberücksichtigt

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Kenngrößen der Dimensionierung von Vorschubantrieben

Dimensionierung

Dynamische Kenngrößen

• Einschwingverhalten

• Geschwindigkeitsverstärkung

• Nennbeschleunigung

• Maximalbeschleunigung

• Störverhalten

Statische Kenngrößen

• Eilgangsgeschwindigkeit

• Positioniergenauigkeit

• Drehzahlstellbereich

• Dauerdrehmoment

Verfahrgeschwindigkeit

Bearbeitungskräfte

Positioniergenauigkeit

Positionierverhalten

Geschwindigkeitsverstärkung

Zeitkonstanten des Lagereglers


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Vorgehensweise bei der Gestaltung und Dimensionierung von Vorschubantrieben

Quelle : Dissertation‚TU Dresden, Arndt, H.:

Auslegung und Bewertung von Vorschubantrieben mit

Spindel-Mutter-Systemen


Konzeptauswahl• Auswahl des zweckmäßigen

Vorschubkonzeptes

Dimensionierung• Auslegung der Komponenten• Gestaltung der Fertigungsteile

Gestaltung• Anordnung• Auswahl der Baugruppen

Aufgabenstellung

Inbetriebnahme• Funktionsprüfung• Prüfung der geforderten

Eigenschaften• allgemeine Prüfungen

hinsichtlich Betriebssicherheit

Aufgabenstellung• Bauteile• Entwicklungsaufwand• Fertigungskosten• Montagekosten

erreichbare Parameter• Wege• Geschwindigkeiten• Kräfte• Genauigkeit

Randbedingungen• technische und technologische

Vorgaben und Grenzen• räumliche Gegebenheiten• wirtschaftliche Grenzen• Umgebungs- und Einsatzbedingungen

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Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugel-gewindetriebes

Quelle : NSK Precision Europe GmbH

AuswahlkriterienWelche Positioniergenauigkeit muss erreicht werden?

Welche Verfahrgeschwindigkeit soll erreicht werden?

Welche Lebensdauer soll erreicht werden?

Berechnung• Lebensdauer

• statische Steifigkeit

• Ausknickungssicherheit

• Maximaldrehzahl

• biegekritische Drehzahl

• Antriebsmoment


Berechnung der Lebensdauer

Cdyn = dynamische Tragzahl in N

LH = Lebensdauer in Stunden

Fm = mittlere Axiallast in N bezogen auf 33 1/3 Umdrehungen/min

F1 bis Fn = Axialbelastung in den einzelnen Lastfällen in N

n1 bis nn = Drehzahlen der einzelnen Lastfälle min-1

t1 bis tn = Zeitanteil der einzelnen Belastungen an der Gesamtlaufzeit in Prozent

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Adaptronischer Kugelgewindetrieb

Quelle : Fraunhofer Verbundprojekt FASPAS „Funktionsverdichtete adaptive Strukturen durch Kombination von Piezotechnik und

Softwaretechnologie autonomer Systeme“Labormuster

Verspannter Kugelgewindetrieb mit Doppelmutter und aktivem Piezoaktor

Kp – Gesamtsteifigkeit der Piezokeramik

Ksp – Steifigkeit der Spindel

L0 – Ausgangslänge vor dem Einbau

ΔLo – Gesamtlängenänderung

Lpr – vorgespannter Zustand im eingebauten Zustand

Lak – Länge des Aktors

ΔLak – Längenänderung des Aktors

Rb/t – Kugelkontaktsteifigkeit

Einleitung Motor Getriebe Messsystem Ü-Elemente ak. Forschung

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