Servoantriebssystem

Galaxie bewegt Schwenkachsen mit Präzision

Drehmomentdichte und Positioniergenauigkeit waren die Kriterien des Maschinenbauunternehmens Hekuma an das Servoantriebssystem einer Schwenkachse, die zwei benachbarte Spritzgießmaschinen bedient. Die Wahl fiel auf das Antriebssystem Galaxie D von Wittenstein.

Der Umstieg auf eine neue Motor-Getriebe-Einheit durfte bei Hekuma zu keinen konstruktiven Änderungen an der Schwenkeinheit führen. (Bild: Wittenstein)

Da das kompakte Galaxie D in der Schwenkachse komplett unzugänglich verbaut ist, legte man bei Hekuma Wert auf eine dauerhaft service- und wartungsfreie Lösung. Mit hoher Spielstabilität und einem Motorfeedback-System, dessen Multiturnfunktionalität keine Batteriepufferung erfordert, erfüllt das Antriebssystem Galaxie D auch diese aus Endkundensicht wichtigen Anforderungen – im Gegensatz zu dem zuvor eingesetzten Spannungswellgetriebe, das sich darüber hinaus für diese Präzisionsanwendung als zu weich – also nicht ausreichend torsionssteif und spielarm – erwiesen hatte.

Hekuma – in Hallbergmoos bei München beheimatet – ist ein führender Hersteller von Hochleistungs-Automationssystemen für Kunststoff-Spritzgießanlagen. Das Kerngeschäft des zur Elexis-Gruppe gehörenden Unternehmens umfasst leistungsfähige Entnahmesysteme für die Spritzgussproduktion, die Integration von Spritzgießmaschinen und -formen sowie schlüsselfertige Komplettlösungen für die Arbeitsgänge Entnehmen, Bearbeiten, Montieren, Beschriften, Prüfen und Verpacken. „Unseren Kunden geht es vor allem um die hochverfügbare Automation der vor- und nachgelagerten Fertigungsschritte in der Spritzgussproduktion“, sagt Alexander Kappes, teamleitender mechanischer Konstrukteur bei Hekuma.

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Dies gilt auch für die Transfereinheit, die bei einem Konsumgüterhersteller einen zweistufigen Spritzgießprozess mit duro- und thermoplastischen Substraten verbinden wird. „Hohe Verkaufszahlen erfordern in der Produktion eine hohe Kavitätenzahl bei gleichzeitig kurzer Zykluszeit“, erläutert Reinhard Steinhoff von der Mechanischen Konstruktion bei der Beschreibung der Anlage. „Jedes Einlege- und Entnahmeelement hat 32 Kavitäten. Die Zykluszeit liegt bei 20 Sekunden und die Maschine läuft im Dreischichtbetrieb an 340 Tagen in Jahr. Die Schwenkeinheit mit dem Galaxie D bewegt somit jährlich mehr als 47 Millionen Spritzgießartikel.“

Neben der Dynamik gebe es jedoch ein weiteres Argument: „Der Schwenkarm der Umsetzeinheit dreht in y-Richtung um 180 Grad und hat eine bewegte Masse von etwa 270 Kilogramm. Um die Kavitäten für das reibungslose Handling der Spritzteile millimetergenau vor den Spritzgießmaschinen zu platzieren, war daher eine extrem hohe Steifigkeit des Antriebs bei gleichzeitig minimalem Verdrehspiel gefordert“, erklärt Alexander Kappes. Für die servotechnische Umsetzung stand jedoch nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung. „Der Umstieg auf eine neue Motor-Getriebe-Einheit durfte zu keinen konstruktiven Änderungen an der Schwenkeinheit führen“, bestätigt Reinhard Steinhoff.

Dynamisierte Einzelschubzähne, Multizahneingriff und Gleichlauf

Das Antriebssystem Galaxie D ist eine kompakte mechatronische Einheit aus einem speziell entwickelten, permanenterregten Hochleistungs-Synchronmotor und einem Galaxie®-Getriebe. (Bild: Wittenstein)

Galaxie ist als eigenständige und aus Prinzip überlegene Getriebegattung wissenschaftlich bewiesen und im Markt anerkannt. Die entscheidenden Merkmale – dynamisierte Einzelschubzähne statt starren Zahnrädern, vollflächiger Multizahneingriff mit hydrodynamischem Kontakt und mathematisch exaktem Gleichlauf sowie ein segmentierter Außenring als Lager – führen dazu, dass die Galaxie-Getriebekinematik bezogen auf den Marktstandard in allen wichtigen technischen Disziplinen bekannten Planeten-, Zykloid-, Exzenter- und Spannungswellgetriebe überlegen ist. Die Getriebekinematik gewährleistet Bestleistungen bei Spielfreiheit, Gleichlauf, Steifigkeit, Drehmomentdichte und Überlastsicherheit, ohne diese Merkmale „gegeneinander ausspielen“ zu müssen.

Die aus Anwendungssicht für Hekuma entscheidende Anforderung war die Gewährleistung einer hervorragenden und dauerhaft gleichbleibenden Positioniergenauigkeit. Das GalaxieD erfüllt dieses Leistungsmerkmal durch seine hohe Verdrehsteifigkeit sowie das auf weniger als eine Winkelminute reduzierte Verdrehspiel. Die Einzelschubzahnkinematik bewirkt, dass fast alle Einzelzähne gleichzeitig am Zahneingriff – und damit an der Drehmomentübertragung und der Steifigkeitsbildung – beteiligt sind. Hinzu kommt, dass die Zahnflanken der Einzelzähne sowie des Hohlrades erstmals als Logarithmische Spirale ausgeführt sind, wodurch im Multizahneingriff der Kontakt nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern nur linear, sondern bei Galaxie als Flächenkontakt erfolgt – mit höherem Traganteil. Auch bei der Wechselbelastung im Nulldurchgang ist so eine sehr hohe Steifigkeit gewährleistet.

Der zweite Aspekt der Positioniergenauigkeit, wie sie Hekuma fordert, betrifft das Verdrehspiel. „Grundsätzlich wäre die Auslegung des Galaxie D als Null-Spiel-Variante möglich gewesen“, blickt Alexander Kappes zurück. „Wir haben uns dann aber für ein reduziertes Verdrehspiel von weniger als einer Winkelminute entschieden. Es bildet zusammen mit der Verdrehsteifigkeit unsere Genauigkeitsanforderungen optimal ab und ermöglicht es gleichzeitig, bei der Positionierung auftretende Verriegelungskräfte abzufangen.“ Sein Kollege Reinhard Steinhoff ergänzt: „Da die Transfersysteme auf den jahrelangen Dauerbetrieb ausgelegt sind, ist vor allem wichtig, dass das einmal eingestellte Verdrehspiel dauerhaft konstant bleibt.“

Dies wird beim Galaxie D prinzipbedingt sichergestellt, weil sich beim flächigen Eingriff von Polygon und Einzelzähnenschon ab geringen Drehzahlen ein hydrodynamischer Schmierfilm mit einem großen, stabilen Druckpolster aufbaut. Eine Abnutzung in der Verzahnung wird dadurch auf ein Minimum reduziert – wie Mikroskop-Aufnahmen belasteter Kontaktgebiete an Einzelzähnen nach Dauerversuchen und hoher Praxisbeanspruchung der Getriebe belegen. Da zudem auch die Passung zwischen den runden Zahnkörpern und den Zahnträgerbohrungen nicht messbar verschleißt, bleibt bei Galaxie ein einmal eingestelltes Verdrehspiel über die Lebensdauer absolut konstant – auch bei der Null-Spiel-Variante.

Für den wartungsfreien Einsatz konzipiert

Um die Kavitäten für das reibungslose Handling der Spritzteile millimetergenau vor den Spritzgießmaschinen zu platzieren, war daher eine extrem hohe Kippsteifigkeit des Antriebs bei gleichzeitig minimalem Verdrehspiel gefordert. (Bild: Wittenstein)

Das kinematische Prinzip des Galaxie D verspricht einen dauerhaft service- und wartungsfreien Einsatz. Die nach der Logarithmischen Spirale gestaltete Verzahnungsform führt zu einem mathematisch exakten Gleichlauf. Zudem ist durch die konstante Druckverteilung beim Zahneingriff sowie die hydrodynamische Schmierung weder mit dem abriebbedingten Entstehen von Verschleißpartikeln noch einer Verunreinigung der Schmiersubstanzen im Getriebe zu rechnen. Darüber hinaus wird das Schmieröl entsprechend der Einbaulage des Galaxie D ausgewählt und eingefüllt. „Ein Trockenlaufen von Teilen der Kinematik, wie bei einem bereits verbauten Spannungswellgetriebe geschehen, wird dadurch ebenso vermieden wie die Notwendigkeit, im Betrieb der Maschine Schmiermittel in den Servoantrieb nachzufüllen“, stellt Alexander Kappes fest.

Um die mechanischen Präzisionsvorteile auch regelungstechnisch in höchste Positioniergenauigkeit umsetzen zu können, kommt in dem bei Hekuma eingesetzten Galaxie D erstmals das rotative Motor-Feedback-System SEM90 von Sick Stegmann zum Einsatz. Das holistisch abtastende Multiturn-System ermöglicht eine hochauflösende Positionsregelung des Servoantriebes. Die Multiturnfunktionalität mit 4.096 Umdrehungen wird dabei mechanisch realisiert. „Der Geber kommt ohne eine Puffer-Batterie aus, die nach entsprechender Laufzeit aufwändig ausgetauscht werden müsste“, beschreibt Reinhard Steinhoff. Steuerungstechnisch angebunden ist das System per Hiperface an einen Movidrive-Umrichter von SEW Eurodrive. N. Hehn / S. Höhne / as

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