Digitale Regelung verändert die Werkzeugmaschine

Die Neuentwicklungen bei den CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen haben vor allem das Ziel, die Produktivität der Maschinen zu steigern. Das heißt, die Bearbeitungszeit muss verkürzt und die Konturgenauigkeit erhöht werden. Die neue Technologie der vollständig digitalisierten Antriebstechnik passt sehr gut zu diesen Forderungen, da sie eine höhere Beschleunigung, eine höhere Bahngenauigkeit und eine höhere Verfügbarkeit der Antriebe verspricht.

Die erzielbare Fertigungsgenauigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit hängen vor allem von den lagegeregelten Bewegungsachsen der Werkzeugmaschine ab. Um den wachsenden Forderungen nach Dynamik und Genauigkeit gerecht zu werden, ist für die Bewegungsachsen ein Minimum an Trägheitsmoment,  Hysterese und Elastizität anzustreben. Diese Eigenschaften hängen im wesentlichen von der Antriebsmechanik, also unter anderem vom Getriebe oder den Übertragungsriemen ab. Das Ziel aller Neuentwicklungen muss heute sein, durch angepasste mechanisch/elektrische Gesamtlösungen eine sehr gute Positioniergenauigkeit, hohe Maximalgeschwindigkeit und ein großes Nennmoment zu erreichen. Als Beispiel für eine derartige typisch mechatronische Aufgabenstellung wird hier der Ersatz eines modular aufgebauten Drehstrom-Hauptantriebes vorgestellt.

Motor und Spindellagerung vereint

Die Positionierung der Hauptspindel bei der Fräsbearbeitung übernahm bisher ein einschwenkbarer Servomotor in der C-Achse (Bild 1a). In der hier vorgestellten Neuentwicklung sind hingegen Motor und Spindellagerung in einem Direktantrieb integriert (Bild 1b). Die damit verbundenen hohen Ansprüche an die Qualität der Regelung vertragen sich allerdings nicht mehr mit der herkömmlichen Analogtechnik, was mit ein entscheidender Grund für die Grundig-Gildemeister Automation GmbH war ab 1991 mit der IAM GmbH eine vollständig digitalisierte Regelung für Direktantriebe in der C-Achse zu entwickeln und damit die eigene CNC-Steuerung für Werkzeugmaschinen auszurüsten. Der Direktantrieb erhielt damit die geforderten Eigenschaften eines Servoantriebes.

 

 

 

Bild 1: Varianten der Antriebsmechanik            

Für den als Hauptspindelantrieb eingesetzten Asynchronmotor wurde ein feldorientiertes Regelungsverfahren implementiert (Bild 2). Zusammen mit einer hochaufgelösten Lageerfassung sind damit die Voraussetzungen gegeben, ausgezeichnete Ergebnisse zu erhalten bezüglich

Positioniergenauigkeit
Bandbreite der Drehzahlregelung
Dynamik und Steifigkeit
Motorwirkungsgrad



Bild 2: Feldorientiertes Regelungsverfahren

Erfahrungen mit der integrierten Antriebstechnik an der Werkzeugmaschine

Die ersten Tests der integrierten Antriebsregelung (IAR) auf dem Motorprüfstand an mehreren Antrieben brachten vielversprechende Ergebnisse. Es folgten darauf Versuche auf einer Gildemeister-Drehmaschine. An ihr wurde mit der IAR die C-Achs-Fähigkeit des Hauptantriebes und die Bearbeitungsqualität an Werkstücken unter Verwendung zweier unterschiedlicher mechanischer Antriebskonfigurationen getestet: Einerseits mit dem abgesetzten Hauptantrieb (7,5 kW), der die Spindel über einen Riemen antreibt, und andererseits mit dem Direktantrieb (10 kW), der als Hohlwellen-Einbaumotor im Spindelkasten integriert ist.

Die IAR bewirkte auch bei dem mechanisch ungünstigeren abgesetzten Hauptantrieb eine deutliche Verbesserung hinsichtlich Dynamik, Qualität und Steifigkeit. Außerdem konnte die bisher übliche zusätzliche mechanische Dämpfung des Antriebs entfallen. Mit der IAR im Direktantrieb wurden alle bis dahin gekannten Eigenschaften einer Werkzeugmaschine dieses Typs hinsichtlich Dynamik, Qualität und Steifigkeit weit übertroffen. Der Antrieb ließ sich auch aufgrund seiner extremen Steifigkeit sehr gut für die Positionierung des Werkstückes während einer Fräsbearbeitung einsetzen. Heute ist diese Steuerung in der CTX-Produktline der Gildemeister AG enthalten.

Zu den weiteren wesentlichen Vorteilen der digitalen Lösung gehört die Parametertreue der Regelung sowie die komfortable Inbetriebnahme und Parametrierung des Antriebs.

Die Grenzen liegen von nun an in der Mechanik

Weitere Versuche zeigten, dass der nächste Innovationsschritt in der Maschinenentwicklung auf der mechanischen Seite erfolgen muss, um mit der jetzt deutlich gesteigerten Präzision auch Qualitätssprünge am Werkstück zu erzielen. Es lohnt sich jetzt, das Augenmerk besonders auf Lose und Elastizitäten im Futter, Revolver, Werkzeug, Motor und Maschinenbett zu legen. Insbesondere sind Ungenauigkeiten zu beseitigen, die nicht im Regelkreis der Steuerung liegen und so über Software nicht kompensierbar sind. Die Genauigkeit und Dynamik am Werkstück werden mit der IAR weiter erhöht. Eilgänge bis 60 m/min bei einer Auflösung von 0.003 mm sind theoretisch auf Anhieb mit dieser vollständig digitalisierten Regelung möglich. Eine drehmomentabhängige Kompensation der Federsteifigkeit von x- oder z-Achse kann die IAR unmittelbar vornehmen. Weitere Vorteile ergeben sich auch durch die nun mögliche enge Kopplung an die CNC-Steuerungssoftware. Bahnprofile können mit allen erforderlichen Vorsteuerungen an die Antriebsregelung übergeben werden. Umgekehrt stehen einer Interpolationssoftware alle Zustandsgrößen des Antriebs zur Verfügung. Digitale Schnittstellen eröffnen so den Weg zu eine optimalen engen Verzahnung zwischen Antrieb und übergeordneter Software.

Eine ausführliche Beschreibung der Entwicklung findet sich in folgender, gemeinsam mit der Grundig Gildemeister Automation GmbH gemachten Veröffentlichung:

Eckhardt, V.; Ehrenberg, J.; Hentschke, B.; Korinth, L.:
Die Grenzen liegen jetzt bei der Mechanik.
Elektronik 1993, Heft 18, Seite 66 ... 81