Antriebstechnik

Positionieren mit Spareffekt

Kompaktantrieb ersetzt Servomotor
Als periphere Antriebe an Werkzeugmaschinen lassen sich verschiedene Prinzipien einsetzen: Pneumatik ist preiswert, aber nicht immer ganz wartungsfrei. Hydraulik steht oft nicht zur Verfügung, weshalb dann vielfach freie Achsen der CNC eingesetzt werden. Wozu aber benötigt man dann Auflösungen von einem Zehntel Mikrometer und die hohe Dynamik der Servoantriebe?

Dezentrale Positionierantriebe haben sich inzwischen vielfach etabliert. Sie brauchen keinen Platz im Schaltschrank, weil der Verstärker beziehungsweise Umrichter im Motor integriert ist. Auch die Verkabelung ist sehr einfach und preiswert, weil keine teuren Sensorleitungen vom Schaltschrank zum Antrieb gehen. Derartige Antriebe lassen sich als elektronisch kommutierte – also bürstenlose („brushless“) – Motoren realisieren, jedoch auch als Kombination aus Asynchronmotor und Frequenzumrichter. Hierfür bürgerten sich Begriffe ein wie Kompaktantrieb oder Integralmotor.

Der Positioniermotor KFM05 von Siei Areg, Gemmrigheim (Landkreis Ludwisburg), ist dafür ein Beispiel. Er entstand aus dem Bedarf nach preiswerten Türantrieben an Werkzeugmaschinen und anderen technischen Einrichtungen wie Aufzügen. Er positioniert wie ein Servomotor – mit Abstrichen bei der Dynamik und Messauflösung. Dabei kostet er jedoch nur ein Drittel bis halb so viel. Die Anwendungen im Werkzeugmachinenbau sind vielfältig: Sie reichen von Türantrieben für Werkzeug- und Werkstücktüren über Palettieranlagen und Teilehandling bis zur Verkettung von Maschinen und zu Portalen für Werkstückzuführung.

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Technologie reduziert Kosten

Ein robuster Asynchronmotor erhält einen Umrichter eingebaut, auch das Messsystem wird integriert. Die Lageregelung und der Positionierbetrieb werden als Software realisiert. Der Anbauflansch ist normgerecht gestaltet nach IEC, so dass sich handelsübliche Getriebe leicht montieren lassen. Bremsen können ebenso integriert werden. Die Schutzart ist IP 64, der Antrieb kommt ohne Lüfter aus und ist deshalb im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine zu Hause. Eine SPS- oder Profibus-Schnittstelle ist eingebaut und erleichtert die Integration in bestehende Konzepte.

Dass ein derartiger Antrieb mehr kann als nur Positionen anfahren, verdeutlicht eine praktische Applikation. 1992 baute die Firma Emag, Salach (Landkreis Göppingen), die erste Vertikal-Drehmaschine des Typs VSC. „Wir haben das Drehen auf den Kopf gestellt“, hieß es damals. Das Unternehmen war mit diesem Konzept sehr erfolgreich: 60 Prozent des Auftragseingangs für horizontale Drehmaschinen in Deutschland entfallen inzwischen auf diese Baureihe. Aus den Erfahrungen mit 3.500 ausgelieferten VSC-Maschinen entstand die Baureihe VL, die hauptsächlich bei Lohnfertigern zum Einsatz kommt. Ihre Kennzeichen sind der geringe Platzbedarf (3.500 mal 1.550 Millimeter, einschließlich Späneförderer und Werkstückspeicher), minimale Rüstzeiten und deutlich reduzierte Nebenzeiten. Weitere Eigenschaften sind das gute Preis-/Leistungsverhältnis und das hohe Niveau bei Maßhaltigkeit, Produktivität sowie Verfügbarkeit.

Oft wird die Komplettbearbeitung eines Werkstücks in zwei Aufspannungen in zwei getrennten Maschinen realisiert. Ein Beispiel hierfür ist die Serienfertigung von Zahnrädern für Getriebe. Ein bedeutender deutscher Hersteller fertigt Zahnräder von 42 bis 240 Millimetern in Losgrößen von 50 bis 1.000.

Die Zahnrad-Rohlinge werden auf der Vorder- und Rückseite im automatischen Ablauf mit zwei VL-Maschinen bearbeitet, die über einen Umsetzer verkettet sind. Das in der ersten Maschine – in der ersten Aufspannung – bearbeitete Teil wird auf deren umlaufendem Werkstück-Transportband vom Umsetzer gegriffen, um 180 Grad gewendet und auf das Transportband der zweiten Maschine gelegt. Sie bearbeitet die Rückseite. Der Umsetzer muss also zwei Funktionen erfüllen: Für das Umsetzen „über Kopf“ – nach Anweisung der jeweiligen Maschinensteuerung – ist ein einfacher Drehstrommotor eingesetzt. Für den Ausgleich der unterschiedlichen Höhen, bedingt durch die Nivellierung der beteiligten Maschinen und vor allem die Höhe der Werkstücke, sorgt der Positioniermotor KFM05 über eine Kugelgewindespindel von etwa 400 Millimeter Länge.

Teach-In-Verfahren als Universallösung

Bei der Konzeption ergab sich die wichtige Frage: Wie soll der Umsetzer die Höhe der Werkstücke erfahren? Eine Übergabe der Position aus der CNC wäre möglich, aber kompliziert und nicht universell gewesen. (Je nach Kundenwunsch kommen für die Maschinensteuerung zwei verschiedene Fabrikate zum Einsatz, manchmal auch mehr.) Deshalb fiel die Entscheidung für ein Teach-In-Verfahren. Der Bediener fährt dabei mit dem Umsetzer zunächst nach links in die erste Maschine und ermittelt dort per Beobachtung die Abholposition des Werkstücks. Dazu stehen ihm die Tasten AUF und AB zur Verfügung. Die als richtig erkannte Position speichert der Bediener per Knopfdruck. Anschließend fährt er den Greifer „über Kopf“ in die rechte Maschine und ermittelt dort die korrekte Abgabeposition. Das ist schon alles. Die im Positioniermotor integrierte Steuerung hat sich die Positionen „gemerkt“ und wird nun unter der Kontrolle der beiden Maschinensteuerungen die gewünschten Positionen anfahren – selbstverständlich auch nach NOT-AUS und Maschinenstörung.

Das beschriebene Teach-In-Verfahren ist im Funktionsumfang des Positioniermotors enthalten. Dazu ist keine Programmiersprache erforderlich, sondern lediglich die einmalige Einstellung weniger Parameter. Der Umsetzer ist seit 2002 im Einsatz und hat sich im Dreischichtbetrieb bei vielen Lohnfertigern bewährt. Manfred Binder (gm)

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