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Werkzeugmaschinen-Nebenbaugruppen

Automation und Energieeffizienz

0715
2019
978-3-8169-8457-3
978-3-8169-3457-8
expert verlag 
Joachim Klement

Der Autor beschreibt aufgrund jahrelanger, umfassender Erfahrung die Probleme, die sich bei der Konstruktion und Herstellung der Nebenbaugruppen von Werkzeugmaschinen ergeben und liefert praxisnahe Lösungen. Eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen zeigt Ihnen, wie der Transfer zu Ihren eigenen Aufgaben gelingt. Zahlreiche instruktive Skizzen veranschaulichen den dargestellten Stoff.

<?page no="1"?> Werkzeugmaschinen-Nebenbaugruppen <?page no="3"?> Joachim Klement Werkzeugmaschinen- Nebenbaugruppen Automation und Energieeffizienz <?page no="4"?> Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb. dnb.de abrufbar. © 2019 · expert verlag GmbH Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert Printed in Germany ISBN 978-3-8169-3457-8 (Print) ISBN 978-3-8169-8457-3 (ePDF) <?page no="8"?> 7 <?page no="9"?> 1 1 Gewichtsausgleich-Verfahren Bei großen Bearbeitungszentren lohnt es sich, einen Gewichtsausgleich von Spindelkopf oder Werkstücktisch einzusetzen. Das beschleunigt die Bearbeitung und Dynamik vertikaler Achsen von Werkzeugmaschinen. Das Gewichtsausgleich-System leistet nicht nur einen Beitrag zur Energieeffizienz in der Fertigung, sondern senkt auch die Gesamtlebenskosten der Maschine. Außerdem lassen sich dem Gewichtsausgleich-System die Motoren für die Vertikalachsen von Spindelkopf und Werkstücktisch deutlich kleiner dimensionieren. Das ermöglicht dynamischere Bewegungen der Achsen und spart zusätzlich Strom. Während bei horizontalen Bewegungen in der automatischen Fertigung davon ausgegangen werden kann, dass im energielosen Zustand wegen der Schwerkraft keine Gefährdungen für Personen bestehen, sind bei vertikalen Verfahrbewegungen im Rahmen der Gefahrenanalyse auch die Risiken des ungewollten Herabsinkens zu beachten. Diese Gefährdungen treten besonders zutage bei Linearrobotern, die mit schweren Teilen, zum Beispiel Motoren oder Getrieben, operieren, aber auch bei Gelenkarmrobotern oder innerhalb von Maschinen, zum Beispiel bei vertikalen Achsen von Bearbeitungszentren oder Drehzentren. Wenn eine prozess-bedingt vorhandene Haltebremse keinen ausreichenden Schutz gegen ungewolltes Herabsinken erreicht, können steuerungstechnische Maßnahmen oder Gewichtsausgleich-Systeme zur Minderung des Gefährdungsrisikos beitragen. Gewichtsausgleich-Systeme vermeiden folgende Probleme: - Überdimensionierung von Motor und Antrieb - Frühzeitige Abnutzung der Führungsschienen und Leitspindeln - Werkzeugbruch bei Stromausfällen - Verminderte Leistung, sowie dynamisches Ansprechverhalten der Achsen <?page no="10"?> 2 1.1 Bauarten hydraulischer und pneumatischer Gewichtsausgleich-Systeme Ziehendes System Zur Gewichtskompensation einer vertikalen Achse bei Werkzeugmaschinen und Handlingsystemen hat sich das so genannte „ziehende System“ bestens bewährt. Diese Variante zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine Bremse (Absturzsicherung) an den unteren Zylinderkopf montiert werden kann. Da das Gewicht des stangenseitigen Zylinderkopfes, der Bremse und der Kolbenstange zum Zylinderrohr und dem hinteren Enddeckel wesentlich höher ist, wird bei dieser Konstruktion der Schwerpunkt des gesamten Systems nach unten verlagert. Abb. 1: Ziehendes Gewichtsausgleich-System Drückendes System Das so genannte „drückende System“ zur Gewichtskompensation kommt zum Einsatz, wenn eine größtmögliche Kompensationskraft bei kleinstmöglichem Zylinderdurchmesser benötigt wird; dies wird durch eine größere Kolbenfläche erreicht. Um beim drückenden System die Knicksicherheit der Kolbenstange zu erhöhen, kann eine verstärkte Kolbenstange verwendet werden. Der Gesamtschwerpunkt verlagert sich bei dieser Einbauanordnung weiter nach oben (insbesondere bei Verwendung einer Kolbenstangenbremse), wodurch eine höhere Belastung der Zylinder-Anbauteile bewirkt werden könnte. Abb. 2: Drückendes Gewichtsausgleich-System <?page no="11"?> 3 Reibungsarme Zylinder Der Zylinder spielt eine wesentliche Rolle bei der Bearbeitungsgenauigkeit, weil er, ausgestattet mit reibungsarmen Dichtungen, während der langsamen Bearbeitungsbewegungen keine Schwingungen erzeugt und zudem eine Nullleckage aufweist, um den Ölverbrauch des Speichers zu minimieren. Geringe Geschwindigkeiten und Leckage sind oft der Grund für unerwünschte Schwingungen während des Betriebs, bedingt durch das Slip-Stick-Phänomen. Gewöhnlich ist der Haftreibungskoeffizient höher als der kinetische Reibungskoeffizient. Sobald die angewandte äußere Kraft die Haftreibung überwunden hat und die dynamische Bewegung beginnt, kommt es zu ruckartigen Erscheinungen und unerwünschten Schwingungen nur aufgrund des geringeren Werts der kinetischen Reibung. Um die oben genannten Probleme zu vermeiden, wurden spezielle Abdichtungssysteme entwickelt, welche aufgrund des speziellen Designs und Gummigemisches einen annähernd gleichen Haft- und Gleitreibungskoeffizienten aufweisen. Folglich werden die Schwingungen, die am Anfang der Zylinderbewegung erzeugt werden reduziert und schnell gedämpft. Abb. 3: Einflüsse auf Hydraulikdichtungen <?page no="12"?> 4 Abb. 4: Typisch aufgebauter Pneumatikzylinder Abb. 5: Schmierfilmdicke bei Stangendichtungen <?page no="13"?> 5 1.2 Hydraulischer Gewichtsausgleich Ein hydraulischer Gewichtsausgleich ist ein autarkes System - einmal mit Druck beaufschlagt, benötigt es keine weitere Energiezufuhr. Ein mit einem Druckspeicher verbundener Hydraulikzylinder nimmt das Gewicht des Spindelkopfs oder Werkstücktischs auf. Der Druck in dem System wird so eingestellt dass die Kraft des Zylinders das Gewicht ausgleicht. Für die vertikale Bewegung des Spindelkopfs ist nur noch die Reibkraft und die Massenträgheit zu überwinden - es ist eine deutlich geringere Antriebsleistung notwendig. Das Aggregat für die Druckölversorgung ist nur für die Systembefüllung bei Inbetriebnahme und für den Servicefall erforderlich. Beides ist nicht zeitkritisch, daher muss die Förderleistung des Aggregats nicht groß sein. Geeignet sind beispielsweise Kompakt-Hydraulikaggregate, da sie die Kriterien hoher Betriebsdruck, kleine Förderleistung, kompakte Bauweise und großes Behältervolumen für das Befüllen oder Entleeren des Systems erfüllen. Notwendig ist ein Druckregelventil für die Druckversorgung, damit bei der Befüllung des Systems auch der gewünschte Betriebsdruck eingestellt wird. Während des Betriebs überwacht ein Druckschalter den Systemdruck, der das Unter- oder Überschreiten des festgelegten Druckbereichs signalisiert. Der Maschinenbediener kann dann entsprechende Maßnahmen ergreifen, zum Beispiel das System auf Leckagen untersuchen oder die Vorspannung des Druckspeichers kontrollieren. Ein Druckbegrenzungsventil sichert den Druckspeicher und über das Ablassventil wird der Speicher im Servicefall entleert. Der kompakte Ventilverband enthält diese Standardkomponenten. Verrohrung und Montage oder eine separate Blockkonstruktion entfallen. Lösungsansätze für ein Gewichtsausgleich-Kompakt-Hydraulikaggregat, eine druckgeregelte, Verstellpumpe und ein Druckbegrenzungsventil: - 3-Wege-Druckbegrenzungsventil - Stetigwegventil im Lastdruck-Regelkreis - Verstellpumpe in Mooringregelung - Verstellpumpe im elektronischen Druckregelkreis (DFE-System) - Druckspeicher Die detaillierte Auslegung an die Anforderungen in der Maschine kann mithilfe der Auslegungssoftware (beispielsweise Hydac) durchgeführt werden. <?page no="14"?> 6 Abb. 6: Prinzipschaltbild für hydraulischen Gewichtsausgleich Abb. 7: Hydraulischer Gewichtsausgleich (Rexroth) <?page no="15"?> 7 1.3 Pneumatischer Gewichtsausgleich In Verbindung mit hochdynamischen vertikalen Linearmotor-Achsen sind pneumatische Gewichtsausgleich-Zylinder eine Notwendigkeit, um die heute geforderten Bearbeitungszeiten zu realisieren, beziehungsweise deutlich zu verkürzen. Bauarten: Standard-Ausführung (Aluminium) für geringe Belastung - Geringes Gewicht - Betriebsdruck bis 10 bar - Maximale Verfahrgeschwindigkeit: - Bei Verwendung von zwei Druckanschlüssen 1,25 m/ s - Bei Verwendung von einem Druckanschluss 0,75 m/ s - Maximale Beschleunigung 10 m/ s² - Lebensdauer - Leichtlaufprinzip Hidyn-Ausführung (Stahl) - Betriebsdruck bis 16 bar - Maximale Verfahrgeschwindigkeit 4 m/ s - Maximale Beschleunigung 30 m/ s² - Bei oszillierenden Bewegungen Arbeitsfrequenz bis 15 Hz - Integrierte Lebensdauerschmierung - Reibungsoptimiert <?page no="16"?> 8 Abb. 8: Steuerschema für Gewichtsausgleichzylinder <?page no="17"?> 9 Abb. 9: Gewichtsausgleichzylindersystem mit Federspeicher (Ross Europa) <?page no="18"?> 10 Druckübersetzer Eine große Fläche wird mit geringem Druck (Luftkolben 3) beaufschlagt und wirkt auf eine kleine Fläche mit großem Druck (HD-Kolben 2) Die kontinuierliche Förderung wird durch ein intern angesteuertes 4/ 2 Wegeventil (Steuerschieber 4) erreicht. Der Steuerschieber leitet die Antriebsdruckluft abwechselnd auf die Ober- und Unterseite des Luftkolbens. Die Ansteuerung des Steuerschiebers erfolgt durch zwei 2/ 2 Wegeventile (Pilotventil 7) die mechanisch von dem Luftkolben in seinen Endlagen betätigt werden. Die Pilotventile bebeziehungsweise entlüften den Betätigungsraum des Steuerschiebers. Der HD-Kolben erzeugt mithilfe von Rückschlagventilen (Saugventil, Druckventil 1) den Volumenstrom. Der Ausgangsdruck ergibt sich durch den eingestellten Antriebsdruck. Nach den Formeln, die bei den technischen Daten der Kompressoren angegeben sind, lässt sich der statische Enddruck berechnen. Bei diesem Enddruck herrscht ein Kräftegleichgewicht auf der Antriebs- und Hochdruckseite. Der Kompressor bleibt, wenn er diesen Enddruck erreicht hat, stehen und verbraucht keine Luft mehr. Ein Druckabfall auf der Hochdruckseite oder eine Druckerhöhung auf der Antriebsseite füheren dazu, dass der Kompressor selbsttätig wieder anläuft und Gas verdichtet bis sich erneut ein Kräftegleichgewicht einstellt. Zusätzlich können Kompressoren auch durch Druckschalter, Kontaktmanometer oder externe Steuerungen ein- oder ausgeschaltet werden. Abb. 10: Prinzipschaltbild: Drückübersetzer (Maximator) <?page no="19"?> 11 Abb. 11: Kompressor als Druckübersetzer (Maximator) <?page no="20"?> 12 1.4 Mechanischer Gewichtsausgleich Gegengewicht Der Gewichtsausgleich erfolgt über Gegengewichte. Diese Gewichtsausgleich Variante findet noch immer wegen ihrer Funktions-Einfachheit und Zuverlässigkeit Anwendung bei Sondermaschinen, Transferstraßen und bei Universalwerkzeugmaschinen mit unbeweglichen Senkrechtständern. Die Masse des Gegengewichtes muss annähernd gleich sein wie die Summe aller auf der Führung des Senkrechtschlittens beweglichen Massen. Bei kleineren Massen werden mit dieser Lösung geringere Herstellungskosten erreicht als bei der Verwendung von hydraulischen oder pneumatischen Gewichtsausgleich Systemen. Bei Gewichtsausgleich mit Hydraulik- oder Pneumatikzylinder werden wesentlich geringere Massen bewegt als mit Gegengewicht Ausgleich, deshalb haben diese Systeme durch höhere Eigenfrequenz ein besseres dynamisches Verhalten. Abb. 12: Schema Mechanischer Gewichtsausgleich <?page no="21"?> 13 Abb. 13: Mechanischer Gewichtsausgleich Einbauskizze <?page no="22"?> 14 Spiralfeder Hierbei kommen vorgespannte Spiralfedern zum Einsatz, welche drehbar auf einer Welle angeordnet sind. Die Kraft wird dabei über einen Zahnriemen, der sich am Gehäuse der Spiralfedern abrollt, zwischen Vertikalachse und Feder übertragen. Abb. 14: Gewichtsausgleich Bauart mit Spiralfeder (Scherdel) <?page no="23"?> 15 1.5 Elektronischer Gewichtsausgleich Bei Gewichts belasteten Achsen ohne einen Gewichtsausgleich kann sich die hängende Achse nach dem Lösen der Bremse bis zum Eingreifen der Regelung unerwünscht senken. Im Extremfall kann dies zur Beschädigung des Werkzeugs, des Werkstücks oder auch der Maschine führen. Eine Absenkung der hängenden Achse kann mit dem elektronischen Gewichtsausgleich nahezu vollständig vermieden werden. Der elektronische Gewichtsausgleich vermindert das Durchsacken Gewichtsbelasteter Achsen beim Einschalten der Regelung. Nach dem Lösen der Bremse hält das anstehende konstante Gewichtsausgleichsmoment die Position der hängenden Achse. Der elektronische Gewichtsausgleich muss vom Maschinenhersteller in Betrieb genommen und die Antriebe der beteiligten Achsen entsprechend optimiert werden. Nachteil: Während des Betriebs muss der Antriebsmotor das erforderliche Drehmoment permanent aufbringen, wodurch eine stärkere Erwärmung bis zur Überlastung entstehen kann. Deshalb muss die Motorgröße entsprechend dimensioniert werden. <?page no="24"?> 16 2 Condition Monitoring Systeme zur Überwachung von Maschinenzuständen „Condition Monitoring Systeme“, im Folgenden „Zustandsüberwachung“ genannt, sorgen dafür, dass Veränderungen in der Maschine oder im Maschinenverhalten frühzeitig entdeckt werden. Auf diese Weise können gravierende Maschinenschäden verhindert, die Produktion geschützt und Instandhaltungsmaßnahmen im Vorfeld geplant werden. Somit hilft Zustandsüberwachung, Ausschuss zu vermeiden und Stillstandszeiten zu verringern. Aufgrund der fortgeschrittenen Sensortechnologie stehen dazu kostengünstige, kleine Sensoren zur Verfügung Diese können eingesetzt werden, um schwergängige Achsen und Spindeln, Schäden an Lagern und Kugelgewindetrieben, Unwucht an Werkzeugen, Schmierzustände, Kollisionen und vieles mehr zu erkennen. In der Tool-Box werden alle Sensorsignale zusammengeführt und ausgewertet. Das System ist in der Lage, Sensoren zu verknüpfen und bei einem erkannten Fehler eine Meldung außerdem in der Steuerung anzuzeigen. Der Fehler kann auch an eine Leitebene, beziehungsweise ein internes Firmennetzwerk weitergegeben werden. Die Fernwartungsschnittstelle der Tool-Box macht auch eine Überwachung von Anlagen möglich, die an anderen Standorten aufgestellt sind. Die Tool-Box ist ein ideales System für die Zustandsüberwachung. Es kann sowohl zur Überwachung von Maschinenzuständen als auch zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses eingesetzt werden. Es ist in der Lage externe, in den Maschinenkomponenten integrierte Sensoren (Kraft, Beschleunigung, Körperschall, Druck, Lagertemperatur und weite Daten) aufzunehmen. Es kann aber auch steuerungsinterne Daten (Drehmoment, Betriebszustand und weitere Daten) erfassen. Die Tool Box erlangt so Informationen über Achs- und Lagerprobleme, die Anzahl der Betriebsstunden, die Anzahl der Werkzeugwechsel, zu hohe Beschleunigungswerte sowie Unwucht und Crash und zu hohe Belastungen. Zu vielen Zuständen kann es langfristig Trends darstellen. In vielen Fällen ist eine rechtzeitige Erkennung von kritischen Prozess- und Maschinenzuständen zuverlässig möglich. Die erlangten Informationen können auf der Maschinensteuerung angezeigt und an eine überlagerte Leitebene gesendet werden. Ebenso kann das System Sicherheitsfunktionen (zum Beispiel Anlaufsperre) in der Maschine auslösen. <?page no="25"?> 17 Vorteile der Zustandsüberwachung: - Eine Steigerung der Verfügbarkeit, da ungeplante Stillstände vermieden werden. - Eine größere Kontrolle über das Timing von Wartungs- und Reparaturarbeiten. - Eine Fehlervorhersage ermöglicht es, Wartungstätigkeiten vorzuplanen und Ersatzteile zu bestellen. - Verringerte Wartungskosten aufgrund der Vermeidung von Betriebsstörungen. - Einsparung von Arbeitskräften, Bauteilen und Stillstandszeiten. Nachteile der Zustandsüberwachung : - Die Investitionskosten einer Überwachungsanlage. - Schlecht kalibrierte Überwachungssysteme produzieren häufig Fehlalarm. - Manche Überwachungssysteme melden nur Komponentenausfall oder allgemeinen Fehler selten Verschleißzustand und Prognose zur Restlaufzeit. <?page no="26"?> 18 2.1 Zielsetzung der Zustandsüberwachung Ein ideales Überwachungssystem besitzt vier Komponenten, welche die menschliche Überwachungstätigkeit simulieren. Sensordaten: In der Regel werden Sensordaten erfasst, dies beinhaltet Daten wie Schnittkraft, Vibrationen und akustische Emissionen. Es werden möglichst viele Sensordaten kombiniert, um größtmöglichen Nutzen zu ziehen. Datenverarbeitung: Idealerweise enthalten die Sensordaten die notwendigen Informationen, um Rückschlüsse auf den Zustand von Prozess und Verschleißteilen zu erzielen. Leider werden auch Störgrößen aufgenommen, welche aufwendig aus den Signalen herausgefiltert werden müssen. Entscheidung treffen: Die erfassten Daten werden verschiedenen Komponenten oder Zuständen zugeordnet und ein Algorithmus trifft entsprechend den vorliegenden Sensordaten Entscheidungen. In Abhängigkeit vom Überwachungssystem geschieht dies parallel oder sequentiell zum Prozess. Wissen aufbauen: Um die richtige Entscheidung zu treffen, muss das System mit einem Lernalgorithmus ausgestattet werden. Dieser sollte die Fähigkeit haben, aus Erfahrung zu lernen und anhand neuer Informationen aus den Prozessen. Mit steigender Erfahrung wird das System zuverlässiger und die Berechnungen präziser. Die zu überwachenden Systeme werden in fünf Gruppen eingeteilt: Maschine, Werkzeug, Prozess, Werkzeugzustand und Werkstück. Die dazugehörigen Signale werden in zwei Gruppen einsortiert: zeitkritisch und nichtzeitkritisch. Während erstere eine Reaktion innerhalb von Millisekunden erfordern, ist eine Reaktion bei letzteren erst nach Sekunden oder sogar Minuten notwendig. Zeitkritisch Nicht-Zeitkritisch Maschine CNC-Kontrolle Kollision Genauigkeit Wärmeverformung Werkzeug Werkzeugfraktur Werkzeuggang Werkzeugabnutzung eingesetztes Werkzeug Prozess Rattern Kraft-Moment-Leistung Spanbildung Kühlschmierstoff Werkzeugeigenschaften Abrichtung Werkzeugkorrektur Werkstück Dimension im Prozess Form im Prozess Rauigkeit im Prozess Oberflächenbeschaffenheit Rohmaterialversorgung Werkstückmaterial <?page no="27"?> 19 Abb. 15: Condition Monitoring (Brinkhaus) <?page no="28"?> 20 2.2 Spindel Überwachungssysteme Methoden zur Überwachung von Betriebszuständen an Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen können nach überwachtem Parameter, Überwachungsstrategie und Überwachungsziel unterschieden werden. Vom angestrebten Überwachungsziel hängt ab, welche Überwachungsparameter und -strategien sinnvoll eingesetzt werden können. Mögliche Ziele bei der Überwachung der Hauptspindel von Werkzeugmaschinen sind: - Qualitätssicherung - Geplante Instandhaltung - Werkzeugüberwachung - Schadensbeschränkung nach Crash - Speichern von Betriebszuständen Hierbei wird unter Qualitätssicherung die Sicherung der Qualität einer Spindel nach ihrer Fertigstellung beziehungsweise Reparatur verstanden. Ein Crash lässt sich durch Überwachung nicht vermeiden, da eine Veränderung der überwachten Größen erst nach Eintritt des Schadens erfolgt. Allenfalls kann der daraus entstehende Schaden begrenzt werden. Grundsätzlich können an der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine neben den ohnehin gemessenen Größen wie Drehzahl und Leistungsaufnahme folgende physikalische Größen überwacht werden: - Temperatur - Reibmoment - Kräfte - Verlagerungen - Schwingungen Die Überwachung von Lager- und Motortemperatur sowie von Schwingungen über Beschleunigungsaufnehmer ist Stand der Technik. Auch die Messung axialer Verlagerung zwischen Welle und Gehäuse wird bereits praktiziert. Kräfte werden im Allgemeinen nur zur Versuchsdurchführung in Laborspindeln gemessen. Die Messung des Reibmoments der Lagerung erfolgt allenfalls indirekt über die Leistungsaufnahme des Motors im Leerlauf. Setzt man die Überwachungsziele zu den überwachbaren Größen in Beziehung, kann man erkennen, dass nicht alle Überwachungsparameter gleichermaßen zur Erreichung aller Qualitätsziele geeignet sind. Die einzigen Größen, die prinzipiell zur Erreichung aller Ziele dienen können, sind auf die Spindelwelle wirkende Kräfte und die daraus resultierenden Verlagerung zwischen Welle und Gehäuse. Hinsichtlich der Überwachungsstrategie kann man zwischen einmaliger Überwachung, beispielsweise nach Inbetriebnahme der Spindel, periodischer Überwachung, beispielsweise im Abstand von einigen Wochen und kontinuierlicher Überwachung unterscheiden. Da moderne Spindeln durch die hohen Drehzahlkennwerte im Falle einer beginnenden Schädigung nur geringe Restlaufzeiten haben, bleibt zur Schadensbegrenzung nach einem Crash nur die kontinuierliche Überwachung. Es kann festgestellt werden, dass eine kontinuierliche Messung von Kräften und Verlagerungen im Betrieb der Spindel das breiteste Anwendungsgebiet aller vorgestellten Überwachungsmöglichkeiten hat. <?page no="29"?> 21 2.3 Das Spindel-Condition-Monitoring-System. FAG SpiCoM Mi SpiCoM steht für Werkzeugmaschinen Spindeln ein standardisiertes System zur berührungslosen Messung von Relativverlagerungen zwischen Welle und Gehäuse im Betrieb zur Verfügung. Diese Messung bietet gegenüber herkömmlichen Messmethoden, wie etwa der Körperschallmessung oder der Überwachung der Spindelleistung, den Vorteil weitaus zuverlässigere Aussagen über das Spindelverhalten. Die Beurteilung des Spindelverhaltens basiert allein auf den Eigenschaften der verbauten Lager in Verbindung mit festen Bewertungs-Algorithmen. Ein „Anlernen“ des Systems ist nicht mehr erforderlich. Die Interpretation der Messwerte liefert dem Spindelbetreiber viele Nutzenelemente. Funktion: Während des Betriebs der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine treten Verlagerungen zwischen Welle und Gehäuse auf. Ursachen sind neben den äußeren Bearbeitungskräften, die zu axialen und radialen Verlagerungen der Welle sowie zu Verkippungen führen können, die Temperaturunterschiede in der Spindel sowie kinematische Effekte. Die Erwärmung der Welle, infolge von Lagerreibung und Motorverlusten, führen zu einer Ausdehnung der Welle. Die Verringerung des Lagerspiels und durch Ausdehnung des Innenrings infolge Übertemperatur und Fliehkräften kann, vor allem bei federnd angestellten Spindeln zu einer Axialverlagerung der Welle führen. Das System besteht aus einem rotierenden Innenring (Messring) mit radialen und axialen Messflächen und einem feststehenden Außenring (Sensorring). Der Sensorring ist mit axialen und radialen berührungslos arbeitenden Wirbelstromsensoren bestückt. Aus den gemessenen Abständen zwischen Sensoren und Messfläche werden axiale und radiale Verlagerungen sowie Verkippungen zwischen Welle und Gehäuse errechnet. Der erhaltene Verlagerungsvektor wird anschließend hinsichtlich Lagerbeanspruchungsgrößen, Verschleiß und Rattern ausgewertet. Im Falle einer Überschreitung festgelegter Grenzwerte wird eine Warnmeldung ausgegeben, so dass die Bearbeitungsstrategie angepasst werden kann. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind die Kompensation der gemessenen Verlagerungen in der Steuerung sowie die Berechnung der auf die Spindel wirkenden Kräfte. <?page no="30"?> 22 Abb. 16: Wirbelstromsensor (FAG) Messprinzip Die Abstandsmessung erfolgt berührungslos durch Wirbelstromsensoren. Wirbelstromsensoren messen Abstände, Verschiebungen oder Positionen gegen alle elektrisch leitenden Messobjekte. Diese dürfen sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben. Die große Unempfindlichkeit gegenüber zum Beispiel Öl, Schmutz, Staub, Feuchte, prädestiniert dieses Messprinzip für Anwendungen in rauer, industrieller Umgebung. Als besonderer Vorteil für die Anwendung in Hauptspindeln von Werkzeugmaschinen kann die hohe Unempfindlichkeit gegen äußere Magnetfelder, beispielsweise aus dem Spindelmotor, angesehen werden. Der Messbereich der eingesetzten Sensoren beträgt 500 μm, so dass die Sensoren in jede Richtung Verlagerungen von 250 μm bei einer Messauflösung von 1 μm messen können. Die Sensoren sind in einem Temperaturbereich von 0 bis 70 °C einsetzbar. Bei jedem berührungslos arbeitenden Abstandssensor bestehen Linearitätsabweichungen und Veränderungen des Messsignals. Diese Abweichungen müssen im Messverstärker kompensiert werden. Bei den in SpiCoM eingesetzten Sensoren sind die Kalibrierdaten in einem am Sensor angebrachten Chip gespeichert. Bei Inbetriebnahme des Sensors werden die Daten auf den Messverstärker übertragen, der die Linearitätsabweichung ausgleicht. Hierdurch ist es möglich, für alle Sensoren identische Messverstärker einzusetzen. Dadurch können Messringe beziehungsweise Spindeln ausgetauscht werden, ohne den Messverstärker zu wechseln. <?page no="31"?> 23 Abb. 17: Messringaufbau (FAG) Messsystem, konstruktiver Aufbau Konstruktiv ist das Messsystem aus drei Ringen aufgebaut, einem Messring, einem Sensorring und einem zusätzlichen Innenring. Der Messring wird an der Spindelwelle befestigt. Er ist rotationssymmetrisch ausgeführt und west axiale und radiale Messflächen auf. Der Sensorring wird am Spindelgehäuse befestigt. Er besteht aus einem Außenring aus Stahl und einem inneren Trägerring für die Sensoren aus Kunststoff. Im Trägerring sind jeweils drei radiale und axiale Sensoren befestigt, die zueinander um jeweils 120 Grad versetzt sind. Messring und Sensorring können voneinander unabhängig an Spindel beziehungsweise Gehäuse der Maschine befestigt werden. Abb. 18: Einbau in die Spindel (FAG) <?page no="32"?> 24 Maschinengenauigkeit Einfachste Anwendung ist die Nutzung der gemessenen Signale zur Kompensation der Verlagerung zwischen Welle und Gehäuse der Spindel. Durch Rückführung dieser gemessenen Verlagerungswerte in die Maschinensteuerung, ist es möglich, den Bezugspunkt der Maschine dynamisch zu verändern und so bei der Achsbewegung die Verlagerung der Welle zu kompensieren. Diese Kompensation kann zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit der Maschine beitragen. Verschleißmessung Bei wälzgelagerten Spindeln tritt neben Rundlauffehlern durch Formfehler der Welle und Wanddickenschwankungen des Innenrings, die sich bei jeder Umdrehung wiederholen, auch ein „Nichtwiederholbarer Schlag“ auf, der durch die Überlagerung von Rundheitsfehlern der Ringlaufbahnen und Durchmesserunterschieden der Wälzkörper entsteht. Durch Vergleich der Abstandswerte der radialen Messflächen nach jeweils einer Wellenumdrehung lässt sich dieser Schlag erfassen und als Maß für den Verschleiß des Lagers nutzen. Der Anwender erhält somit unmittelbar die Möglichkeit, die Bearbeitungsgenauigkeit der Maschine direkt im Betrieb zu überwachen. Lagerbeanspruchung Die Verlagerung der Welle und Gehäuse verursacht Reaktionskräfte im Lager sowie Veränderungen der Lager Kinematik. Basierend auf langjährigen Erfahrungen aus Versuch und Praxis werden für diese Größen feste Grenzwerte festgelegt, innerhalb derer ein Lager sicher betrieben werden kann. Hierdurch lässt sich zum einen eine Überlastung oder Fehlbelastung der Lager vermeiden. Ein vorzeitiger Lagerausfall wird verhindert, was die Maschinenverfügbarkeit erhöht. Zum anderen ist es möglich das Leistungsvermögen der Lagerung voll auszunutzen, da der Grad der Lagerbeanspruchung bekannt ist, was zur Erhöhung der Produktivität der Maschine beiträgt. Schadensbegrenzung nach Crash Ein Crash führt zu einer plötzlichen starken Verlagerung zwischen Welle und Gehäuse der Spindel. Überschreiten die hierdurch im Wälzkontakt der Lager auftretenden Hertzschen Pressungen die Grenzen für plastische Verformung können Brinnelierungen der Laufbahn und Beschädigung der Wälzkörper auftreten. Dieser Anfangsschaden kann, vor allem bei schnell laufenden Spindeln, sehr schnell zu Folgeschäden führen. Eine Beschränkung der Folgeschäden eines Chrashs erfordert bei schnell laufenden Spindeln deshalb eine kontinuierliche Spindelüberwachung. Schwingungsüberwachung Durch die hohe zeitliche Auflösung der Messung ist auch eine Überwachung von Maschinenschwingungen möglich. Bei in Maschinen auftretenden Schwingungen muss grundsätzlich zwischen selbst erregten und fremd erregten Schwingungen unterschieden werden. <?page no="33"?> 25 Fremderregte (erzwungene) Schwingungen treten infolge einer periodischen Erregung von außen auf und können beispielsweise durch Unwuchten, Zahneingriffsstöße und wechselnde Schnittkräfte verursacht werden. Charakteristisch für fremd erregte Schwingungen ist, dass deren Frequenz der anregenden Kraft übereinstimmt beziehungsweise ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt. Bei selbst erregten Schwingungen schwingt das Maschinensystem grundsätzlich mit einer oder mehreren Eigenfrequenzen, wobei keine äußeren Störkräfte auf das System einwirken. Ursachen für selbst erregte Schwingungen können unter anderem Regenerativeffekte und Lagerkopplung sein. Charakteristisch für diese so genannten Ratter- Erscheinungen durch Regenerativeffekte als auch durch Lagerkopplung ist die Tatsache, dass die Frequenz des Schwingungsvorgangs von der Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise Maschinendrehzahl weitgehend unabhängig ist. Nach dem Satz von Fourier lassen sich periodische Funktionen unter bestimmten Voraussetzungen eindeutig durch eine Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen mit den Kreisfrequenzen darstellen. Durch Fourier-Analyse kann man aus dem gemessenen Zeitsignal Amplituden- und Phasenspektrum der Schwingungen berechnen. Diese so genannte Darstellung im Frequenzbereich ist oft aussagekräftiger als das Zeitsignal, da man die Frequenzanteile einer Schwingung sehr gut erkennen und Verbindungen mit den dynamischen Eigenschaften eines Systems finden kann. Überwacht man außerhalb des Werkzeugeingriffs die Schwingungsamplitude bei den Vielfachen der Wellendrehfrequenz, lassen sich durch Setzen von Amplitudengrenzwerten Unwuchten erkennen. Bei bekannten Sollwerten für den Ausschlag ist ebenfalls eine Überwachung des Werkzeugverschleißes durch Kontrolle der Amplituden der erzwungenen Schwingungen während des Eingriffs möglich. Zusammenfassung Anwendungsmöglichkeiten des Systems sind neben der Kompensation der gemessenen Verlagerungen die Überwachung von Lagerbeanspruchung und -verschleiß sowie die Erkennung von Ratter-Erscheinungen während der Bearbeitung. Durch setzen von maximalen Verlagerungswerten können Crashs erkannt und deren Folgen minimiert werden. Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht eine Speicherung von Betriebszuständen zur Nachvollziehung von Ausfallursachen im Gewährleistungsfall. <?page no="34"?> 26 2.4 SKF Insight SKF Insight misst Parameter, die bereits auf schädliche Betriebsbedingungen aufmerksam machen, bevor sich erste Lagerschäden anbahnen. Dabei hilft ein in das Lager integriertes, drahtlos kommunizierendes Sensor Packet zur Aufzeichnung kritischer Parameter, mit dessen Daten die Maschinenbetreiber Abhilfemaßnahmen planen können, um Lagerausfälle zu vermeiden. Technologie Im Lager integrierte Sensoren messen Lasten, Schmierbedingungen, Drehzahlen, Schwingungen und Temperaturen. Die Sensoren versorgen sich selbst mit Strom aus der Anwendungs-Umgebung. Die Algorithmen und Diagnostik interpretieren diese Daten hinsichtlich des Schwere- oder Abweichungsgrades der Betriebsbedingungen von den ursprünglichen Auslegungsbedingungen. Dabei lassen sich auch Überlasten, Betriebsabweichungen, Schmierstoffverunreinigungen und Schmierprobleme feststellen, sodass Veränderungen zur Verhinderung eines Schadens vor dessen Eintritt vorgenommen werden können. Die intelligente, drahtlose, ins Lager integrierte Kommunikationstechnik ermöglicht die Kommunikation des Lagers auch in Umgebungen, wo keine herkömmliche Wi-Fi - Verbindung zustande kommt. Mit SKF Insight ausgerüstete Lager bilden Netzwerke, die über ein Funkgateway miteinander kommunizieren und ihre Zustandsdaten zu Analysezwecken weitergeben. Aufgrund der Kombination aus integrierter Insight Technik mit zugehörigen Dienstleistungen zur Anlagendiagnose und Lagerschadenvorsorge werden die Daten über die tatsächlichen Betriebsbedingungen zur Ferndiagnose an Cloud-Server geschickt. So lässt sich feststellen, ob ein Risiko für einen zukünftigen Schaden oder Ausfall vorliegt. SKF Insight überwacht die Lagerbelastung direkt am Lager, misst also die tatsächlich auf das Lager einwirkende Last - und nicht nur die Last, für die das Lager ausgelegt ist. Diese Informationen können dann in die Entwurfsphase zurückfließen, um die Konstruktion des Systems und des Lagers weiter zu verbessern. Abb. 19: SKF Insight (SKF) <?page no="35"?> 27 2.5 Tool Scope (Komet Group) Das Tool Scope kann sowohl zur Überwachung von Maschinenzuständen als auch zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses eingesetzt werden. Es ist in der Lage externe, in den Maschinenkomponenten integrierte Sensoren (Kraft, Beschleunigung, Körperschall, Druck und Lagertemperatur) aufzunehmen. Es kann aber auch steuerungsinterne Daten (Drehmoment und Betriebszustand) erfassen. Das Tool Scope erlangt so Informationen über Achs- und Lagerprobleme, die Anzahl der Betriebsstunden, die Anzahl der Werkzeugwechsel, zu hohe Beschleunigungswerte, Unwucht und Crash. Zu vielen Zuständen kann es Trends darstellen. Die erlangten Informationen können auf der Maschinensteuerung angezeigt und an eine übergeordnete Leitebene gesendet werden. Ebenso kann das System Sicherheitsfunktionen (zum Beispiel Anlaufsperre) in der Maschine auslösen. Vorteile der Überwachung - Eine Steigerung der Verfügbarkeit - Kontrolle über Wartungs- und Reparaturarbeiten - Fehlervorhersage - Verringerte Wartungskosten - Einsparung an Arbeitskräften, Bauteilen und Stillstandszeiten Spindelüberwachung Auf Basis der in der Spindel integrierten Schwingungssensoren wertet das Soft Scope den aktuellen Zustand der Spindel aus. Über die mittlere Wirkleistungsaufnahme, beziehungsweise Drehmomenterzeugung kann die Auslastung der Spindel protokolliert werden und angezeigt werden. Über einen einfachen Testzyklus nach der Warmlaufphase kann das aktuelle Schwingungsverhalten aufgezeichnet werden. Dieses gibt Aufschluss über die Restlebensdauer der Lager. Darüber hinaus können weitere wichtige Informationen über die Auslastung der Spindel ausgewertet, protokolliert und angezeigt werden. <?page no="36"?> 28 Abb. 20: SoftScope Spindelüberwachung (Brinkhaus) Werkzeugverschleiß Bei dem vorliegenden Beispiel handelt es sich um die Überwachung des Werkzeugverschleißes beim Drehen. Gegenstand des Drehprozesses waren Bremsscheiben die in drei Prozessschritten mit drei unterschiedlichen Werkzeugen bearbeitet wurden. Das Tool Scope bietet verschiedene Methoden den Werkzeugverschleiß zu ermitteln. Typisch sind durchschnittliches Drehmoment und Schwingstärke des Drehmoments. Das Bild zeigt den Verlauf des Werkzeugverschleißes eines Werkzeuges. Als Maß des Werkzeugverschleißes wurde der Verlauf des durchschnittlichen Drehmoments gewählt. Deutlich zu erkennen ist die Veränderung des Drehmoment- und somit des Verschleißverhaltens zwischen zwei Chargen. Die erste Charge besteht aus deutlich härterem Material als die zweite Charge. Aus diesem Grund steigen die Kräfte schneller an und das Werkzeug verschleißt schneller. Ein typisches Phänomen bei der Bearbeitung von Gussmaterial. Der Chargenwechsel kann manuell durch den Bediener vorgegeben werden, um so zwischen den Verschleißgrenzen umzuschalten. Sind noch keine Verschleißgrenzen für den aktuellen Prozess bekannt, lernt das Tool Scope diese nach dem ersten Werkzeugwechsel. <?page no="37"?> 29 Abb. 21: Werkzeugverschleiß (Brinkhaus) <?page no="38"?> 30 2.6 Prometec Monitoring Solutions Der Systemaufbau von PROMOS 2 zur Werkzeug-, Prozess- und Maschinenüberwachung besteht aus drei Baugruppen. Die Baugruppen sind zu den jeweiligen Anwenderlösungen kombinierbar. Abb. 22: Maschinenüberwachung IT PROMOS (PROMTEC) Der Real-Time-Monitor (RTM) stellt das Grundelement des Überwachungssystems dar. Je nach Anwendungsfall, Überwachung des Drehens, Bohrens oder Fräsens, oder des Maschinentyps wie Bearbeitungszentrum, Transferstraße, Dreh- oder Schleifmaschine, kommen bestimmte Sensoren in Verbindung mit bestimmten Überwachungsstrategien im Real-Time-Monitor zum Einsatz. Die richtige Auswahl ist entscheidend für die sichere Funktion des Überwachungssystems. Sensorik und Real-Time- Monitor arbeiten als autarke Einheit mit der Maschinensteuerung zusammen und führen die Überwachung eigenständig aus. Ein Bedienmodul kann je nach Anforderung permanent oder auch nur für das Einrichten des Systems angeschlossen werden. Der Real-Time-Monitor (RTM) als Herz des Systems ist eine unter modernsten EMV- Schutzvorschriften hergestellte Aluminiumbox von nur 64 mm Breite, die über eine Hutschiene in jedem Schaltschrank untergebracht werden kann. Im Zentrum des Gerätes befindet sich ein sehr leistungsfähiger Mikrocontroller, mit einem großen Speicherbaustein von mindestens 16 MB. <?page no="39"?> 31 Abb. 23: Real-Time-Monitor (PROMTEC) Das Maschinen-Interface-Busmodul ist ebenso wie die Sensoranschlussmodule austauschbar, so dass für jede Anwendung die richtige Konfiguration zusammengestellt werden kann. Der Real-Time-Monitor verfügt über eine Vielzahl an Überwachungsstrategien, die je nach Bearbeitungsbeziehungsweise Überwachungsaufgabe aufgerufen werden können. So ist die Funktion der Kollisionserkennung im Standardumfang erhalten. Die Funktion der Kontakt-Erkennung und Fehlt-Erkennung stehen als Software Erweiterung zur Verfügung. Eine Werkzeugbruch-Erkennung ist über „Statische Limits“, über „Dynamische Limits“ (Drehen) und mittels „Durch Limits“ (Bohren) möglich. Auch die Erkennung von Einzelschneidenbrüchen an Messerkopffräsern über die „Spike-Energy“ Erfassung ist mit Hilfe einer Zusatzsoftware im digitalen Signalprozessor gegeben. Die Verschleißerkennung von Werkzeugen kann über einfache „Statische Limits“ zusätzlich aber auch mittels Trendanalyse zur besseren Präzision der Verschleißerkennung erfolgen. Die Erfassung des Spindelbeziehungsweise Lagerzustandes oder die Erkennung von Unwuchten der Spindel beziehungsweise des Werkzeuges oder Werkstückes sind zusätzliche Operationen, die unter Einsatz von Schwingungssensoren genutzt werden können. <?page no="40"?> 32 Abb. 24: PROMOS 2 Systemaufbau (PROMTEC) Sensoren Die Qualität der Werkzeug-, Prozess- und Maschinenüberwachung wird entscheidend davon beeinflusst, wie gut das Sensorsignal das zu erfassende Ereignis, wie zum Beispiel Werkzeugbruch oder Verschleiß an Werkzeugen, wiedergegeben werden kann. Es müssen deshalb je nach Maschinentyp beziehungsweise Bearbeitungsaufgabe unterschiedliche Sensoren zur Verfügung stehen. Es kommen Sensoren zur Messung von Kraft, Wirkleistung, Körperschall, Fluidschall, Vibration und Abstand zum Einsatz. Auch die Nutzung der Antriebssensoren von Haupt- und Vorschub-Servomotoren mittels Auslese der Drehmomentmesswerte aus der Maschinensteuerung gewinnen mehr und mehr an Bedeutung. <?page no="41"?> 33 Abb. 25: PROMOS 2 Systemaufbau Sensorlösungen (PROMTEC) Anwendungen Das Bild zeigt im oberen Teil eine konstruktive Ausführung zur Radialkraftmessung. Im unteren Bildteil ist eine Messbuchse zur Messung der Vorschubkraft gezeigt. Dieses Sensorprinzip wird sehr häufig von SANDVIK verwandt und kommt meistens für den Einbau an Vorschubspindelmuttern von Werkzeugmaschinen zwecks Erfassung der Vorschubkräfte der Schlitten zum Einsatz. Das nächste Bild zeigt eine piezoelektrische Kraftsensorlösung an Bohr- und Frässpindeln unter Nutzung eines Messringes. Abb. 26: Kraftmessung an Spindeln (PROMTEC) <?page no="42"?> 34 Abb. 27: Kraftmessung an Spindeln (PROMTEC Überwachungsaufgabe (Werkzeugbruch) In der Getriebeherstellung durchlaufen die so genannten Schiebemuffen bis zu ihrer endgültigen Fertigstellung eine Reihe von Bearbeitungen. So wird an der Innenverzahnung der Schiebemuffe eine Hinterlegung mittels eines zweischneidigen Fräswerkzeugs vorgenommen. Es haben sich Fälle ereignet, in denen eine einzelne Schneide des Werkzeugs abbrach, was zu einer fehlerhaften Ausführung des Fräsprozesses und zur Produktion von Ausschussteilen führte. Abb. 28: Werkzeugbruch Überwachung (PROMTEC) <?page no="43"?> 35 Eine eingerichtete hauptzeitparallele Prozessüberwachung, die im Falle des Abbrechens des Werkzeuges oder eines massiv auftretenden Schneidenschadens (Abplatzen) die Maschine stillsetzt, um eine weitere Produktion von Ausschussteilen zu vermeiden. Werkzeugbruchüberwachung beim Drehen Die beste Lösung zur Erkennung von Werkzeugbruch beim Drehen von Guss- und Schmiedeteilen stellen die „Dynamischen Limits“ dar. Das zu bearbeitende Teil, zum Beispiel Bremsscheibe, Schwungrad, Zahnradrohling, Eisenbahnrad, ist unrund, weist eine hügelige Oberfläche mit deutlichen Härteschwankungen auf und ist oft nicht mittig im Futter spannbar. Der durch den Sensor aufgenommene Kraftsignal-Verlauf schwankt daher stark. „Dynamische Limits“ (in Verbindung mit einem schnellen Kraftsensor) passen sich dem Messsignal ständig an und tolerieren daher stark dynamische Signalverläufe. Die Anpassung der „Dynamischen Limits“ erfolgt im Takt weniger Millisekunden und damit vielmals innerhalb einer Werkstückumdrehung. Eine blitzschnelle Analyse auf einen bruchtypischen Signalverlauf erfolgt: Nur bei einem tatsächlichen Werkstückbruch wird der Werkstückvorschub der Maschine gestoppt, bei anderweitiger Analyse (wie Hartstelle, Schnittunterbrechung) erfolgt kein Stop. Durch die sehr kurze Reaktionszeit von 5 Millisekunden bleibt der Vorschub innerhalb einer Umdrehung nach Werkzeugbruch stehen, was den Werkzeughalter schützt. Abb. 29: Kraftsignal-Verlauf (PROMTEC) <?page no="44"?> 36 2.7 BestSens System „BeMoS“ Das Monitoring System „BeMoS“ überwacht alle wichtigen Achsen während des Betriebes und liefert Messdaten online. Längere Standzeiten und eine bedarfsgerechte und planbare Wartung sind der Nutzen für den Maschinenbetreiber. Erfasst werden: • Schmierungszustand • Belastung/ Vorspannung • Überrollfrequenz/ Drehzahl/ Schlupf • Fremdmedieneintrag (z.B. Kühlschmierstoff) • Schwingung • Temperatur Das System arbeitet mit der patentierten Technologie einer aktiven Messung mit akustischer Oberflächenwellen. Über die Netzwerkschnittstelle am „BeMoS“ Controller werden die Daten entweder in eine Cloud gespeist, oder direkt über ein Webinterface eingesehen. Abb. 30: Sensorpositionierung (BestSens) <?page no="45"?> 37 Abb. 31: BeMoS®: Sensoren und Controller (BestSens) <?page no="46"?> 38 2.8 Sensorsystem „torqXis“ Sensorik für die Antriebsüberwachung. Damit erfolgt die Messung unterschiedlicher Belastungsgrößen in Antriebssträngen. Drehmomente, Querkräfte und Temperaturen - diese in Antriebssträngen prozessrelevanten Größen erfasst das Sensorsystem. Die Sensoren lassen sich als Messringe auf einfache Weise zwischen der Antriebskomponente und dem Maschinenbett platzieren. Auf Veränderungen der Einzelbelastungen im Antriebsstrang reagieren sie sehr genau und schnell, zum Beispiel bei unerwarteten Änderungen im Lastprofilverhalten beim Überschreiten definierter Werte für zu erfassende mechanische Größen (Limit ). bei Überhitzung bei Lagerschäden bei Materialbruch bei Ermüdung der Antriebswelle bei auftretendem Schlupf Im „torqXis“ Sensor können individuell einstellbare Alarmschwellen für die relevanten Kenngrößen gespeichert werden. Bei Erreichen eines kritischen Zustandes im Antriebsstrang oder von Lastkollektiven generiert der Sensor frühzeitig ein Alarmsignal, das in Echtzeit an die Steuerung ausgegeben wird. Bei Bedarf erfolgt eine Lastreduzierung oder auch eine Abschaltung des Motors, wodurch eine größere Beschädigung an der Prozessmechanik verhindert werden kann. Gleichzeitig ist es mit den Informationen des Sensors möglich, die Serviceeinsätze gezielt durchzuführen und die Serviceintervalle den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Sensorauslegung Spezifiziert sind die Sensoren für Nenndrehmomente zwischen 50 Nm und 10 000 Nm sowie für Nennquerkräfte von 800 N bis 45 000 N. Die Abtastrate beträgt 1 kHz. Das Messverfahren für die Drehmomente und Radialkräfte basiert auf der DMS- Technologie (DMS Dehnungsmessstreifen). Gemessen wird die Verformung des Sensorringes beim Auftreten von Belastungen im Antriebsstrang. Dabei erreichen die Sensoren eine Wiederholgenauigkeit von mehr als 9,5 %. Die Messwerte werden direkt an die integrierte Auswerteelektronik übertragen, eingelesen, verarbeitet und an die übergeordnete Steuerung gesendet. <?page no="47"?> 39 2.9 CMU 1000 Condition Monitoring Unit Voraussetzung für eine hohe Verfügbarkeit und reibungslose Funktion von Maschinen und Anlagen ist der ordnungsgemäße Zustand der eingesetzten Hydraulik- und Schmiermedien. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der HYDAC stellt das breite Sensorprogramm zur Erfassung der Prozessdaten (Druck, Temperatur, Volumenstrom) einerseits und der Fluiddaten (Ölzustand, Verschmutzung, Wassergehalt) anderseits dar. Durch die Möglichkeit einer kombinierten Auswertung der Prozessdaten (Belastungszustand der Maschine) und der Fluiddaten ist die Diagnosetiefe deutlich erweitert und geht über die konventionelle Schnellwertüberwachung weit hinaus. Die auf ein notwendiges Minimum komprimierten Zustandsinformationen können dem Maschinenbetreiber zwecks Überwachung beziehungsweise Steuerung über verschiedene Kommunikationswege übermittelt werden. Zur Dateninterpretation (Aufzeichnung, Aufbereitung, Archivierung und Datenübertragung) stehen Anzeige- und Messgeräte sowie eine HYDAC spezifische PC- Software (CMWIN) zur Verfügung. Die CMU bietet die Möglichkeit zum Anschluss von bis zu acht CM-Sensoren mit HSI-Schnittstelle (HYDAC Sensor Interface) sowie bis zu acht analogen und vier digitalen Sensoren. Zur Datenkommunikation ist die CMU mit einer RS 232-Schnittstelle, einem USB- Slave-Port für die PC Kommunikation, einem USB-Master-Port als Memoryschnittstelle für USB-Sticks sowie einer RJ45 Ethernetschnittstelle ausgestattet. <?page no="48"?> 40 Abb. 32: Prozessdatenerfassung (Hydac) Abb. 33: Messdatenerfassungseinheit (Hydac) <?page no="49"?> 41 2.10 MSSWP Simmerring Condition Monitoring Wenn die Dichtfunktion eines Radialwellendichtrings nach vielen tausend Betriebsstunden, in denen er unvermeidlichem Verschleiß mit vielfältigen Beanspruchungsmuster unterworfen ist, nachlässt, tritt Öl zwischen Welle und Dichtlippe nach außen. Im MSS Simmerring sind in einem Dichtungszwischenraum ein saugfähiges Spezialvlies und ein optischer Sensor integriert, so dass die verschleiß bedingte Ölkontamination des Vlieses vom Sensor erkannt und ein Signal erzeugt wird. Dieses Sensorsignal wird mit Hilfe einer programmierbaren Auswerteeinheit analysiert und eine automatische Information über das Nachlassen der Dichtfunktion generiert. Diese Information kann entweder vor Ort angezeigt oder an ein Ferndiagnosesystem über eine Schnittstelle weitergegeben werden. Dieses Signal kann auch genutzt werden, um eine Notfall-Dichtlippe zuzuschalten. In dieser speziellen Ausführung des MSS Simmerrings ist eine zweite Ersatz- Dichtlippe vorhanden, die im Normalbetrieb ohne Federbelastung und damit völlig verschleißfrei mitläuft. Erst durch das Sensorsignal aktiviert, wird die Feder in die Nut der Ersatz-Dichtlippe in ihre Position gebracht und an die Welle angepresst. Sofort übernimmt sie die Dichtfunktion bis zum Austausch. Die Anbindung an Kommunikations- und Überwachungssysteme ist gegeben. Die nachgeschaltete, programmierbare Elektronikeinheit, die das Sensorsignal auswertet verfügt über eine Plug und Play Funktion. Damit lässt sich das System sehr einfach über genormte Schnittstellen in bestehende Datenübertragungs- und Fernüberwachungssysteme integrieren. <?page no="50"?> 42 Abb. 34: Wirkungsweise des MSS Simmerrings (Freudenberg) Abb. 35: Spezielle Ausführung des MSS Simmerings (Freudenberg) <?page no="51"?> 43 2.11 Werkzeugspannsystem Überwachung Beim Spannsystem werden die folgenden Baugruppen überwacht: - Condition Monitoring der Drehdurchführung - Überwachung der Position des Lösekolbens - Kontrolle der Zugstangenposition - Spannkraftüberwachung Abb. 36: Werkzeugspannsysteme (Ott) <?page no="52"?> 44 Als Beispiel folgt die Überwachung der Position des Lösekolbens. Kolbenpositionsabfragesensor innerhalb der Löseeinheit überwacht den mechanischen Anschlag im Zustand „Werkzeug gespannt“. Eine Back-End-Elektronik mit elektronischer Einprellfunktion gibt die Information an die Maschinensteuerung weiter. Abb. 37: Überwachung der Position des Lösekolbens (Ott) <?page no="53"?> 45 Abb. 38: Mechatronische Systeme in der Werkzeugmaschine <?page no="54"?> 46 2.12 Drive Train Condition Monitoring System (DTCM Siemens) Das Monitoring System ist in die Automatisierung integriert und überwacht den gesamten Antriebsstrang. Im Mittelpunkt stehen dabei Motoren, Getriebe, und weitere Komponenten des mechanischen Antriebsstranges. Jede Antriebseinheit ist an der jeweiligen Antriebswelle des Vorschaltgetriebes mit einer dehnungsmessstreifen-basierten Drehmomentmessstelle ausgestattet. Die Drehmomente werden auf Extremwerte sowie Dynamik überwacht. Abweichungen vom Normzustand lösen einen Alarm beziehungsweise die Aufzeichnung hoch auflösender Ereignisschriebe aus. Für die Überwachung der Lagerstellen kommen je Antriebseinheit eine Öl-, Temperatur sowie Schwingungsüberwachung zum Einsatz. Mithilfe von Wegmesssystemen wird der radiale und axiale Rundlauf des Systems überwacht. Die Analysewerte erlauben eine risikofreie, rein zustandsbasierte Instandhaltung der einzelnen Komponenten. Das Auswechseln noch intakter Komponenten wird dabei ebenso vermieden wie der unerwartete Ausfall hoch beanspruchter Komponenten noch vor Ablauf ihres Verschleißdatums. 2.13 FAG VarioSense-Lager Wälzlager sind dort eingebaut, wo mechanische Kräfte wirken. Sie sind deshalb geeignet, um Informationen für die Prozesssteuerung und Maschinenüberwachung zu gewinnen. FAG VarioSense-Lager erlauben einfach und schnell die digitale Überwachung der Lagerstellen. Dazu werden Standardlager mit dem VarioSense-Sensorcluster ergänzt. Die mechanischen Eigenschaften der Lager ändern sich dadurch nicht. Das VarioSense-Sensorcluster kann je nach Anforderung mit mehreren unterschiedlichen Sensoren gleichzeitig ausgestattet werden. VarioSense-Lager vereinen so Standardlösungen aus dem Katalog mit einem Maximum an bedarfsgerechter Konfigurierbarkeit. Das VarioSense-Lager benötigt keinen zusätzlichen radialen Einbauraum: Die Abmessungen der Sensoreinheit entsprechen denen des Standardlagers, das Sensorcluster ist lediglich 7mm breit. Je nach Anforderung kann das VarioSense-Modul mit mehreren unterschiedlichen Sensoren gleichzeitig ausgestattet werden Mögliche Messgrößen sind: - Drehzahl - Temperatur - Verlagerung - Drehwinkel - Drehrichtung - Last - Vibration <?page no="55"?> 47 Vorteile: - Integration mehrerer Funktionalitäten und Messparameter in einem Sensorlager - Sensorkonfiguration für jeden Kundenbedarf - Identischer Bauraum für alle Konfigurationen - Standardlager als Basis ohne zusätzlichen radialen Bauraum - Einfache Installation Plug & Play Abb. 39: VarioSense-Lager (FAG) <?page no="56"?> 48 3 Dämpfungssysteme an spanenden Werkzeugmaschinen Die allgemeine Forderung an die meisten Werkzeugmaschinen geht dahin, in möglichst kurzer Zeit möglichst genaue Werkstücke herzustellen. Dabei bezieht sich „genau“ auf die Maß- und Formgenauigkeit (Makrogenauigkeit) und auf die Oberflächengüte (Mikrogenauigkeit). Diese Forderung bedeutet: - Erhöhung der Produktivität und - Qualitätsverbesserung der Erzeugnisse Die Ausbringung kann durch den Einsatz von Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen (Hauptzeitverkürzung), vorwiegend aber durch Herabsetzung der Nebenzeiten, gesteigert werden, was sich im Vereinfachen der Maschinenbedienung, durch Anwenden von Vorrichtungen und schließlich mit Automatisieren erreichen lässt. Die Steigerung der Qualität hingegen beruht auf dem Einfluss zahlreicher Konstruktionselemente, von denen jedes einzelne in Verbindung mit der Werkzeugmaschine seine Funktion auszuüben hat. Die Verwirklichung dieser Qualitätssteigerung erfordert eine ständige Entwicklung von: - Herstellungsgenauigkeit der Bauelemente - Statischer Steifigkeit der Bauelemente gegen Durchbiegungen; Dynamischer Steife und Dämpfung, das heißt Widerstand gegenüber der Wirkung Schwingung erregender Kräfte. - Gebrauchsgenauigkeit, das heißt die ursprüngliche Genauigkeit soll auch nach längerer Betriebszeit noch vorhanden sein. <?page no="57"?> 49 Abb. 40: Schwingungssystem Werkzeugmaschine (Uni Duisburg) <?page no="58"?> 50 Definition der auftretenden Schwingungen. Bei der spanenden Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen treten stets unterschiedliche Arten von (unerwünschten) Schwingungen auf. In der Abbildung ist der Zerspanungsprozess schematisch dargestellt. Die durch die Federelemente k und Dämpferelemente d kondensiert abgebildete Relativnachgiebigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück rührt aus der Überlagerung der Nachgiebigkeiten aller im Kraftfluss befindlichen Komponenten her. Diese sind die Werkzeugmaschinenstruktur selbst, das Werkstück mit den Spannmitteln sowie die Werkzeugaufnahme und das Werkzeug. Grundsätzlich lassen sich die Schwingungsphänomene in fremd- und selbst erregte Schwingungen einteilen. Abb. 41: Gegenlauf Fräsprozess mit zwei Freiheitsgraden <?page no="59"?> 51 Abb. 42: Schwingungsarten an spanenden Werkzeugmaschinen (TH Saarland) Abb. 43: Schwingungsamplituden bei Fremd- und Selbsterregung (IFW) <?page no="60"?> 52 3.1 Dämpfung von Maschinenstrukturen Die folgende Zusammenstellung, in 5 Abschnitten gegliedert, soll in erster Linie die aus Untersuchungen gewonnenen Auswirkungen einiger Werkzeugmaschinen Elemente und ihr Verhalten im Einbau, als auch einen Überblick über neue und handelsübliche Produkte auf diesem Gebiet, wiedergeben: - Führungen - Ständer und Bett - Antriebe und Kupplungen - Hauptspindellagerungen - Hauptspindel Ständer und Bett Die Grundbauelemente der Werkzeugmaschinen sind die Ständer und Betten, die je nach Wahl geeigneter Werkstoffe und durch konstruktionsgerechtes Ausbilden verschiedene Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Dämpfung aufweisen können. Die dynamisch wirksame schwingungsfähige Masse eines Systems bestimmt sowohl die Eigenfrequenz, als auch die Resonanzüberhöhung. Eine ungünstige Masseverteilung, das heißt eine große Masse an Stellen großer Schwingungsamplituden, senkt die Eigenfrequenz und erhöht die maximale Dynamische Nachgiebigkeit. Abb. 44: Kraftfluss einer Werkzeugmaschine <?page no="61"?> 53 Deshalb müssen Gestellbauteile, Schlitten, Schieber, Spindelkästen und Spindel- Lagersysteme nicht nur hinsichtlich der Erfüllung geometrischer Genauigkeitsanforderungen unter statischen Belastungen wie Eigengewicht und Bearbeitungskräfte dimensioniert werden. Demzufolge kann bei einer guten Maschine das Bett ohne weiteres schwer sein, um die geforderte Steifigkeit zu erfüllen. Je weiter die Bauteile im Kraftfluss vom Bett entfernt (Ständer-Querbalken-Schieber- Spindel), das heißt je näher diese an der Zerspanungsstelle liegen, desto wichtiger wird es, die Steifigkeit in Leichtbauweise zu erreichen. Abb. 45: Gestell: statische, dynamische Steifigkeit <?page no="62"?> 54 Abb. 46: Verformungsanalyse einer Portal-Langfräsmaschine <?page no="63"?> 55 Material: Abb. 47: Lehr’sche Dämpfungsmaße von Werkstoffen (IFW) Grauguss Mit zunehmender Festigkeit der Graugussqualitäten sinkt deren Dämpfungsfähigkeit. Nominell gleiche Graugussqualitäten verschiedener Gießereien können im Dämpfungsverhalten Streuungen bis zu ±25% aufweisen, während auch Unterschiede in den Graugussfestigkeiten den Dämpfungswert bis auf das 3,5 fache verändern. Sandkerne auf Furanharz-Basis: Der Kern aus furanharzgebundenen Formstoff (oder phenolharzgebundenen Formstoff) zeichnet sich durch ein hohes Bedämpfungspotential aus. Der Grund für die hohe Bedämpfung ist der gewollte Zerfall des Bindemittels bei hoher thermischer Belastung. Dadurch bildet sich zwischen dem festen Sandkern und der Gusswand eine Übergangszone aus losem Sand. Im Vergleich zur Sandfüllung ist bei dem furanharzgebundenem Sandkern auch bei kleinen Schwingungsamplituden eine hohe Dämpfung der Struktur nachweisbar. Einflussfaktoren die bei der Sandfüllung die dämpfende Wirkung senken, sind bei innen belassenen Sandkernen vernachlässigbar und somit kann mit einem stabileren Verhalten bezüglich der dynamischen Eigenschaften gerechnet werden. <?page no="64"?> 56 Abb. 48: Schrägbett Maschinengestell Sphäroguss Das Dämpfungsverhalten verschiedener Sphäroguss-Sorten streut um 50%, wobei Probekörper mit rein perlitischen Gefügen im Vergleich zu ferritischen schwächere Dämpfungseigenschaften aufweisen. Stahlschweißkonstruktion Allgemein ist der Materialdämpfungswert von Grauguss doppelt so hoch als der von Stahl. Die Dämpfung in den Schweißfugen bei Stahlkonstruktionen wiegt jedoch diesen Nachteil in der Regel wieder auf. Für das gesamte Maschinengestell ist die Dämpfung in den Fügestellen von größter Bedeutung. Ihr Einfluss liegt um eine bis zwei Zehnerpotenzen über der der reinen Materialdämpfung. Die zwischen den Flächen einer Fügestelle in andere Energieformen umgewandelte Schwingungsenergie ist auf Schmiermittelverdrängungsvorgänge, auf Reibungs- und Verformungskräfte durch die kleinen Relativbewegungen in der Fügestelle zurückzuführen. Stahlschweiß-Verbund Konstruktion Verfüllen der Stahlblechkonstruktion mit Mineralguss oder Vergussbeton. Der Zementgebundene Vergussbeton mit Wasser zu mischende Werktrockenbeton ergibt eine pumpfähige, selbst verdichtende und selbst entlüftende Gießmasse. Das Bauteil benötigt innenseitig Verbundanker, wodurch ein Strahlen der Oberfläche überflüssig wird. <?page no="65"?> 57 16 Stunden nach dem Verfüllen kann das Bauteil bereits transportiert werden, nach etwa 14 Tagen erfolgt die Präzisionsbearbeitung und Lackierung. Nach 28 Tagen sind etwa 95% der Verformung aus Schwinden abgeklungen. Die restlichen Verformungen sind so klein, dass sie bei normalen Anwendungen kein Problem mehr darstellen. Wenn im genauen Bereich mit Ebenheiten und Parallelitäten < 1/ 10 mm gearbeitet wird, ist eine Wärmebehandlung erforderlich. Diese stoppt den chemischen Prozess, so dass danach das Material stabil ist und eine Präzisionsbearbeitung erfolgen kann. Maschinenbauteile werden dadurch ausgesteift und Schwingungsamplituden gedämpft. Beim Verfüllen bleibt die vertraute Metallhülle erhalten, was vor allem bei Einzelfertigungen und nachträglichen Änderungen für eine kurzfristige und problemlose Abwicklung sorgt. Die zementbasierte Vergussmasse hat den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Stahl. Thermische Einflüsse werden dadurch minimiert. Abb. 49: Kreuzschlitten mit Betonfüllung <?page no="66"?> 58 Mineralguss, Polymerbeton, Naturstein und High-Tech-Beton Massive Ständer und Maschinenbetten sind erforderlich, wenn bei schnellen Bearbeitungsgeschwindigkeiten gleichzeitig eine hohe Präzision gefordert wird. Aufgrund ihrer hohen Dämpfung sind Mineralguss, Polymerbeton, Naturstein und High-Tech- Beton das bevorzugte Material bei hochwertigen Fräs-, Dreh- und Schleifmaschinen. Die Entwicklung neuer High-Tech-Betone mit Optimierung von Bindemitteln im Nanobereich ermöglicht die einfache Herstellung derartiger Maschinenbauteile mit zementgebundenen Betonen auf rein mineralischer Basis Die Betone können gezielt auf konkrete Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität, Rohdichte, E-Modul und Optik, eingestellt werden. Die Lösungsmittel freie Gussmasse härtet unter normalen Umgebungsbedingungen aus. Durch Tempern des erhärteten Materials wird eine hohe Formstabilität erreicht, so dass dieser Beton erfolgreich bei Präzisionsbauteilen eingesetzt wird. Im Beton können Einbauteile vorgesehen werden. Das Material lässt sich einfärben, bohren, schleifen, spachteln und lackieren. Eine Geradheit, Ebenheit und Parallelität von 0,1 mm ist kostengünstig direkt aus der Form zu erreichen. Genauigkeiten von bis zu 0,005 mm können durch Schleifen der Betonoberfläche, alternativ durch Fräsen und Bohren von eingelegten Stahlleisten hergestellt werden. Das Abformen der Präzisionsflächen mittels Lehren und Epoxidharzen ist vor allem bei Serienbauteilen sehr wirtschaftlich. Der Beton hat einen zu Stahl vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Abb. 50: Maschinenbett Befüllung <?page no="67"?> 59 Abb. 51: Führungsbahnen im Betongestell (TH Saarland) <?page no="68"?> 60 Abb. 52: Kostenbestandteile eines Mineralgussgestells (Uni Kassel) Abb. 53: Maschinenbett aus Hochleistungsbeton (IFA) <?page no="69"?> 61 Metallschaum Eine große Herausforderung bei der Entwicklung hochdynamischer Maschinen besteht darin, schnell bewegte Baugruppen wie Schlitten, Tische, Verfahrportale und Ständer leicht aber auch steif und unempfindlich gegenüber Schwingungen zu konstruieren. Nur so können im Prozess höchste Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden. Aufgrund ihrer zellularen Struktur absorbieren Metallschäume eindrucksvoll Schwingungs- und Ruckenergien und sind daher die ideale Basis für Baugruppen, bei denen Leichtbau und Schwingungsdämpfung unverzichtbar sind. Für die Verwendung von Aluminiumschaum im Maschinenbau sprechen zwei grundlegende Eigenschaften: das geringe Gewicht das hohe Energieabsortionsvermögen Damit ist eine Erhöhung von Biegesteifigkeit und Schwingungsdämpfung in schnell bewegten Gestellkomponenten bei gleichzeitiger Massereduzierung möglich. Hinzu kommen bei Baugruppen aus Metallschäumen eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine sehr gute Abschirmung elektromagnetischer Wellen sowie ein problemloses Recycling. Eigenschafften von Aluminiumschaum Dichte 0,5-0,9 g/ cm ³ Querkontraktion 0,31-0,34 E-Modul (bei Schaumdichte von 0,7 g/ cm ³ ) Ca. 6300 N/ mm ³ Druckfestigkeit (bei Schaumdichte von 0,7 g/ cm ³ ) Ca. 15 N/ mm ³ Wärmeleitfähigkeit (bei Schaumdichte von 0,7 g/ cm ³ ) Ca. 20 W/ m K Werkstoffdämpfung (bei Schaumdichte von 0,7 g/ cm ³ ) Ca. 4,5 10 -3 <?page no="70"?> 62 3.2 Dämpfung von Hauptspindeln Durch Dämpfung lässt sich das dynamische Verhalten von Hauptspindeln wirksam verbessern. Dabei bietet die passive Dämpfung den besten Kompromiss hinsichtlich Kosten und technischen Eigenschaften. Die Produktivität einer Werkzeugmaschine hängt direkt von der erreichbaren Zerspanungsleistung unter Einhaltung der geforderten Werkstückgenauigkeiten ab. Werden allerdings die Schnittgeschwindigkeiten und Schnitttiefen zu hoch gewählt, so kann der Fräsprozess instabil werden. Die Instabilität wird durch die im Schnittprozess auftretenden Ratterschwingungen hervorgerufen. Die Ratterschwingungen haben eine schlechte Oberflächenqualität der zu bearbeitenden Werkstücke sowie einen höheren Werkzeugverschleiß zur Folge. Des Weiteren führen die Ratterschwingungen zu einer Beschädigung der Werkzeugmaschine, da ein erhöhter Verschleiß am Antrieb, an den Führungen und an den Lagern auftritt. Die möglichen Schnittparameter für den stabilen Betrieb einer Werkzeugmaschine werden in so genannten Stabilitätskarten dargestellt. Der stabile Bereich für die Bearbeitung ist dabei von der Drehzahl abhängig. Unterhalb einer bestimmten Mindestgrenzspanungstiefe ist die Bearbeitung jedoch für alle Drehzahlen stabil. Da die Ermittlung der Stabilitätskarten aufwändig ist und die stabilen Bereiche oberhalb der Mindestgrenzspanungstiefe teilweise sehr schmal sind, werden in der Praxis überwiegend Schnitttiefen unterhalb der Mindestgrenzspanungstiefe gewählt. Ziel der dynamischen Optimierung einer Werkzeugmaschine, beispielsweise durch Dämpfung, ist es deshalb immer, die Mindestgrenzspanungstiefe über den gesamten Drehzahlbereich zu erhöhen. Abb. 54: Wirkprinzipien der Dämpfung (FAG) <?page no="71"?> 63 Einfluss der Lagersteifigkeit Die statische Gesamtnachgiebigkeit einer Spindel setzt sich aus der Nachgiebigkeit von Welle, Lagern und Gehäuse zusammen. Vernachlässigt man die Nachgiebigkeit des Gehäuses, so lässt sich bei gegebener Auskragung des Werkzeugs, aus der Nachgiebigkeit der Welle und der Steifigkeit der Lager ein optimaler Lagerabstand ermitteln, für den die Auslenkung der Spindel an der Werkzeugspitze minimal wird. Erhöht man die Steifigkeit der Lagerung, insbesondere des werkzeugseitigen Lagers, so verringert sich die statische Auslenkung des Werkzeugs. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der Steifigkeit auch die Schwingungsamplitude des Werkzeugs kleiner. Weiter verringert sich durch Erhöhung der Lagersteifigkeit auch der optimale Lagerabstand. Wenn es konstruktiv möglich ist, die Welle zu verkürzen, verringert sich die Masse der Spindel, wodurch sich die Resonanzamplitude bei gleichzeitiger Steigerung der Eigenfrequenz ebenfalls verringert. Zu beachten ist, dass eine Erhöhung der Lagersteifigkeit ohne gleichzeitige Erhöhung der Wellensteifigkeit durch Verkürzung der Welle nur eine vergleichsweise geringe Erhöhung der Gesamtsteifigkeit zur Folge hat. Bei einer Steifigkeitserhöhung durch erhöhte Vorspannung ist weiter zu beachten, dass hierdurch die Belastung im Wälzkontakt steigt, was zu einer erhöhten Schmierstoffbeanspruchung führt und bei Fettschmierung die Fettgebrauchsdauer absenken kann. Umgekehrt führt eine Verringerung der Steifigkeit insbesondere des arbeitsseitigen Lagers, beispielsweise zum Einbringen einer Dämpfung, nicht zu einer Erhöhung der statischen Nachgiebigkeit. Der optimale Lagerabstand steigt ebenfalls an, so dass man die Welle eigentlich länger machen müsste, wodurch sich die Resonanzamplitude bei gleichzeitiger Absenkung der Eigenfrequenz erhöhen würde. Zur Steigerung der Mindestgrenzspanungstiefe kann die Konstruktion einer Spindel dynamisch optimiert werden. Positiv wirkt sich eine Erhöhung der Steifigkeit, eine Reduzierung der schwingenden Masse, beispielsweise durch Verwendung von Leichtbaumaterialien, sowie eine Steigerung der Dämpfung aus. Abb. 55: Lehr’sches Dämpfungsmaß <?page no="72"?> 64 Eine Erhöhung der Lagersteifigkeit ermöglicht kürzere Lagerabstände und damit eine Verringerung der Masse, was zu einer Absenkung der Resonanzamplituden bei gesteigerter Resonanzfrequenz führt. Darüber hinaus lässt sich durch Dämpfung das dynamische Verhalten einer Spindel am wirksamsten verbessern. Damit ist eine Verbesserung bereits durch vergleichsweise einfache Maßnahmen möglich, wie eine geänderte Materialwahl, die Nutzung der Fugendämpfung sowie Einbringen von dämpfenden Elementen aus Elastomer, wie O-Ringen oder axialen Dämpfungsringen. Abb. 56: Dämpfungsring zwischen Gehäuse und Lager Weitere Verbesserungen sind durch Squeeze-Film-Dämpfer möglich. Da eine Dämpfung nur unter Nutzung vorhandener Relativbewegungen erfolgen kann, wird die Wirkung der Dämpfung wesentlich von den Eigenformen der Spindel beeinflusst. Die Dämpfung muss zweckmäßigerweise da erfolgen, wo die Schwingungsbäuche der zu dämpfenden Eigenfrequenzen sind. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass insbesondere die Steifigkeit des arbeitsseitigen Lagers durch Hintereinanderschaltung von Lager und Dämpfer nicht zu sehr abfällt. Auch O-Ringe am Lageraußenring können zur Dämpfung der Spindel beitragen. Abb. 57: Spindel-Lager-System mit Dämpfer (FAG) <?page no="73"?> 65 3.3 Dämpfungseigenschaften von Werkzeugen Die Forderungen von Anwendern an Zerspanungswerkzeuge, diese bis an die Grenzbereiche der möglichen Schnittparameter einsetzen zu können, sowie der Einsatz auf verschiedenen Maschinenkonzepten setzen gute Dämpfungseigenschaften der Werkzeuge voraus. Mit Hilfe von Sensorik und Aktorik sind Werkzeuge mit verbesserten Eigenschaften möglich. Unterschiedliche Eigenschaften von Bearbeitungsmaschinen, die notwendige maschinenunabhängige Einsetzbarkeit der Werkzeuge, oft komplexe Bearbeitungsabläufe und die Forderung nach ständig steigenden Zerspanungsleistungen bringen den Bearbeitungsprozess nicht selten an seine Stabilitätsgrenzen. Die Gefahr auftretender Schwingungen im Hochleistungsprozess erfordert dann Werkzeuge mit besonderen Dämpfungseigenschaften. Die Dämpfung eines Werkzeuges lässt sich bereits konstruktiv in bestimmten Grenzen durch eine geeignete Werkstoffwahl sowie die geometrische Gestaltung beeinflussen. Die Wahl des Schneidstoffes, der Geometrie und der Parameter bietet weitere Möglichkeiten, Einfluss auf die Prozessdynamik zu nehmen. Es sind bereits Werkzeuge mit speziellen dämpfenden Einbauten bekannt. Typische konstruktive Lösungen in Werkzeugen, zum Beispiel in Bohrstangen, sind mit Masseelementen aufgebaute Viskositätsdämpfer nach dem Prinzip des Lanchester-Schwingungstilgers ausgeführt. Abb. 58: Wirkungsweise fremderregter Schwingungen (IFW) <?page no="74"?> 66 Anwendungen: Schwingungsgedämpfte Bohrstange Dieses Beispiel beschreibt die Integration eines Hilfsmassendämpfers in eine Bohrstange zum Drehen. - Gezeigt wird die Schwingung der Bohrstange mit Hilfsmassendämpfer nicht abgestimmt, beziehungsweise abgestimmt. - Durch O-Ringe wird die Federaufhängung realisiert. - Axiale Vorspannung ist möglich. Abb. 59: Schwingung gedämpfte Bohrstange <?page no="75"?> 67 Werkstückträger für das Außenrund- Umfangsschleifen Dieses Beispiel zeigt einen Absorber, der in den Werkstückträger für das Außenrund- Umfangsschleifen integriert wurde Abb. 60: Absorber im Werkzeugträger einer Rundschleifmaschine (IFW) <?page no="76"?> 68 Ringdämpfer in einer Trennscheibe Beispiel für einen passiven, flächigen Absorber. Es handelt sich um eine Trennscheibe für Gestein. Der Schalldruckpegel wurde durch diese Maßnahme um 10 dB(A) gesenkt. Dies entspricht 1/ 3 des ursprünglichen Schalldrucks. Abb. 61: Ringdämpfer in einer Trennscheibe (IFW) Zentrierspitzen Absorber Beispiel für Schwingungsdämpfung durch einen in den Reitstock einer Schleifmaschine integrierten Absorber <?page no="77"?> 69 Abb. 62: Zentrierspitzenabsorber (IFW) EWD Damper Ausdrehkopf Der neue Damper reduziert Vibrationen und Rattern beim Bearbeiten von tiefen Bohrungen und sorgt so für eine bessere Oberflächenbeschaffenheit und erhöhte Zerspanungsleistung. Der EWD Smart Damper überwindet das Problem der Vibrationen. Damit lassen sich sehr kurze Bearbeitungszeiten verwirklichen, die die Produktivität bis auf das zehnfache erhöhen können. Tests haben gezeigt, dass mit deutlicher Zeitersparnis vibrationsfrei tiefe Bohrungen erstellt werden können. So lässt sich beispielsweise mit einer Auskraglänge von 410 mm und einer Schnittgeschwindigkeit von 450 m/ min bei Stahl eine Vorschubgeschwindigkeit von 150 mm/ min erreichen. <?page no="78"?> 70 Abb. 63: Damper zur Bearbeitung tiefer Bohrungen (Big Kaiser) Abb. 64: Damper System (Big Kaiser) Schwingungsdämpfendes Kreiselsystem In der mechanischen Bearbeitung stellen Vibrationen die derzeitige physikalische Grenze für moderne Werkzeugmaschinen dar. Vibrationen führen zu schlechten Oberflächen, reduzieren die Standzeiten von Werkzeugen und erhöhen den Verschleiß an Werkzeugmaschinen. Dazu ist zur Dämpfung von fremderregten Schwingungen, beispielsweise durch den Zahneingriff des Werkzeuges bei der Bearbeitung, ein permanent angetriebener schnell drehender Kreisel nahe an der Wirkstelle, also der Stelle mit der größten Schwingungsamplitude, entwickelt worden. Dieses System misst über Sensoren die entstehenden Vibrationen und erzeugt über speziell entwickelte Aktoren in Echtzeit Gegenschwingungen, mit welchen die Vibrationen gelöscht werden. Der entscheidende Vorteil dieses aktiven Systems ist, dass jegliche Änderungen der Bearbeitungsbedingungen durch das System erkannt und automatisch in Echtzeit verarbeitet werden. <?page no="79"?> 71 Vier Komponenten bilden die Basis des aktiven Tilgersystems: der Aktor zur Kraftkompensation das elektronische Steuergerät einen Leistungsverstärker einen Beschleunigungssensor Abb. 65: Elektrische/ magnetische Schwingungsaktoren (Contitech) Die über das Lager auf Elemente der Werkzeugmaschine übertragenen Schwingungen werden mittels Sensor gemessen und einem elektronischen Steuergerät zugeführt. Dieses muss gemeinsam mit dem Verstärker das Sensorsignal so modifizieren, dass der Aktor eine Schwingung generiert, welche die gleiche Amplitude hat, aber um 180 Grad Phasen verschoben ist. Hierdurch kann eine störende Anregung ausgeglichen werden. Hörbare Frequenzen werden leiser und Vibrationen deutlich verringert. Zur Sicherung einer ausreichenden Kompensationswirkung muss die Gegenschwingung des Aktors im gesamten Arbeitsbereich (20-800 Hz) mit einer Genauigkeit von ± 5 Grad in der Phase und ± 0,5 dB in der Amplitude erzeugt werden. Ein Kernstück des aktiven Tilgersystems ist das elektronische Steuergerät, auf dem speziell entwickelte Regelalgorithmen implementiert werden. Eine Autotuning- Funktion übernimmt die Feinjustierung des Systems. Je nach Anwendung kann ein Steuergerät einen oder mehrere Aktoren gleichzeitig ansprechen. <?page no="80"?> 72 Abb. 66: Dynamic-Stabilizer einer Fräsmaschine (Solaruce) Abb. 67: Mechatronischer Schwingungstilger (Contitech) <?page no="81"?> 73 3.4 Dämpfungselemente geradliniger Führungen Mechanische Systeme lassen sich auf Feder-Massesysteme zurückführen und als 1- oder Mehrmassenschwinger betrachten. Regelkreise und rückgekoppelte Systeme können ebenfalls Schwingungen ausführen. Ein Maß für das Abklingen der Schwingungsamplitude ist der Dämpfungsgrad. Der Dämpfungsgrad Dmech ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig. Dadurch ist er meist nicht vorausbestimmbar und oft auch nicht reproduzierbar. Selbst Messwerte können nur bedingt von einer Maschine auf eine andere Maschine übertragen werden. Einflüsse sind Werkstückform, Oberflächenrauigkeit an Fügestellen, Werkstoffeigenschaften, Viskosität und Temperatur von Schmierstoffen, Höhe der Eigenfrequenz des Schwingers und bei Führungsbahnen die Geschwindigkeit. Physikalische Grundlage jeder Dämpfung ist der Energieentzug aus dem schwingenden System. Höhere Eigenfrequenz entzieht mehr Energie, bringt somit eine höhere Dämpfung. Die Forderung nach hohen Eigenfrequenzen ist somit auch für eine gute Dämpfung wichtig. Die vom Dämpfungsgrad abhängige Überhöhung im Frequenzgang der Mechanik beeinträchtigt bei niedrigen Eigenfrequenzen im Lageregelkreis die Höhe des Kv- Faktors. Bei hohen Eigenfrequenzen wird bei geringer Dämpfung die Stabilität des Drehzahlbeziehungsweise Geschwindigkeitsregelkreises gefährdet. Besonders an linearen oder rotatorischen Direktantrieben ohne die Dämpfung mechanischer Übertragungsglieder werden so die dynamischen Eigenschaften des Antriebs beeinträchtigt. Ausschlaggebend für die Dämpfung eines Schwingers ist die Berücksichtigung der Wirkrichtung der Störkraft. So ist im bewegten Vorschubtischsystem für die Stabilität im Lageund/ oder Drehzahlregelkreis die Dämpfung in Vorschubrichtung wichtig. Dagegen ist für die durch die Bearbeitungskräfte ausgelösten Ratterschwingungen die Dämpfung in der dazu senkrechten Richtung zu beachten. Äußere Dämpfung: Darunter fallen die Dämpfungseinflüsse durch Bewegungswiderstände. Ihre geschwindigkeitsabhängige Größe wird durch die Verläufe des Reibungsdrehmoments ausgedrückt. Hinzu kommt eine konstante richtungsabhängige Haftreibung, so dass mit einem einfachen Ansatz die Dämpfungskräfte und der Dämpfungsgrad in Grenzen bestimmbar sind. An ausgeführten Maschinen sind in engen Grenzen Beeinflussungen durch Wahl der Schmierstoffe und Veränderung der Flächenpressung der Führungen möglich. Die dämpfende Kraft FD am Maschinentisch in Vorschubrichtung ist Haftreibungskraft = Dämpfungsbeiwert x Vorschubgeschwindigkeit x Haftreibung Die Haftreibungskraft F Haft soll möglichst gering sein. Sie verursacht das Stick-Slip- Verhalten des Vorschubtisches. - und hydrostatischen Führungen erreichen. Wälzführungen sind hier im Nachteil, weil der dämpfende Einfluss eines Ölfilms nur ganz gering ist. Empfehlenswert sind deshalb gemischte Gleit- und Wälzführungen, <?page no="82"?> 74 die zusätzlich auch bei Schwingungen senkrecht zur Vorschubbewegung eine ausreichende Dämpfung ergeben. Abb. 68: Dämpfungsschlitten (Schaeffler) Innere Dämpfung: Hier werden die Verformungswiderstände in den federnden Bauteilen zur Dämpfung wirksam. Durch die Verformungsarbeit im elastischen Bereich der Befestigungsteile von Wälzführungen und Lagerungen, der Kupplungen und an den Rauigkeiten von Fügestellen wird eine Schwingung gedämpft. Zu bemerken ist, dass Dämpfung und Federung gemeinsam auftreten. Ein häufig angewandtes Modell ist die Parallelschaltung von Dämpferelement und Federelement. Als Richtwert für die innere Dämpfung an Maschinenteilen aus Stahl können etwa 0,02 <- Dmech <- 0,05 angesetzt werden. Der Energieentzug durch innere Dämpfung entsteht durch ein Hystereseverhalten im Weg-/ Dämpfungskraft-Diagramm. Die Form dieser Hystereseschleife hängt von der Form des Werkstücks und vom Material ab. Die Größe der umschriebenen Fläche ist ein Maß für die Verlustarbeit. Bei der Dämpfung in Vorschubrichtung wirken äußere und innere Dämpfung zusammen. Während bei Gleitführungen die äußere Dämpfung überwiegt, wird bei Wälzführungen weitgehend nur die innere Dämpfung in der Gewindespindellagerung und der Gewindemutter zur Dämpfung beitragen. Beim Linearmotorantrieb fehlen diese, so dass hier neben der Steifigkeit auch die Dämpfung weitgehend von den Regelkreisen erzeugt werden muss. Bei Zahnstangen-/ Ritzel Antrieben mit Wälzführungen wirkt im Wesentlichen nur die Dämpfung im Getriebe und der Ritzellagerung. Die Schwingungen senkrecht zur Vorschubbewegung werden bei Wälzführungen nur durch die innere Dämpfung an den Wälzkörpern abgeschwächt. <?page no="83"?> 75 Einige Hersteller liefern zur besseren Dämpfung so genannte Dämpfungsschlitten, die, zwischen den Führungswagen montiert, eine Verbesserung der Dämpfung der durch die Bearbeitungskräfte angeregten Schwingungen bringen. In Vorschubrichtung bewirken sie keinen zusätzlichen Widerstand. 3.4.1 Profilschienenführung mit Dämpfelementen Um die Bearbeitungskosten an einer Werkzeugmaschine so niedrig wie möglich zu halten, ist es notwendig, das Werkstück von der Vorbearbeitung bis zur Endbearbeitung mit einer ausreichenden Oberflächenstruktur in der gleichen Aufspannung zu belassen. Die Verwendung von Wälzführungen in Werkzeugmaschinen ist weit verbreitet. Es werden heute größere Anforderungen wie höhere Vorschub- und Eilganggeschwindigkeiten sowie präzise Positioniergenauigkeiten an eine Werkzeugmaschine gestellt. Um den einzigen Nachteil der geringeren Schwingungsdämpfung einer Wälzführung gegenüber der Gleitführung zu vermeiden, werden bei Wälzführungen zusätzliche Bauteile zur Schwingungsdämpfung in Längsführungssysteme eingebaut. Abb. 69: Schwingungsdämpfung einer Wälzführung Eine Linear-Wälzführung, ob auf Kugel- oder Rollenbasis aufgebaut, ist nicht in der Lage, Schwingungen ausreichend zu dämpfen. Der einzig sinnvolle Weg zur Erhöhung der Dämpfung des Gesamtsystems ist also ein zusätzliches Dämpfelement. Ein solches Dämpfelement kann entweder in der Linearführung integriert oder separat angeordnet sein. Allgemein ist am günstigsten das Dämpfungselement dort anzubringen, wo die größten Schwingungsamplituden auftreten. Dies ist auch bei Werkzeugmaschinen, wo Maschinenbett und Aufbau nicht vollkommen starr sind, nicht unbedingt an der Stelle der Wälzführung, wie im Bild skizziert. Erstrebenswert ist es jedoch, dass der Dämpfer in einem Arbeitsgang mit der Wälzführung und Dämpfungselement eine komplette, einbaufertige Einheit bilden. <?page no="84"?> 76 Abb. 70: Schwingungsformen von Werkzeugmaschinenkomponenten Eine kompakte Linearführung mit Dämpfer wird angeboten. Es handelt sich um eine Rollenführung, deren Wälzkörperreihen diametral angeordnet sind. Die Rollenumlaufführung kann Kräfte in zwei Richtungen und Momente um alle Achsen aufnehmen. Passend zu diesem System wurden Dämpfungsschlitten entwickelt, die in der Querschnittsfläche abmessungsgleich sind. Der Dämpfungsschlitten besteht aus einem Stahlgrundkörper. Der mittels eines patentierten Ausspritzverfahrens aufgebrachte inneren Gleitbelag besitzt einen Spalt von zirka 30μm zu allen Flächen der Führungsschiene. Der Dämpfungsfaktor d für einen Squeeze-Film-Dämpfer ist: d = x b³ / h³ x l = Ölviskosität b = Breite h = Squeeze-Filmhöhe l = Länge des Dämpfungselements <?page no="85"?> 77 Es ist ersichtlich, dass die Breite ein wesentlicher Faktor der Dämpfung ist. Wie aus der Formel zu ersehen ist, lässt sich aus diesem Zusammenhängen mit der Variablen l eine theoretisch unendlich große Fläche bilden. Dies hat zur Folge, dass der Dämpfungsfaktor einen hohen Wert annimmt, was auf eine besonders gute Dämpfung schließen lässt. In der Praxis wird aber mit zunehmender Länge ein „Sättigungsgrad“ an Dämpfung erreicht. Eine weitere Vergrößerung der Dämpfungsfläche verbessert die Dämpfungseigenschaften praktisch nicht mehr. Abb. 71: Maximalkraft bei schwingender Belastung von Linearwälzführungen und Squeeze-Film-Dämpfelementen <?page no="86"?> 78 Zusammenfassung: - Das Dämpfungsverhalten eines Kugelsystems mit 10% Vorspannung oder 30% Vorspannung unterscheidet sich nicht. - Im Allgemeinen zeigt sich, dass Wälzführungen nur vernachlässigbar geringe Dämpfungseigenschaften besitzen. - Eine wirkungsvolle Systemdämpfung, bei Erhalt der Wälzführungscharakteristik, kann nur mit Squeeze-Film-Dämpfungselementen (Dämpfungsschlitten) erzielt werden. - Eine Diskussion über das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten einer einzelnen Linear-Umlaufeinheit hat wenig Sinn. Das Verhalten muss immer bei eingebautem Zustand der Umlaufeinheit und im Zusammenhang mit der Umgebung betrachtet werden. - Bei Einbau von Dämpfungselementen in eine Maschine ist der wichtigste Faktor eine steife Führung. Nur mit Rollenelementen ist eine ausreichende Steifigkeit erreichbar. Abb. 72: Steifigkeit und Dämpfung von Linearführungen <?page no="87"?> 79 4 Durchhangkompensation Die Anfrage nach Portalfräsmaschinen zur Fertigung großer Werkstücke wie etwa Strukturbauteile oder Tragflächenkomponenten aus der Flugzeugindustrie nimmt zu. Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit dieser Maschinen im gesamten Arbeitsraum (= volumetrische Genauigkeit) steigt ständig und wird in Einzelfällen mit <50 Mikrometer angegeben. Um diese Genauigkeitsklasse zu erreichen ist eine sehr hohe Qualität der mechanischen Fertigung der Maschinenkomponenten und der Maschinenmontage selbst notwendig. Soll dieses Ziel mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erreicht werden, so ist der Einsatz neuester steuerungstechnischer oder mechanischer Kompensationsmethoden unerlässlich. Jede der drei Vorschubachsen einer kartesischen Werkzeugmaschine hat sechs Fehlerarten, die sich auf die Positionsabweichung des TCP (Tool Center Point) und den Orientierungsfehler des Werkzeugs auswirken: - Lineare Positionsfehler - Vertilaler Geradheitsfehler - Horizontaler Geradheitsfehler - Rollfehler - Nickfehler - Gierfehler Abb. 73: Bewegungsfreiheitsgrade geführter Werkzeugmaschinenmodule <?page no="88"?> 80 Hinzukommen bei kartesischen Maschinen zusätzlich die drei Rechtwinkligkeitsfehler der Achsen, so dass in einem vollständigen physikalischen Fehlermodell insgesamt 21 Fehlerarten am TCP wirken. Diese 21 Fehler erzeugen am TCP einer 3-achsigen Werkzeugmaschine sowohl einen Versatz der Werkzeugspitze als auch einen Orientierungsfehler des eingespannten Werkzeugs. Gewichtskräfte verursachen abhängig von der Position des Werkzeugs ein Durchhängen der Achsen. Diese Fehler werden vor der Inbetriebnahme der Maschine ermittelt und durch Kompensationstabellen ausgebessert. 4.1 Elektronische Kompensation Die neue Software „Volumetric Compensation System“ (VCS) für die Sinumerik 840D solution line ermöglicht die Kompensation aller 21 geometrischen Fehler der Werkzeugmaschinenachse in ihrer Auswirkung auf den TCP. Dabei ist eine spürbare Erhöhung der volumetrischen Genauigkeit im gesamten Arbeitsraum einer Portalfräsmaschine zu erreichen. Der Erfolg der Kompensation ist umso besser, je besser die Maschine und ihr Betreiber die nachfolgenden Voraussetzungen erfüllt: - Hohe Reproduzierbarkeit der Fehler. - Geringste Umkehrspannen der Achsen. - Vermeidung von Lose - Klimatisierte Fertigung Das heißt der Grad der erreichbaren Fehlerreduzierung hängt von der individuellen Gegebenheit der Maschine und ihren Einsatzbedingungen ab. Bei einer 3-achsigen Maschine kann der VCS nur der Volumenfehler am TCP korrigiert werden. Bei 5-achsigen Portalfräsmaschinen mit Dreh-Schwenkkopf ist es zudem möglich, auch den Fehler in der Orientierung des Werkzeugs zu korrigieren. Eine automatische Konvertierung der gemessenen Fehlerkurven in das Format der VCS-Datei ist sichergestellt für die Produkte der folgenden Sinumerik-Solution- Partner: - XL-80 der Firma Renishaw GmbH - XD-Laser der Firma Automated Precision Inc. - Laser-Tracer der Firma Etalon A.G. <?page no="89"?> 81 Abb. 74: Mögliche Schlittenbewegung in Folge von Führungsfehlern Des Weiteren kann mit diesen Geräten ein hohes Maß an Automatisierung beim Vermessen erreicht werden, so dass eine Maschinenkalibrierung in einem Tag durchaus erreichbar ist. Mit dem XD-Laser der Firma API können alle sechs Fehlerarten einer Vorschubachse gleichzeitig aufgenommen werden. Bei dem Verfahren der Firma Etalon werden die 21 Geometriefehler der Maschine basierend auf einer Vielzahl hochgenauer Längenmessungen im Arbeitsraum mathematisch berechnet. Basierend auf dem innovierten Laser-Interferometer XL-80 und dem zugehörigen Baukastensystem der Firma Renishaw lassen sich ebenfalls alle Fehlerarten mit höchster Genauigkeit bestimmen. Die Kalibrierung der Maschine kann auch durchgeführt werden von dem Dienstleister AfM Technology GmbH aus Aalen. Die Messungen basieren auf einem Laser-Tracer der Firma Etalon. Die Firma AfM ( Accuracy for Machines) ist Dienstleister für die Vermessung von Maschinenfehlern und die Inbetriebnahme des Volumetric Compensation Systems der Sinumerik 840 d solution line. Werkzeugmaschinen, insbesondere große, verändern sich während ihrer Betriebszeit zum Beispiel durch Verkrümmungen, Durchhang und so weiter oder durch das Absinken des Maschinenfundaments. Solche Fehler wurden früher durch die mechanische Korrektur der Maschine beseitigt. Heute kann die Rekalibrierung durch Vermessung der geometrischen Fehler und steuerungsseitige Kompensation mit Hilfe des Volumetric Compensation System (VCS) geschehen, so dass die Maschinenstillstandzeit auf Tage reduziert werden kann. <?page no="90"?> 82 Praktische Versuche zeigen, dass die Inbetriebnahme in einem Tag sicher abgeschlossen werden kann. Höhere Genauigkeiten der Maschine lassen sich mit geringen Ausfallzeiten schnell erzielen. Nacharbeitsaufwände gehen zurück und die Produktivzeiten steigen. 4.2 Mechanische Kompensation An großen Fahrständer-Fräsmaschinen können zusätzlich zu den Fräsköpfen auch Pinolen eingesetzt werden. Diese bringen aber das dreifache Gewicht von Fräsköpfen auf die Waage und führen deshalb zu einer Abweichung des Frässchiebers. Um diese Abweichung beziehungsweise die Toleranz auszugleichen wurde ein Durchhangkompensationssystem entwickelt welches den Frässchieber (RAM) über einen Drehpunkt steuert. Die Kompensations- und Regelwerte werden auf einem Monitor für den Bediener sichtbar gemacht. An der der Maschine zugewandten Seite des Frässchiebers erfolgt die entsprechende Regelung der Kompensation, indem die so genannten Querschieber, die in Y- Richtung wirken, verstellt werden. Somit kann der Anwender, je nachdem welche Pinole oder welchen Fräskopf mit jeweils unterschiedlichen Gewichten er einsetzt, die Korrektur des Frässchiebers vornehmen, beziehungsweise vom System dynamisch erfassen lassen. Das Ausgleichsystem arbeitet in Y-Richtung und auf die Null-Linie bezogen sowohl in positive als auch in negative Richtung, sodass praktisch ein sehr breites Toleranzfeld ausgeglichen werden kann. Ein NC-Servomotor sorgt für den Antrieb und damit für die Verstellung des Systems, das permanent und in jeder Position die richtige Einstellung vornimmt. Anwendungsbeispiel: „Dynamic CNC RAM Balance System“ der Firma Bimatec Solaruce Abb. 75: Dynamic CNC Ram Balance System (Solaruce) <?page no="91"?> 83 4.3 Durchhangkompensationssystem über vorgespannte Zugstäbe Über dem Frässchieber (RAM) und in der gesamten Länge sind im Abstand zwei vorgespannte Zugstäbe angeordnet. Je nach Belastung des Frässchiebers erfolgt die Vorspannung der Zugstäbe, welche die Durchhangkompensation übernehmen. Anwendungsbeispiel: - Vertikal Bearbeitungszentrum der Firma Rottler Abb. 76: Vertikal Bearbeitungszentrum (Rottler) <?page no="92"?> 84 4.4 Hydrostatische Durchhangkompensation Bei hydrostatisch geführten Frässchiebern besteht die Möglichkeit, über PM-Regler (Fabrikat Hydrostatik), welche über ein elektrisches Ventil angesteuert werden, den Durchfluss zu ändern. Dadurch werden die Spalte der Hydrostatiktaschen über ein 0-10 V Signal von der Steuerung um ±5 μm verstellt. Größere Verstellwege sind mit Hydrostatik nicht machbar. Diese Technik wird seit über 15 Jahren in Bohrwerken eingesetzt. Abb. 77: PM-Regler (Hyprostatik) <?page no="93"?> 85 5 Thermische Steifigkeit von Werkzeugmaschinen Temperatureinflüsse sind als eine der Hauptfehlerquellen in der Fertigungstechnik bekannt. Zunehmende installierte Maschinenleistung, höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten sowie eine Reduzierung des Kühlmitteleinsatzes führen bei ständig steigenden Qualitätsanforderungen zu einer erhöhten Wärmeeinbringung in die Maschinenstruktur und damit zu einer thermischen Drift zwischen Werkzeug und Werkstück. Nicht nur externe Einflüsse, wie zum Beispiel die Veränderung der Umgebungstemperatur, sondern auch interne Wärmequellen wie Antriebe, Prozesswärme oder Kühlmittel sorgen für ein inhomogenes Temperaturfeld in der Maschinenstruktur und damit für Abweichungen am Werkzeugbezugspunkt (Tool Center Point, TPC). Für einen Großteil der geometrischen Abweichungen an Werkstücken sind Temperatureinflüsse auf Werkzeugmaschinen verantwortlich. Lange Zeit wurden die Maschinenbetreiber allein für die Minimierung der thermischen Fehler durch eine entsprechende Betriebsweise der Maschine (Warmlaufzyklen, Klimatisierung der Umgebung) in die Verantwortung genommen. Doch diese Verantwortung geht immer mehr zu den Maschinenherstellern über: Deren Kunden erwarten mittlerweile möglichst temperaturstabile Maschinen für einen präzisen Betrieb unter sich ändernden Umgebungsbedingungen. So sollen Kosten für eine aufwändige Klimatisierung gespart und ein flexibler, hochpräziser Betrieb unter sich ändernden Umgebungsbedingung ermöglicht werden. Zeitraubende Warmlaufzyklen sollen konstruktiv überflüssig gemacht oder durch Kompensationsstrategien ersetzt werden. Externe Temperatureinflüsse Zu den externen Wärmequellen zählt zum Beispiel die Änderung der Umgebungstemperatur, eine von der Maschinentemperatur abweichende Temperatur der Rohteile oder Sonneneinstrahlung auf den Maschinenkörper. Je nach Umgebungsbedingungen der Maschine kann man eine verschieden stark ausgeprägte Änderung der Amplitude der gemessenen Abweichungen erwarten: Steht eine Maschine in einem nicht voll klimatisierten, von Sonneneinstrahlung geschützten Raum, so sind typischerweise Schwankungen mit einer Periode von 24 Stunden (Tag, Nacht Zyklus) und jahreszeitliche Änderungen zu messen. Oberlichter oder große Glasflächen beeinflussen das Verhalten der Maschine über Veränderungen der Umgebungstemperatur aber vor allem auch durch lokalisierte Erwärmung bestimmter Bereiche der Maschinenstruktur. Vorhandene Klimatisierungssysteme können einen großen Einfluss auf Werkzeugmaschinen ausüben. Durch den von Lüftern verursachten Luftzug (Konvektion) wird der Wärmeaustausch an der Oberfläche von Maschinen und Motoren verändert. Alle diese Effekte führen zu Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Zur genaueren Erforschung des Einflusses der Umgebungstemperatur werden Klimakammern verwendet, welche das Einstellen von Luftschichten verschiedener Temperatur ermöglichen. <?page no="94"?> 86 Interne Temperatureinflüsse Interne Wärmequellen sind ebenfalls Ursache für einen Temperaturgang. Wärmequellen sind zum Beispiel Verluste in Antriebsmotoren, Reibung in Gewindetrieben und Führungen, der Bearbeitungsprozess selber und Verluste in Pumpen und Leitungen. Wärmesenken sind zumeist Massen, die Umgebung, mit Kühlmittel überströmte Oberflächen und eingebaute Kühler. Durch den Wärmeeintrag in die Struktur oder die Wärmeabgabe entsteht ein inhomogenes Temperaturfeld. Analog zum Bimetalleffekt führt dies zu Deformationen der Maschinenstruktur, welche wiederum Fehler am TCP verursacht. 5.1 Mechanische Temperaturkompensation+ Thermische Optimierung von Werkzeugmaschinen Wesentlich ist für eine Verbesserung des thermischen Verhaltens einer Maschine ist nur die Relativverlagerung zwischen dem Werkzeug und der Zerspanungsstelle. Beide werden durch einen repräsentativen Punkt (Werkzeugreferenzpunkt, TPC) und eine bestimmte Richtung gekennzeichnet, um auch Winkeländerungen des Werkzeugs gegenüber dem Tisch zu erfassen. Diese Relativverlagerungen sind im Folgenden gemeint, wenn von Fehlern oder Abweichungen vom TPC gesprochen wird. Zur Reduktion derselben gibt es nun zwei grundlegend verschiedene Ansätze, die sich auch kombinieren lassen: Die weitgehende Minimierung der Ursachen, oder die steuerungsseitige Kompensation der entstehenden Abweichungen. Abb. 78: Gezielte Strukturschwächung eines Maschinenständers <?page no="95"?> 87 Eine Reduktion der Auswirkung externer thermischer Einflüsse kann durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden. Dabei ist erstes Ziel, Temperaturfelder zu homogenisieren. Ein thermosymmetrischer Maschinenaufbau führt zu einer gleichmäßigen Dehnung der Maschinenstruktur. Abb. 79: Thermisch bedingte Verlagerungen (Uni Berlin) Moderne Werkzeugmaschinen zur Grossteile Bearbeitung erreichen im thermisch stabilen Zustand bereits Positionierunsicherheiten im einstelligen Mikrometerbereich bei Bauteilgrößen von deutlich über 10m. Der Zustand der Werkzeugmaschine ist jedoch nur in den seltensten Fällen thermisch stabil, da sie im Allgemeinen einer Vielzahl von thermischen Randbedingungen unterliegt. Ausdehnungskoeffizienten von Gussbauteilen von rund 8 μm/ (mK) bewirken zusammen mit den großen Wirklängen der Großbauteilindustrie schnell enorme Verlagerungen. Bei 5m sind es schon 40 μm pro °C. Eine Verringerung der Wärmebelastung kann zum einen durch eine externe Installation dominanter Wärmequellen, Motoren und Getrieben, erzielt werden. Dies wird in der Praxis jedoch in einer Vielzahl von Fällen nicht realisiert werden können. Hier ist man auf eine Isolation der Wärmequellen gegenüber der Maschinenstruktur angewiesen. Durch eine Isolation bleibt die Maschinenstruktur kühler. In der Umgebung der Wärmequelle wird jedoch die Temperatur durch die verringerte Wärmeabfuhr ansteigen, so dass in vielen Fällen für eine zusätzliche Wärmeabfuhr zu sorgen ist. Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten können die Auswirkungen eines inhomogenen Temperaturfeldes in der Maschinenstruktur reduzieren. Zusätzlich können aber auch aktive Methoden, wie zum Beispiel die Regelung der Maschinenkühlung nach der Außentemperatur zum Einsatz kommen. <?page no="96"?> 88 Abb. 80: Maßnahmen gegen thermische Verformungen (Uni Duisburg) Diese Konzeption beinhaltet neben einer reinen Temperaturregelung auch eine lastabhängige Regelung des Kühlkreislaufes in Form einer Drehzahlaufschaltung. Neben derartigen Kühlmaßnahmen wird häufig eine Temperierung der gesamten Maschine oder einzelner Baugruppen realisiert. Dies kann durch eine Berieselung der interessierenden Struktur, wie Gehäusewände und Kugelrollspindeln, mit Kühlschmiermittel oder Schmieröl erfolgen. Auch kann durch entsprechend große, temperierte Flüssigkeitsreservoirs eine Temperierung in der Struktur erzielt werden. Abb. 81: Maßnahmen gegen thermische Verformungen (Uni Duisburg) <?page no="97"?> 89 Ähnlich kann auch die konstruktive Entschärfung innerer Wärmequellen erreicht werden. Durch die Verwendung von reibungsarmen Antrieben und Motoren mit hohen Wirkungsgraden wird weniger Verlustleistung in Form von Wärme ins System eingebracht. Die Verlegung von Wärmequellen, zum Beispiel Vorschubmotoren, Hydraulik- und Schmieraggregate an die Peripherie der Maschinenkonstruktion ist ebenfalls hilfreich. Eine aktive Kühlung von Vorschubachsen, Spindeln und deren Antriebsmotoren reduziert den Wärmeeintrag in die Maschinenstruktur. Eine passive Maßnahme hierzu wäre die thermische Isolierung einzelner Baugruppen. Durch die Temperierung einzelner Komponenten kann schließlich die Ausbildung eines inhomogenen Temperaturfeldes bei einem nicht zu vermeidendem Wärmeeintrag verhindert werden. Anstelle einer aufwändigen konstruktiven Reduktion der Ursachen Temperatur bedingter Abweichungen kann durch geeignete Kompensationsstrategien mit Hilfe der Steuerung die resultierende Abweichung am TCP verkleinert werden. Dabei können Hilfsachsen wie zum Beispiel aktive Kühl- und Heizelemente, Druckachsen in hydrostatischen Führungen oder zwischengeschaltete Piezoachsen Einsatz finden, während aber die Kompensation mit Hilfe der vorhandenen Achsen und einer Vorsteuerung eleganter und kostengünstiger ist Die Kompensationsstrategie benötigt Eingangssignale, die aus eigens dafür vorgesehenen Sensoren oder Daten aus der Steuerung stammen, verarbeitet diese im Rahmen eines thermischen Maschinenmodells und liefert die Stellgrößen für die Achsen. Messung von thermisch bedingten Verlagerungen Temperaturmessungen ermöglichen im Werkzeugmaschinenbau den Aufbau eines grundlegenden Verständnisses über den Wärmeeintrag durch bestimmte Komponenten und den Wärmefluss in der Maschinenstruktur. Hierfür stehen grundsätzlich gemäß berührend und berührungslos messende Systeme zur Verfügung. Zu den berührend messenden Temperatursensoren zählen Widerstandsthermometer (zum Beispiel Pt-100 / Pt-1000 Sensoren) oder Thermoelemente. Berührungslos messende Systeme erfassen die Temperatur der gemessenen Oberfläche über deren Infrarotstrahlung. Typische Geräte sind Pyrometer oder Infrarotkameras. Da die Ergebnisse berührungsloser Messverfahren eine hohe Abhängigkeit vom Emissionskoeffizienten der untersuchten Struktur zeigen, ist bei der Interpretation von Aufnahmen und vor allem bei der Bestimmung von Absoluttemperaturen Vorsicht geboten. Zur Messung von Verlagerungen kommen typischerweise taktile Messtaster oder berührungslose (kapazitive oder induktive) Näherungssensoren zum Einsatz. Die Norm ISO 230-3: 2007 beschreibt einen Messaufbau, der abhängig vom Abtastverfahren die Erfassung des Einflusses der Außentemperatur Veränderung („ETVE“-Environmental Temperature Variation Error) und die Erfassung von thermischen Abweichungen durch einen Wärmeeintrag über die Werkzeugspindel oder die Linearachsen ermöglicht. Hierbei wird zwischen Werkstück und Werkzeug mit 5 Sensoren gegen einen Präzisionsdorn gemessen. <?page no="98"?> 90 Abb. 82: Messgerät mit berührungslos, messenden, kapazitiven Sensoren Andere Systeme, die hier zum Einsatz kommen, sind zum Beispiel der Kugelstab(auch DBB: „Double Ball Bar“) oder Laser Tracer, bei denen die Längenänderung zwischen TCP und einer Reverenz (zum Beispiel Maschinentisch) während einer Bewegung gemessen wird. Weiterhin können je nach Messaufgabe Laserinterferometer, Kreuzgitter oder optische Verfahren wie Streifenprojektion oder Photogrammmetrie eingesetzt werden. Für die Messung thermischer Abweichungen von Rundachsen wird der in ISO 230 zur Anwendung empfohlene R-Test eingesetzt. Hier wird je nach Aufbau mit 3 oder 4 taktilen Heidenhain Tastern eine Präzisionskugel angetastet. Kugel und Taster sind jeweils getrennt voneinander werkstückbeziehungsweise werkzeugseitig montiert. Wird nun eine Bewegung einer Rundachse ausgeführt, kann durch Antasten der Kugel über Bewegung der linearen Achsen die Achsposition bestimmt werden. Eine periodische Ausführung dieser Messung, bei der ein ausgewählter Zyklus mit den Maschinenachsen oder der Spindel gefahren wird, ermöglicht die Bestimmung der thermischen bedingten Lageabweichungen. Werden zum Beispiel Dreh- und Schwenkachsen bewegt, kann deren Einfluss auf das thermische Verhalten bestimmt werden. Das Messsystem kann aber auch für die Messung anderer Einflüsse auf die Abweichungen am TCP (wie zum Beispiel die Umgebung) verwendet werden. 5.2 Elektronische Temperaturkompensation Eine Alternative zur konstruktiven Minimierung thermischer Einflüsse stellt deren steuerungsseitige Kompensation dar. Hierfür müssen allerdings vorherrschende Temperaturen, Quellen und Senken ausreichend bekannt sein. Weiterhin ist ein Modell erforderlich, welches den Zusammenhang zwischen einer zeitlichen und / oder örtlichen Temperaturänderung beziehungsweise Wärmeeinträgen und den Änderungen zwischen TCP und Werkstück beschreibt. Diese können dann in der Maschinensteuerung hinterlegt werden, um sie während des Betriebs mit den eigentlichen Verfahrbefehlen zu verrechnen und so zu kompensieren. <?page no="99"?> 91 Solch ein Kompensationsmodell benötigt Eingangsgrößen, die zum Teil aus der Steuerung selbst stammen, zum Beispiel Leistungen der Vorschubantriebe, oder von eigens dafür vorgesehenen Temperatursensoren stammen, die repräsentative Temperaturen aufnehmen. Eingangsgrößen können auch direkte Längenmessungen aus Dehnungssensoren oder durch Antastung zwischen TCP und einer Referenzfläche auf der Werkstückseite gewonnen werden. Die verwendeten Kompensationsmodelle unterscheiden sich hinsichtlich physikalischer Realitätsnähe, Rechenaufwand beziehungsweise Erstellungsaufwand. Je höher die Realitätsnähe und damit die Aussagesicherheit des Modells, desto höher der Rechenaufwand. Das Modell muss dabei nur in der Lage sein, die fünf relevanten Freiheitsgrade der Relativverlagerung des TCP gegenüber dem Werkstück darzustellen. Jedes Modell ist mit Vereinfachungen verbunden, weshalb man sich häufig mit Lösungen zufrieden gibt, die zum Beispiel 50% der Temperaturbedingten Verlagerungen vorhersagen und damit kompensieren können. Das Modell kann dann als Kalibriertabelle die mit thermischen Lastfällen zusammenhängenden Verlagerungen enthalten, die durch Versuche ermittelt wurden. Dabei ist der Rechenaufwand zwar klein, aber der Initialisierungsaufwand, nämlich die Messwerte mit genügender Dichte für genügend viele Lastfälle zu beschaffen, immens. Ähnlich groß ist der Aufwand, wenn die Umrechnung zwischen thermischen Lasten-Temperaturen - wie eingetragenen Verlustleistungen - durch Standardfunktionen (PT1 bis zumeist PT3) dargestellt wird, deren Parameter zu identifizieren sind. Der Vorteil ist, dass man thermische Lastfälle rechnerisch in ihren Auswirkungen überlagern kann. Auch Methoden der künstlichen Intelligenz wie neuronale Netze werden hierfür angewendet. Beide kennen die physikalischen Zusammenhänge nicht. Aufgrund des hohen Aufwands für eine ausreichend genaue Zustandsbestimmung wird diese Methode oft nur für einzelne Baugruppen mit großen thermischen Effekten, zum Beispiel Hauptspindeln, angewandt. Modelle mit hoher Aussagesicherheit entstehen durch Finite-Elemente-Lösungen der Wärmeleitungs- und der elastischen Gleichung. Hier ist der Aufwand zur eigentlichen Kompensationsrechnung sehr hoch, wobei allerdings der Temperaturgang auf der Werkzeugmaschine recht langsam ist und demnach die Neuberechnung von Kompensationswerten sogar bis zu einer Minute dauern darf. Einen guten Kompromiss zwischen beiden scheinen heute Thermobilanzmodelle darzustellen, die die physikalischen Zusammenhänge in stark vereinfachter Form, das heißt in sehr grober Diskretisierung berücksichtigen, daher an Aussagefähigkeit einbüßen, aber den Aufwand zur Initialisierung und zur Kompensationsrechnung drastisch senken. Bei der Kompensation muss berücksichtigt werden, dass vor allem Materialparameter von Konstruktionsbaustoffen wie der thermische Ausdehnungskoeffizient nur mit 10% Unsicherheit bekannt sind und eine Restunsicherheit der Kompensation damit unvermeidlich ist. Eine Verbesserung von Werkzeugmaschinen im Hinblick auf höhere Genauigkeiten unter Werkstattbedingungen erzwingt die Reduzierung von Temperatureinflüssen beziehungsweise Kompensation der damit verbundenen thermisch induzierten Verlagerungen am Werkzeugbezugspunkt zur Verfügung. Entsprechende Messverfahren und Messzyklen werden in einschlägigen Normen (ISO230-3, ISO10791-10, ISO 13041-8) zur Verfügung gestellt. <?page no="100"?> 92 Abb. 83: Thermische Verbesserung von Werkzeugmaschinen <?page no="101"?> 93 6 Werkstückvermessung Neben dem Werkstück als Messobjekt können auch Werkzeuge oder Maschinenparameter (zum Beispiel Wärmedehnung) vermessen werden. Die Messung erfolgt zum Sicherstellen der geforderten Werkstück Qualität und/ oder zur indirekten Vorbereitung und Überwachung des Fertigungsablaufes. Toleranzüberschreitung beruht zum Beispiel auf Werkzeugverschleiß. Messort und Zeitpunkt In-Prozess: das Werkstück wird noch im Arbeitsraum gemessen, entweder ständig während der Bearbeitung (kontinuierlich) oder zwischen den Arbeitsschritten (intermittierend). Post-Prozess: Die Messung erfolgt nach dem Bearbeitungsende in der Regel außerhalb des Arbeitsraumes. Messwerterfassung Bei der maschinenabhängigen Messung wird das Wegmesssystem der NC- Maschine benutzt. Es wird zum Beispiel ein eingewechselter Messtaster verwendet. Systematische Fehler im Wegmesssystem der Maschine werden nicht erkannt. Die maschinenunabhängige Messung arbeitet ohne Fehlereinfluss der Maschine. Stellgröße Werkzeugmaß, Zustellung/ Position, Vorschub Ein Beispiel für das Verstellen des Werkzeugmaßes ist die Bohrungsbearbeitung mit Verstellwerkzeugen. Die Zustellung wird zum Beispiel über die NC-Steuerung justiert, wenn beim Drehen ein Durchmesser nicht stimmt. Der Vorschub wird insbesondere verändert bei Abweichungen der Ist-Oberfläche von der Soll-Oberfläche. Messwert-Rückführung Die manuelle Rückführung bedeutet, dass die Bedienperson die notwendigen Maschineneingriffe vornimmt. Bei der automatischen Rückführung werden Maschinenverstellungen über eine Maßregelung (in der Werkstattsprache „Messsteuerung“ genannt) ausgeführt. <?page no="102"?> 94 Abb. 84: Messtaster mit Anwendungen (HS Augsburg) Abb. 85: Maßüberwachung und Maßkorrektur (HS Augsburg) <?page no="103"?> 95 Abb. 86: Maßgeregelte Bohrungs-Feinbearbeitung (HS Augsburg) <?page no="104"?> 96 7 Werkzeugmess- und Überwachungssystem Zweck dieser Einrichtung ist das Vermeiden von Ausschuss und der Schutz der Maschine. Beim Überschreiten des Grenzwertes oder bei Werkzeugbruch soll ein Signal ausgegeben oder ein Schwesterwerkzeug eingewechselt werden. Die Ausgabe eines Signals soll den Maschinenbediener warnen und/ oder weitere Aktionen in der Steuerung veranlassen wie zum Beispiel Vorschubreduzierung bis der Schnitt beendet ist. Werkzeug messen Istmaß ermitteln für CNC-Steuerung - Maßkompensation - Verschleißerkennung und- Kompensation Werkzeug überwachen - Standzeitüberwachung o Messen der Einsatzzeit eines Werkzeugs - Verschleißüberwachung o Erfassen von Grenzwertüberschreitungen Zum Beispiel Schnittkraft o Geräuschanalyse o Messen des Werkzeuges o Indirekt über Messen des Werkstückes - Bruchüberwachung o Überprüfen der WZ-Länge o Werkstücküberwachung Zum Beispiel falsche Maße oder fehlende Bohrungen o Indirekt durch Erfassen von sprungartigen Kraftänderungen beim Bearbeiten Standzeitüberwachung Einsatzzeit eines Werkzeugs wird gemessen. Beim Überschreiten einer programmierten Zeit wird das „Standzeitende“ erkannt und ein Signal ausgegeben oder ein Schwesterwerkzeug eingewechselt. Es wird eine empirisch ermittelte Standzeit vorgegeben; der tatsächliche Verschleiß bleibt unberücksichtigt <?page no="105"?> 97 Abb. 87: Standzeitüberwachung Verschleißüberwachung Überschreiten die Schnittparameter eine definierte Grenze wird ein Signal ausgegeben oder Schwesterwerkzeug eingewechselt. Schnittparameter wie Schnittkraft, Schnittleistung, Vorschub-Passivkraft, Schwingamplituden, Schall werden über Sensoren ermittelt. Der Verschleißzustand kann auch über das Vermessen der Werkzeugschneide oder direkt über das Vermessen des Werkstückes ermittelt werden. Abb. 88: Verschleißüberwachung (HS Augsburg) <?page no="106"?> 98 Bruchüberwachung Verschleiß kleiner Werkzeuge mit geringen Schnittkräften nicht über Sensoren erfassbar. Brucherkennung durch Erfassen großer Sprünge der Schnittparameter bei entsprechend großen Werkzeugen. direkte Kontrolle durch Abtasten des Werkzeuges oder indirekt durch Abtasten des Werkstückes zum Beispiel nach fehlenden Bohrungen. Abb. 89: Werkzeugüberwachung (HS Augsburg) Das System sollte ständig vier Grenzwerte überwachen: - Grenzwert I für den Werkzeugverschleiß. Dieser Alarm kann benutzt werden, um nach Beendigung der Operation einen Werkzeugwechsel einzuleiten. - Grenzwert II für den Werkzeugbruch. Dieser Alarm sollte verwendet werden, um bei einem Werkzeugbruch die Maschine sofort zu stoppen. - Grenzwert III zur Schnitterkennung. Dieser Alarm wird verwendet, um zu erkennen, ob das Werkzeug im Eingriff ist oder nicht. Er kann Hinweise auf ein fehlendes Werkzeug oder Werkstück liefern. <?page no="107"?> 99 - Grenzwert IV zum Schutz vor Kollisionen. Dieser Alarm sollte, ähnlich wie Grenzwert II, die Maschine sofort stillsetzen. Er wird zum Schutz der Maschine verwendet. Abb. 90: Werkzeugbruchüberwachung (HS Augsburg) <?page no="108"?> 100 Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung Indirekte Kontrolle während der Zerspanung über Wirkleistung, Zerspankraft, Körperschall. Vorteile: - Die Messung verlängert nicht die Produktionszeit - Die Maschine wird im Augenblick des Werkzeugbruchs gestoppt - Entlastung des Maschinenbedieners bezüglich „Ohr am Prozess“ - Keine zusätzlichen Einbauteile (zum Beispiel Schwenktaster) in Werkzeugnähe - Verschleißfreie Sensoren Nachteile: - Bietet nicht bei allen Werkzeugen und Brucharten eine 100% Erkennungssicherheit - Teilweise wird der Bruch erst beim Anschnitt des nächsten Werkzeuges erkannt, zum Beispiel im Fall der Gewindebohrerbruchkontrolle mit Wirkleistung und Bruch im Augenblick der Drehrichtungsumkehr. Postprozess Werkzeugüberwachung Geometriekontrolle der Werkzeugschneide vor oder nach der Zerspanung mit Tastern, Lichtschranken oder ähnlichen Einrichtungen. Vorteile: - Zum Teil höhere Brucherkennungssicherheit. - In der Regel einfache Handhabung. Nachteile: - Die Messung kann die Produktionszeit verlängern. - Die Maschine wird erst nach dem Werkzeugbruch gestoppt, das heißt gegebenenfalls - Beschädigung des Werkstückes oder der Maschine oder des Werkzeughalters infolge beim Bruch auftretender Kräfte. - Nicht alle Prüfmethoden sind verschleißfrei. Zusammenfassung: Werkzeuge primär prozessbegleitend kontrollieren. Kleine Werkzeuge dürfen auch postprozess kontrolliert werden beziehungsweise müssen teilweise postprozess kontrolliert werden. <?page no="109"?> 101 Anwendungsbeispiele: Abb. 91: Körperschallmessung über einen Kühlmittelstrahl (Nordmann) <?page no="110"?> 102 Abb. 92: Prozessüberwachung beim Schleifen (Nordmann) <?page no="111"?> 103 Abb. 93: Werkzeugüberwachung in Transferstraßen (Nordmann) <?page no="112"?> 104 Abb. 94: Sensorüberwachung in CNC-Drehmaschinen (Nordmann) <?page no="113"?> 105 Abb. 95: Vorschubkraftmessung in Mehrspindelbohrköpfen (Nordmann) <?page no="114"?> 106 Abb. 96: Messung des Aufprallgeräusches am Werkzeug (Nordmann) <?page no="115"?> 107 7.1 Diagnose- und Prozessüberwachungssystem Das Diagnose- und Überwachungssystem ist für den Gesamtzustand der Maschine zuständig. Das Prozessüberwachungssystem bleibt auf den eigentlichen Bearbeitungsprozess konzentriert. Wechselwirkungen mit dem Werkzeug- und Werkstücküberwachungssystem sind in die Gesamtüberwachung mit einzubeziehen. Die Fertigungsvorgänge unterliegen einer großen Zahl von inneren und äußeren Störeinflüssen. Die Anwendung der Fehlerfrühdiagnose beginnt im Gegensatz zur Fehlerdiagnose bereits vor Eintritt eines Störungsfalles. Beispielsweise wird versucht, eine Zustandsverschlechterung anhand des Driftverhaltens von ausgewählten Kennwerten im Zeit- und Fertigungsablauf so frühzeitig zu erkennen, dass eine mögliche Qualitätsminderung oder eine Maschinenstörung vermieden werden kann. „Condition Monitoring“ bezogen auf Werkzeugmaschinen Erkennen von Schäden an relativ zueinander bewegten Maschinenteilen Schwingungs- und Schallmessungen; Messung periodischer Schwingungen mit Frequenzanalyse, Spektrum, Schallemission, Stoßimpulsmessung und so weiter. Bestimmen von Fremdstoffen in Betriebsmedien: Öl/ Schmierstoffanalyse, Magnetstopfen, Filter. Abstands- und Dickenmessung (Spiel, Abrieb) Erkennen von Veränderungen in der Funktionsfähigkeit der Maschine - Messung von Parametern wie Druck, Temperatur, Durchsatz, Drehzahl, Kraft, Leistungsaufnahme. - Bestimmung von abgeleiteten Größen wie zum Beispiel Wirkungsgrad - Aufnahme von Kennlinien - Taktzeitanalyse - Wegmessung (Endschalter) - Erkennen von Veränderungen am Verfahrensablauf - Werkzeugverschleiß oder Bruch - Temperaturmessung am Werkzeug - Spanform - Schwingungen, Temperaturen, Emissionen (zum Beispiel Staubgehalt) und so weiter. Erkennen von Veränderungen am Verfahrensergebnis (Werkstück) Überschreitung von Maß-, Form- und Lagetoleranzen Fehlende Bearbeitungsschritte, zum Beispiel fehlende Bohrungen Oberflächengüte <?page no="116"?> 108 Abb. 97: Condition Monitoring in Arbeitsspindeln (Promicron) 7.2 Identifikationssystem RFID (Radio-Frequency-Identification) Technologie für Sender-Empfänger-System zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen. Unterscheidung zwischen fest codierten und frei beschreibbaren Datenträgern. Die Datenübertragung erfolgt berührungslos in der Regel induktiv. Die Einsatzgründe liegen in der einfachen Datenhaltung und Datenübertragung. RFID-Systeme erweitern die Möglichkeiten der rechnergestützten Werkzeugverwaltung. Es ermöglicht den Einsatz von Werkzeugdatenbanken mit Anwendung in der Lagerverwaltung, Auftragsverwaltung, Wiederbeschaffung, Betriebsdatenerfassung und in PPS (Produktionsplanungs- und Steuerungssystem). Die montierten Werkzeuge bestehen aus verschiedenen Einzelteilen. Es lassen sich die Stücklisten und Montageinformationen ebenfalls speichern. Wie im folgenden Bild erkennbar ist, lassen sich Vergangenheit, aktueller Zustand und Zukunft des Werkzeuges elektronisch dokumentieren. <?page no="117"?> 109 Abb. 98: Speicherinhalt von frei beschreibbaren Infoträgern (HS Augsburg) Abb. 99: Einsatz von Werkzeugidentifikationssystemen <?page no="118"?> 110 7.3 Werkzeugsysteme Abb. 100: Werkzeugsystem bei Fräsmaschinen (HS Augsburg) Abb. 101: Steilkegel mit innerer Kühlmittelzuführung (HS Augsburg) <?page no="119"?> 111 Abb. 102: Werkzeugspannung in Spindeln (HS Augsburg) Abb. 103: Werkzeugsystem bei Drehmaschinen (HS Augsburg) <?page no="120"?> 112 8 Riementriebe Beim Einsatz von Riementrieben bei Werkzeugmaschinen gibt es abhängig vom Einsatzfall die verschiedensten Optionen. Aus dem modernen Maschinen- und Anlagenbau sind Antriebsriemen nicht mehr wegzudenken. Sie überzeugen durch eine hohe Lebensdauer, Wirtschaftlichkeit sowie Geräusch- und Gewichtsreduzierung. Kraftschlüssige Antriebe mit Keilriemen werden dann eingesetzt, wenn keine synchronen Bewegungen erforderlich sind und der Antrieb Schlupf haben soll, damit der Riemen bei Überlastung durchrutscht - zum Beispiel in Zerkleinerungsmaschinen, bei denen bei der Blockade durch zu viel Materialzufuhr das Durchrutschen des Riemens größere Schäden am Antrieb verhindert. Abb. 104: Zugmittel für Umschlingungsgetriebe (Weck) <?page no="121"?> 113 8.1 Riementriebbauarten Keilriemen Für Geschwindigkeiten bis etwa 60 m/ s sind Elastomerkeilriemen oder Keilrippenriemen ausreichend. Oberhalb von 60m/ s sind Keilriemen aus Polyurethan des Typs Polyflex die beste Wahl, vor allem als Verbundriemen. Wesentliche Eigenschaften dieser Riementriebe sind das geringe spezifische Gewicht der Riemen, die hohe Leistungsdichte im Vergleich zu anderen Riementypen, sowie der leise und ruhige Lauf auch bei hochdynamischen Betrieb. Neben dem Riemenaufbau und den verwendeten Materialien wird dies auch durch einen speziellen Keilwinkel von 60° erreicht. der Antriebe mit Umfangsgeschwindigkeiten bis 100m/ s gestattet. Dieser spezielle Keilwinkel des Riemens erfordert die Verwendung von Sonderscheiben. Gängige Keilriemenscheiben haben einen Winkel von 34° bis 38°, in Abhängigkeit vom Durchmesser. Die Herstellung von Riemenscheiben mit speziellem Flankenwinkel stellt für die Hersteller der Werkzeugmaschinen jedoch meist kein Problem dar. Synchronriemen Handelt es sich bei dem Einsatzfall um einen Positionierantrieb und läuft dieser auch noch mit einer Drehzahl in Größenordnungen von mehreren Tausend Umdrehungen, muss die Lösung jedoch bei den Synchronriemen gesucht werden. Reibschlüssige Antriebe sind hierfür nicht geeignet. Synchronriemenantriebe werden immer häufiger anstelle von einfachen Getrieben und Ketten genutzt, die nicht für höhere Umdrehungszahlen ausgelegt sind, laut sind und eine häufige Wartung erfordern. Für die richtige Auslegung von Synchronriemen für hohe Umdrehungszahlen ist es erforderlich, die folgenden drei Grundsätze zu berücksichtigen: Eine geeignete Zahnteilung und ein geeignetes Zahnprofil entsprechend der zu übertragenden Leistung und der auftretenden Drehzahl zu wählen. Eine zu geringe Zahnteilung führt zu einem hohen Bauraumbedarf und einem höheren Geräuschpegel. Zu große Teilungen hingegen erfordern größere Durchmesser der Riemenscheiben und sind ebenfalls laut. Geeignet sind Riementriebe mit hoher Leistungsdichte und gleichzeitig kleinstmöglicher Zahnteilung. Für Antriebe mit hohen Drehzahlen und Antriebsleistungen bis zu 100 kW werden meist 8 mm Teilungen und Riemen mit Evolventen Verzahnung des Profils GT eingesetzt. Für sehr kompakte Riementriebe kann auch eine 5 mm Teilung mit einem hoch festen Carbon Zugstrang empfohlen werden. Kleinere Teilungen von 2 und 3 mm werden für kleine Leistungen und sehr genaue Positionierungen, Abmessungen, Feinbearbeitungen oder Gravuren verwendet. Riementriebe mit einer minimalen Breite zu wählen, um einen möglichst geringen Geräuschpegel zu erzielen. Als vorteilhaft hat sich der Einsatz von mehreren geteilten Riemen auf einer Riemenscheibe mit Trennscheiben erwiesen. Die Breite der Riemen bei dieser Art von Antrieben liegt bei 12 bis 30 mm für Drehzahlen von etwa 10 000 U/ min bei Verwendung einer 8mm Teilung. Die Einstellung der korrekten Vorspannung, da sie bei Synchronriementrieben mit hohen Drehzahlen die Lebensdauer, Wärmeentwicklung, den Geräuschpegel und die Zuverlässigkeit der Elemente beeinflusst. Die Vorspannung hat auch einen wesentli- <?page no="122"?> 114 chen Einfluss auf die Steifigkeit des Systems. Daher ist es bei der Dimensionierung eines Riementriebs bereits in der Konzeptphase erforderlich, Steifigkeit und Vorspannung der Riemen zu berücksichtigen. Die Vorspannung der Riemen sinkt zunächst aufgrund des Einlaufverhaltens nach dem Einbau, ist danach aber bei richtiger Riemenauswahl für den Rest der Lebensdauer nach dem Einlauf konstant. Daher können Antriebe mit Synchronriemen als dauerhaft wartungsfrei über den Zeitraum der Lebensdauer betrachtet werden, die in Abhängigkeit von der Abnutzung der Riemenscheiben auch einige Zehntausend Betriebsstunden betragen kann. Der Arbeitsmodus von Werkzeugmaschinen ist in der Regel komplex. Schrupparbeiten erfolgen bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispielbei 200 U/ min und die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bei 10 000 U/ min. Es ist angebracht, bei derartig komplizierten Bedingungen die Auslegung des Riementriebs mit Hilfe einer geeigneten Berechnungssoftware durchzuführen. Abb. 105: Zahnriemengetriebe mit synchroner Energieübertragung Abb. 106: Ausführungen von Zahnriemen-Linearachsen <?page no="123"?> 115 8.2 Fertigungstoleranzen von Zahnriemengetrieben Zur Gewährleistung der Funktion des Getriebes ist der Zahnriemen mit einer definierten Vorspannkraft zu beaufschlagen. Ist diese zu groß, erhöhen sich die Verluste im Getriebe. Der Zahnriemen und die anderen Getriebeglieder erwärmen sich und folglich reduzieren sich der Wirkungsgrad und die Lebensdauer. Weiterhin kann ein zu stark vorgespannter Zahnriemen reißen, was zum plötzlichen Versagen des Getriebes führt. Bei zu geringer Vorspannkraft besteht die Gefahr, dass der Zahnriemen überspringt. Dies beeinträchtigt die Übertragungsgenauigkeit und kann durch die hohen Kräfte beim Übersprung ebenfalls zu einem Versagen des Zahnriemengetriebes führen. Weiterhin verschleißen dadurch die Zahnflanken übermäßig stark. Die Eigenfrequenz der Trume wird kleiner und regt in der Folge leichter unerwünschte transversale Trumschwingungen an. Die Lebensdauer des Getriebes wird deshalb auch bei zu geringer Vorspannung verkürzt. Um eine hohe Funktionssicherheit und Lebensdauer zu erreichen, darf die Vorspannung also weder zu klein noch zu groß sein. Die Höhe der einzustellenden Vorspannkraft ist jedoch nicht nur abhängig von den Belastungsbedingungen sondern auch von verschiedenen Getriebetoleranzen, wie zum Beispiel Länge des Zahnriemens, Achsabstand oder exzentrische Lagerung beziehungsweise Rundheitsabweichungen der Riemenscheiben, sodass eine „optimale“ Vorspannung in der Regel nicht erreicht wird. Abb. 107. Zweischeibenantrieb, Mehrscheibenantrieb, Mehrscheibenantrieb Die verwendete Spannmethode hat einen wesentlichen Einfluss auf die Vorspannung und deren Abweichung infolge der Getriebetoleranzen, zudem hängt deren Auswahl sowohl von den Betriebsbedingungen als auch vom verfügbaren Platz ab. Jedes Zahnriemengetriebe besteht aus einzelnen Komponenten, deren geometrische Abmessungen und physikalische Eigenschaften mit zulässigen Toleranzen versehen sind. Diese sind material als auch fertigungsbedingt und haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Übertragungsverhalten des Getriebes. Für den Zahnriemen sind toleranzbehaftete Eigenschaften wie zum Beispiel Riemenlänge, Zugsteifigkeit und Biegesteifigkeit relevant. Die Riemenlängentoleranz ist abhängig von der Gesamtlänge, dem Riementyp und dem Hersteller. Für einen HTD-Zahnriemen mit einer Wirklänge von 560 bis 800 mm ist eine Längentoleranz von ±0,6 mm erlaubt. Zulässige Abweichungen der Biege- und Zugsteifigkeit werden im Allgemeinen nicht angegeben, jedoch sind hier nach eigenen Erfahrungen Unterschiede bis etwa 20% möglich. <?page no="124"?> 116 Die Zahnscheiben des Getriebes besitzen folgende wichtige Fertigungstoleranzen. - Einzel- und Summenteilung - Maß und Rundheitsabweichungen des Außendurchmessers - Lageabweichung der Bohrung Nach ISO 13050 beträgt zum Beispiel die zulässige Toleranz für die Einzelteilung von HTD-Riemenscheiben 0,03 mm. Für eine HTD-Scheibe mit einem Außendurchmesser von 50,8 bis 101,6 mm darf der zulässige Summenteilungsfehler 0,1 mm betragen und der Außendurchmesser maximal 0,1 mm größer sein. Weiterhin ist eine Rundlaufabweichung von 0,13 mm zulässig. Die Lager der Zahnriemenscheiben besitzen ebenso Rundlauftoleranzen, welche jedoch in der Regel geringer als die der Scheiben sind. Je nach Genauigkeitsklasse, Lagertyp und Lagergröße, kann diese zum Beispiel für Rillenkugellager mit einem Innendurchmesser von 18 mm bis 30 mm bei der Genauigkeitsklasse P6 bis zu 0,018mm betragen. Auch der Achsabstand kann eine Längenabweichung aufweisen, welche im Allgemeinen nach DIN ISO 2768 toleriert ist. Diese beträgt für Achsabstände von 120 bis 400 mm und die Toleranzklasse „mittel“ ±0,5 mm (etwa 0,2%). Polyurethan-Synchronriemen Langsam laufende Antriebe mit hohem Drehmoment, zum Beispiel ab einigen Umdrehungen pro Minute bis zu 1 000 U/ min, können durch Riementeilungen von 14 mm gelöst werden. Das Drehen von Spindeln oder Tischen wird durch Endlosriemen, meistens mit Carbon-Zugstrang, der die geeignete Steifigkeit bietet, gelöst. Für den automatischen Wechsel von Werkzeugen und Werkstücken werden endliche Synchronriemen oder Flachriemen aus Elastomer oder Polyurethan eingesetzt, die in Klemmplatten eingespannt sind. In Abhängigkeit von der zu bewegenden Masse werden Riementriebe bei hohen Beschleunigungen und Verzögerungen auch bis zu 60 m/ s² eingesetzt. Bei Riementrieben mit hohen Drehzahlen ist generell auf eine gute Auswuchtung der Riemenscheiben zu achten. Nicht ausgewuchtete Riemenscheiben verursachen Vibrationen. Bei Riemenscheiben aus Guss droht bei hohen Drehzahlen sogar die Gefahr des Auseinanderbrechens. Ein dynamisches Auswuchten einer Riemenscheibe ist nur auf der Welle sinnvoll auf der sie endgültig verbaut wird. Das Auswuchten der Riemenscheiben ab Lager hat bei Anwendern schon häufig zu Problemen geführt. Damit die Riementriebe ihre Funktion zuverlässig und dauerhaft erfüllen, müssen sie gegeüber Umwelteinflüssen resistent sein. Nicht selten kommen die Riemen in Werkzeugmaschinen mit aggressiven Flüssigkeiten oder zumindest Öldämpfen in Kontakt. Für solche Anwendungen sind Elastomerriemen in der Ausführung HSN/ HNBR oder Polyurethan-Riemen geeignet. Polyurethan-Keilriemen sind zwar gegenüber einer aggressiven Umgebung resistent, wenn Öl in die Rillen der Keilriemenscheibe gelangt besteht allerdings die Gefahr des Durchrutschens. Der kompakte Aufbau von Werkzeugmaschinen hat eine schlechtere Wärmeableitung zur Folge. Für Temperaturen bis 100°C sind Polychloroprenriemen, für Temperaturen bis 130°C Riemen in der Ausführung HSN/ HNBR, spezielle Ausführungen von Polyurethanriemen und aus EPDM-Gemisch hergestellte Standardriemen des Typs Quad Power geeignet. <?page no="125"?> 117 8.3 Geräuschentstehung bei Zahnriemengetrieben Das Zahnriemengeräusch entsteht aufgrund der geometrischen Bedingungen des unstetigen Zahneingriffs (Polygoneffekt). Hierdurch läuft der Riemen nicht kontinuierlich in einem tangentialen Berührpunkt auf die Riemenscheibe auf, sondern jeder Zahn gelangt mit einer gewissen Aufschlaggeschwindigkeit zum Eingriff. Beim Auftreffen des Riemenmaterials auf die Zahnscheibe wird Luftschall erzeugt und im wesentlichem unmittelbar am Ort des Zahneigriffs abgestrahlt. Weil die Schallenergie hauptsächlich mit der Zahneingriffsfrequenz und deren Harmonischen emittiert, ergibt sich der typische, tonale und oberwellenreiche Klang. Die in Schall umgesetzte Leistung steigt sehr stark mit den bei jedem Zahneingriff in Berührung kommenden Flächen, so dass die Breite des verwendeten Zahnriemens großen Einfluss auf die Höhe der Schallemission hat. Weiter ist die Schallenergie als Summe der mit jedem Zahneingriffsvorgang in Schall umgesetzten Teilenergien stark von der Zahl dieser Eingriffe pro Zeiteinheit - also von der Riemenumlaufgeschwindigkeit - abhängig. Dabei ist es unerheblich, ob die entsprechende Riemenumlaufgeschwindigkeit durch hohe Drehzahl bei Verwendung kleiner Scheiben oder durch große Scheibenradien zustande kommt. Gemäß dieser Entstehungsmechanik ist die Schallabstrahlung auf der An- und Abtriebsseite gleich, sie wird auch von den übrigen Parametern des Zahnriementriebes(Achsabstand, Vorspannkraft, Übersetzungsverhältnis und Lastmoment) nicht wesentlich beeinflusst. Bei Riemenumlaufgeschwindigkeiten oberhalb 25 m/ s macht sich das Ventilationsgeräusch zunehmend stark bemerkbar. Die Umgebungsluft wird von den umlaufenden Teilen des Antriebes mitgerissen und verwirbelt beim Auftreffen auf feststehende Umbauteile, wobei ein breitbandiges Rauschen entsteht. Erst bei Riemengeschwindigkeiten um 50 m/ s wird dieser Geräuschanteil merklich. Weil die nachfolgend beschriebenen Geräuschminderungsmaßnahmen dieses Rauschen nicht unterdrücken, sondern nur jeweils das Aufschlaggeräusch mindern, verlieren die Maßnahmen mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit etwas an Wirkung. <?page no="126"?> 118 Abb. 108: Vergleich der Luft- und Körperschallpegel verschiedener Riementriebe (Optibelt) <?page no="127"?> 119 8.4 Maßnahmen zur Schallpegelsenkung Die Wirksamkeit der nachfolgend vorgestellten Maßnahmen für eine praktische Anwendung setzt voraus, dass das Zahnriemengeräusch pegelbestimmend ist und unmittelbar in Luftschall umgesetzt wird. In Anwendungen, bei denen Umbauteile durch vom Riementrieb erzeugten Körperschall zur Abstrahlung angeregt werden, sind die Lärmminderungsmaßnahmen am Riementrieb nur in Verbindung mit gleichzeitig durchzuführender Körperschalldämmung oder sonstiger Unterbindung der Sekundärabstrahlung erfolgversprechend. Maßnahmen an Riementrieben mit marktüblichen, nicht geräuschgeminderten Zahnriemen Sollen übliche Zahnriemen verwendet werden, so stehen neben der Verwendung von Kapselungen des Antriebs folgende Lärmminderungsmaßnahmen zur Wahl: - Der Einsatz von Zahnriemenscheiben aus spanend bearbeitetem Metall bringt gegenüber solchen aus Kunststoff eine Geräuschminderung um 3dB(A). - Riemenscheiben aus Sintermaterial sind sogar bis zu 4 dB(A) leiser als Kunststoffscheiben. - In die Zahnriemenscheibe eingebrachte Nuten von 1-3mm Breite ermöglichen eine Verringerung des Schallleistungspegels von 2 dB(A). Die Nuten - eine pro 30mm Scheibenbreite - sollen den Zahngrund deutlich unterscheiden. Da das übertragbare Drehmoment immer von der zulässigen Längskraft im Riemen oder der Scherfestigkeit der Riemenzähne begrenzt wird, bedeutet die Nutzung der Scheibenzähne keine Leistungseinbuße. - Werden anstelle eines Zahnriemens einer gegebenen Breite b stattdessen zwei parallele Riemen jeweils der halben Breite eingesetzt so ergibt sich eine um 5 bis 9 dB(A) geringere Schallleistung. Am Riementrieb sind geeignete Maßnahmen zu treffen, welche ein Anlegen der Riemenseite an den Parallelriemen verhindert. Hierzu sind beispielsweise Zahnscheiben mit einer dritten, mittigen Bordscheibe geeignet. Die Gesamtbreite des Antriebs erhöht sich um die Breite des Freiraumes zwischen den beiden Riemen Die effektive, die Umfangskräfte aufnehmende Summenbreite der beiden halbbreiten Riemen ist geringer als die Ausgangsbreite, da die Randzonen jedes Einzelriemens keine Kräfte Aufnehmen. Üblicherweise wird bei der Auslegung eines Einriemenantriebes der gegenüber der errechneten Sollbreite nächstgrößere Katalogwert gewählt, so dass sich auf Grund der Staffelung gegenüber der erforderlichen Mindestbreite meist zwangsläufig eine gewisse Überdimensionierung ergibt, welche die nichttragenden Randzonen kompensiert. In Fällen wo dies nicht ausreichend gewährleistet ist, sollen die aufgeteilten Riemenbreiten daher jeweils größer als die halbe ursprüngliche Breite gewählt werden. Der Erfolg dieser Maßnahme ist bei sehr lauten Zahnriementypen groß und ist minimal bei geräuscharmen Arten. <?page no="128"?> 120 Einsatz geräuschgeminderter Zahnriemen Alle neueren Zahnriemenentwicklungen sind im Vergleich zu den älteren Bauarten unter anderem auch akustisch günstiger. Im Sinne dieses Beitrages sind geräuschgeminderte Zahnriemen jedoch nur solche, die sich gegenüber einer markteingeführten Grundform nur in einer geräuschmindernd wirkenden Beschichtung unterscheiden; sie sind sowohl bezüglich der Zahnscheiben als auch bezüglich der Antriebsauslegung unmittelbar einwechselbarer Ersatz für die Grundform. Es sind folgende geräuschgeminderte Zahnriementypen verfügbar: - Die Zahnriemen aus Polyurethan der Teilung T und deren Weiterentwicklung sind mit einer Polyurethan-Textilgewebebeschichtung auf der Zahnseite lieferbar. - Diese Variante ist mit dem Nachsetzzeichen PAZ gekennzeichnet. Für die Teilung T10 konnte hiermit eine Pegelminderung um mehr als 8dB gemessen werden. - Neopren-Zahnriemen mit halbrunder Zahnform sind mit 14 mm Teilung als lärmgeminderte Variante erhältlich, bei der eine zahnseitige textile Beschichtung eine Lärmminderung um 10 dB(A) bewirkt. - Die relativ nachgiebige Beschichtung ermöglicht allerdings ein größeres Spiel des Riemenzahnes in der Zahnlücke der Scheibe, was sich in höheren angeregten Körperschallpegeln und ausgeprägtem Drehschwingungsverhalten äußert. Bei Vorhandensein von Umbauteilen, welche durch Körperschallanregung zu Luftschallabstrahlung neigen (beispielsweise großflächige Abdeckbleche) oder wenn in den Antriebsstrang eingeleitete Drehschwingungen an entfernten Maschinenteilen Luftschall induzieren oder aus anderen Gründen nicht akzeptiert werden können, ist zwischen dem geräuschmäßigen Vorteil und den genannten Nachteil abzuwägen. - Zahnriemen aus Polyurethan werden auf Anforderung auch mit Rückenbeschichtungen aus unterschiedlichen Materialien und in verschiedenen Schichtstärken geliefert. Es ergeben sich geringfügige Pegelminderungen. Da hiermit im Gegensatz zu den Riemen mit zahnseitigen Beschichtungen jedoch keine Nachteile bezüglich Verdrehspiel und Drehschwingungsverhalten einhergehen, sollte auch diese Maßnahme in Erwägung gezogen werden. Wegen der erhöhten Riemenmasse in der Riemenaußenschicht wirken die Fliehkräfte stärker, so dass die Grenzdrehzahl eines solchen Riemens herabgesetzt ist. Für einen Riemen mit einer 0,5 mm dicken Rückenauflage aus Naturkautschuk (Härte etwa 40°Shore A) wurde eine Pegelminderung von 2 dB(A) ermittelt; bei solchen mit 1 bis 2 mm dicker Polyurethanauflage ist die akustische Verbesserung geringer. <?page no="129"?> 121 Akustisch günstige Geometrie- und Betriebsparameter Da die Riemengeschwindigkeit der Parameter mit dem stärksten Einfluss auf die Schallemission ist, führt deren Verringerung immer zu einer deutlichen Pegelabsenkung. Bei der Auslegung von Zahnriemengetrieben sollten daher folgende Möglichkeiten ausgeschöpft werden, soweit die primären Konstruktionsziele dies zulassen: - Zum Übertragen einer gegebenen Leistung führt die Parameterpaarung von geringer Drehzahl und großem Drehmoment auch dann zu einer deutlichen Lärmminderung, wenn zur Wahrung der Riemenscheibendurchmesser der Drehmomentzuwachs durch Steigerung der Umfangskraft im Riemen und daher zur Vergrößerung der Riemenbreite führt. - Beispielsweise ist bei einem Zahnriemen der Teilung H zur Übertragung der Leistung von 13 kW möglich gewesen, die Drehzahl von 2200 U/ min auf 1000 U/ min abzusenken, indem das Drehmoment von 56 Nm auf 125 Nm angehoben wurde. Da die Zahnriemenscheiben beibehalten werden sollten, musste die Riemenbreite verdoppelt werden. - Der lärmmindernde Effekt der Drehzahlabsenkung überwiegt gegenüber dem potentiellen Lärmzuwachs aufgrund der größeren Riemenbreite, so dass sich im vorliegenden Fall eine Pegelminderung um 5 dB(A) ergab. - Kann bei Drehzahlabsenkung um 600 - 1200 U/ min und entsprechender Vergrößerung der Riemenbreite mit Lärmminderungen zwischen 2 und 6 dB (A) gerechnet werden. - Soll neben der zu übertragenden Leistung auch die Drehzahl beibehalten werden, so kann in den Fällen eine Lärmminderung erzielt werden, in denen die ursprünglich verwendeten Zahnriemenscheiben gegen solche mit kleinerem Wirkdurchmesser beziehungsweise geringerer Zähnezahl ausgetauscht werden können. Bei gleichen Drehzahlen bewirkt der kleinere Zahnscheibenumfang eine Absenkung der Riemenumlaufgeschwindigkeit, so dass die Schallabstrahlung reduziert wird. Auch hier wird dieser positive Effekt dadurch gemindert, dass auf Grund der für gleiches Drehmoment und mithin gleicher Leistung auf kleineren Scheiben nötigen größeren Umfangskraft die erforderliche Riemenbreite ansteigt. Abb. 109: Geräuschminderung durch querkraftfreien Antrieb <?page no="130"?> 122 8.5 Anwendungen von Zahnriemen Zugmittelgetriebe In Zugmittelgetrieben wird eine rotierende Antriebsbewegung in eine oder mehrere ebenfalls rotierende Antriebsbewegung(en) gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl und/ oder Drehrichtung umwandelt. Hierfür kommen endlose Zahnriemen zur Anwendung. Gegenüber Zahnradgetrieben lassen sich mit nur zwei Rädern(Zahnscheiben) nahezu beliebige Achsabstände zwischen Antriebs- und Abtriebswelle(n) überbrücken wobei der Achsabstand zudem keinen Einfluss auf das Übersetzungsverhältnis hat. Wie bei Rädergetrieben ergibt sich aufgrund des fehlenden Schlupfes ein konstantes Übersetzungsverhältnis allein aus den Zähnezahlen der beteiligten Zahnscheiben. Kostengünstiger als ein Zahnradgetriebe ist ein Zahnriemengetriebe allemal, da die Genauigkeitsanforderungen wesentlich geringer sind als bei unmittelbar miteinander im Eingriff befindlichen Zahnrädern. Bei Zahnriemengetrieben befinden sich wesentlich mehr Zähne im Eingriff als dies bei Zahnradgetrieben der Fall ist und dadurch die übertragbare Leistung trotz der beim Zahnriemen geringeren Einzahn-Belastbarkeit insgesamt durchaus vergleichbar oder sogar höher ist. Schließlich kann ein Zahnriementrieb aufgrund der schlechten Wärmeleitung als thermische Entkopplung, beispielsweise zwischen der Motorwelle und dem mechanischen Teil eines Antriebsstranges verwendet werden. Mit Hilfe einer oder mehrerer Spannrollen kann zudem bei Bedarf nicht nur der Umschlingungswinkel insbesondere an der kleineren Zahnscheibe - und somit die Anzahl der tragenden Zähne - erhöht, sondern zugleich auch noch die erforderliche Vorspannung erzeugt werden. Bewegungswandler Bewegungswandler dienen zur Umwandlung einer rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Abtriebsbewegung. Zahnriemenbasierte Linearachsen bieten hier eine kostengünstige Alternative zu anderen Systemen wie zum Beispiel Gewindetrieben oder Zahnstange/ Ritzel Systemen und können bei den Linearachsen mit einem Marktanteil von über 60% auf die größte Verbreitung verweisen. Die verwendeten Zahnriemen sind endlich und hinsichtlich ihrer Länge auf die vorgesehenen Verfahrwege abgestimmt. Für die unterschiedlichen Anforderungen haben sich im Wesentlichen drei verschiedene Ausführungen heraus kristallisiert: Abb. 110: Linearantrieb, stehender Motor, Linearantrieb, bewegter Motor <?page no="131"?> 123 Linearschlitten Mit stationärem Antrieb, aufgrund des insgesamt langen (umlaufenden) Zahnriemens (etwa doppelte Verfahrweg-Länge) insbesondere für kurze und mittlere Verfahrwege geeignet. Lineartisch Mit Omega-förmiger Riemenführung und kurzem Zahnriemen(einfache Länge) bei stationärem Antrieb insbesondere bei größeren Verfahrwegen und Vertikalachsen vorteilhaft. Linearlaufkatzen Mit ebenfalls Omega-förmiger Riemenführung und kurzem Zahnriemen (einfache Länge), jedoch mitfahrendem Antrieb. Insbesondere für zweiachsige Handhabungssysteme haben sich neben der klassischen Lösung mi einem ortsfesten und einem mitbewegten Antrieb auch alternative Lösungen mit zwei ortsfesten Antrieben als vorteilhaft erwiesen, da hiermit schließlich eine höhere Dynamik erreicht werden kann. Die Belastbarkeit sowie die erreichbare Positioniergenauigkeit können weitgehend durch Auswahl eines geeigneten Zahnriemens (Zahnprofil, Werkstoff) festgelegt werden. Abb. 111: Zweiachsportal, Zahnriemen mit Nocken <?page no="132"?> 124 Zuverlässigkeit Wie bei allen Getrieben mit einer mehr oder weniger großen Anzahl von bewegten Elementen kann es auch bei Zahnriemengetrieben trotz der ausgesprochen geringen Anzahl von Bauteilen zu Beeinträchtigungen der Zuverlässigkeit kommen. Erhebliche Funktionsstörungen können dabei auch das Ende der Lebensdauer insbesondere des Zahnriemens herbeiführen. Anlass für eine begrenzte Zuverlässigkeit sind häufig zahnriemen-typische Funktionsstörungen, welche meist in unzulässigen Anwendungsparametern begründet und damit grundsätzlich auch vermeidbar sind. Solche Funktionsstörungen können sein: - Schwingen beziehungsweise Flattern des Zahnriemens durch zu geringe Vorspannung. - Auflaufen beziehungsweise Überspringen der Riemenzähne über die Zähne der Zahnscheiben durch zu geringe oder zu hohe Vorspannung. - Bruch des Zahnriemens durch zu hohe Belastung, zu hohe Vorspannung oder durch Überdehnung bei vollständigem Aufklettern der Zähne. - Ablaufen des Zahnriemens von Zahnscheiben ohne Bordscheiben bei mangelnder Achsparallelität. - Verschleiß der Zahnriemenkanten durch permanente Berührung mit einer Bordscheibe bei ungünstiger Achsparallelität. - Ungünstige Umgebungsbedingungen (Temperatur, Schmutz, aggressive Medien). - Falsche Paarung von Zahnriemen und Zahnscheiben. - Verschleiß der Zahnflanken durch zu hohe Belastung und/ oder zu hohe Vorspannung. - Bei richtiger Auswahl des Zahnriemens (Aufbau, Werkstoffe, Profil, Abmessungen) sowie der Anwendungsparameter(Belastung, Vorspannung, Eingriffszähnezahlen, Umfangsgeschwindigkeit) werden mit Zahnriementrieben durchaus Lebensdauern erreicht, die den Vergleich mit Rädergetrieben nicht zu scheuen brauchen - und dies ohne Wartung. - Allgemeingültige Aussagen über die Lebensdauer von Zahnriementrieben in Industrieanwendungen sind jedoch bisher nicht möglich, da die jeweiligen Einsatzbedingungen sehr unterschiedlich sind und die zahlreichen Einflussfaktoren eine Lebensdauer Prognose nur in ausgewählten sowie ausreichend geprüften Anwendungsfällen erlauben. <?page no="133"?> 125 Abb. 112: Trumkräfte be- und entlasteter Antriebe (Optibelt) Positioniergenauigkeit Die Positioniergenauigkeit bezeichnet die Abweichung um eine Position, die sich bei einer definierten Drehbewegung einer idealen Zahnscheibe über einen idealen Zahnriemen in eine entsprechend geradlinige definierte Bewegung ergibt. Die Abweichung von der idealen Position ergibt sich bei korrekter Vorspannungseinstellung im Wesentlichen aus den Fertigungstoleranzen der Antriebselemente und der elastischen Dehnung des Riemens. <?page no="134"?> 126 Die Abweichung von der idealen Position hängt jeweils ab von: den Toleranzen der Scheiben wie der Rundlaufgenauigkeit dem Teilungsfehler der Zahnscheibe den Toleranzen des Zahnriemens der Längenabweichung innerhalb des Riemens dem Zahnspiel zwischen Riemen und Scheibe bei Drehrichtungsumkehr Die Einschränkung von Toleranzen beziehungsweise ein eingeschränktes Zahnspiel ist möglich, aber auch aufwändig. Meist wesentlich stärker als von Fertigungstoleranzen hängt die Größe der Abweichung von der idealen Position von der elastischen Dehnung des Riemens ab. Der Zahnriemen und seine Corde wirken in Längsrichtung unter Belastung wie eine elastische Feder, die sich mit größer werdender Zugkraft zunehmend dehnt. Die elastische Dehnung des eingesetzten Riemens unter Last ist umso kleiner, je größer die spezifische Federrate ist. Die Positioniergenauigkeit nimmt in einem vorhandenen Linearantrieb bei korrekter statischer Trumkraft mit abnehmender Entfernung zur Antriebsscheibe zu. Vereinfacht kann die Abweichung von einer äußerlich unbelasteten Schlittenposition, verursacht durch eine Belastung und die elastische Dehnung des Riemens, durch die untenstehende, vereinfachte Formel errechnet werden. Delta s = FuxL1xL2/ Cspez.xL1+L2 (mm) mit Fu(N),Cspez.(N),L1(mm), L2(mm) Cspez.= Fzul(N)/ 0,55% (N) vereinfacht Abb. 113: Funktionsabhängige elastische Verformung des Riemens bei gleich großer Belastung Abb. 114: Lang und kurz belastetes Trum, Antriebsscheibe links <?page no="135"?> 127 9 Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen In vielen Industriebereichen geraten Fragen zur effizienten Nutzung von Energie verstärkt in die Diskussion. Werkzeugmaschinen weisen zahlreiche Antriebe und Hilfsaggregate auf, deren Energieaufnahme während einer Bearbeitung stark schwanken kann. So arbeiten der Hauptspindelantrieb und das Kühlschmierstoffsystem beim Schruppen mit hohem Zeitspanvolumen nahe dem Nennbetriebspunkt, während die Leistungsaufnahme beim Schlichten deutlich geringer ausfällt. Abb. 115: Energetische Analyse (Uni Braunschweig) Die Verflechtung der Einzelkomponenten und Aggregate einer Werkzeugmaschine mit Aspekt der Produktivität und Qualität ist eng. Aus einer detaillierten Betrachtung von Fertigungsprozessen bis hin zu der Leistungsaufnahme der Einzelverbraucher lassen sich die Einsparpotentiale bewerten und Maßnahmen zur effizienteren Nutzung der Energie definieren. <?page no="136"?> 128 Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz in der Fertigung mit Werkzeugmaschinen sind sehr vielfältig. Potentiale ergeben sich in Bezug auf die Grundlast von Werkzeugmaschinen, welche auch in nichtproduktiven Phasen für eine Energieaufnahme sorgt. Die Grundlast wird maßgeblich von den Nebenaggregaten einer Maschine bestimmt. Neben dem Einsatz von energieeffizienten Motoren in den Nebenaggregaten ergeben sich Möglichkeiten zur Reduktion der Grundlast über ein Energiemanagement. Dabei werden Verbraucher in nicht produktiven Phasen gezielt von der Maschinensteuerung deaktiviert. Mit der Einsparung an Energie geht gleichzeitig eine Einsparung an Kosten und eine Reduktion der CO2-Emission einher. Der Nachhaltigkeitsgedanke rückt auch deshalb bei den bearbeitenden Unternehmen immer weiter in den Vordergrund. Zudem steigen die Energiekosten trotz sinkendem Energiebedarf immer weiter an. Für die Bearbeitung eines Werkstücks werden beispielsweise laut einer Untersuchung bei der Dr. Heidenhain GmbH, in der Schruppbearbeitung 13kW und für das Schlichten 7,4 kW benötigt. Dieser Energiebedarf lässt sich dann noch weiter in die verschiedenen Bereiche aufschlüsseln. In die externe Aufbereitung von Druckluft und Kühlschmierstoffen, in die Nebenaggregate der Maschine, die CNC-Steuerung mit samt Vorschubantrieben und dem Antrieb der Hauptspindel. Zu beachten ist, dass die meiste Energie nicht von den Antrieben verbraucht wird, sondern die Nebenaggregate für das Gros verantwortlich sind. Daher sollte bereits bei einer Investitionsentscheidung auf einen geringen Energieverbrauch der Nebenaggregate geachtet werden. Die Substitution von Kühlschmierstoffanlagen durch Anlagen für die Minimalmengenschmierung (MMS) bietet ein erhebliches Energiesparpotential. So kann mit dem Einsatz von MMS bis zu 40% der Energie eingespart werden. Grund hierfür ist der Wegfall der kompletten KSS-Aufbereitungsanlage. Mit dem Einsatz von Minimalmengenschmierung kann es jedoch passieren, dass es zu Beginn der Produktion zu einem erhöhten Ausschuss kommen kann und dieser sich negativ auf die Energiebilanz der Gutteile auswirkt. Außerdem sollte beachtet werden, dass Minimalmengenschmierung nur dann sinnvoll eingesetzt werden kann, wo Oberflächenrauheiten nebensächlich sind. Damit der MMs nicht alle Oberflächenrauheiten erreicht werden können. Interne Baugruppen Neben den externen Komponenten einer Werkzeugmaschine sind die internen wichtig für die Energieeffizienz. So haben etwa elektrische Antriebe bereits ein gutes Verhältnis von Input zu Output mit 70 bis 90%. Beachtenswert sind jedoch neuartige Elektromotoren, die in der Lage sind, einen Wirkungsgrad von 97% zu erreichen. Damit lassen sich 7 bis 27% der benötigten Energie für die Antriebe einsparen. Ein anderes Standbein für die Energieeinsparung ist die Reduzierung des Ausschusses. Mit dem Einsatz von Closed-Loop-Positionsmessgeräten kann der Anteil an Ausschuss dramatisch reduziert werden. Was sich zwar nicht direkt auf den Energieverbrauch einer WZM auswirkt, wohl aber auf den Energie / Materialverbrauch pro Gutteil. Damit werden die Gutteile schneller und kostengünstiger produziert. Der Vollständigkeit halber sind Komponenten wie Gewindetriebe, Druckluft und Hydraulik, Bremsen und Getriebe zu erwähnen. Jedoch ist das Energiesparpotential dieser Maschinenbestandteile als gering einzuschätzen. <?page no="137"?> 129 9.1 Energieverbrauch beim Bearbeiten Ein häufiges Missverständnis beim Thema Energiesparen - nicht nur beim Betrieb von Werkzeugmaschinen - besteht in der Annahme, dass ein Großteil des Stromverbrauchs während der Bearbeitungszeiten anfällt. Bei genauer Betrachtung zeigt sich jedoch oftmals ein anderes Bild. So wurden beim CNC-Steuerungshersteller Heidenhain die Leistungsbedarfe dreier Fertigungsprozesse dokumentiert und jeweils nach Betriebszuständen aufgeschlüsselt. Das Ergebnis war verblüffend: Bei keinem der beobachteten Fertigungsprozesse hat sich der Energiebedarf in der Produktionsbereitschaft um mehr als 40% gegenüber dem Bedarf in produktiven Phasen gesenkt. Durch die gezielte Deaktivierung von Nebenaggregaten außerhalb der Bearbeitungszeiten müssen folglich erhebliche Energieeinsparungen realisierbar sein. Durch den Einsatz von Energiemanagement-Systemen können sämtliche mit der CNC-Steuerung verbundenen Systeme, von einzelnen Komponenten einer WZM bis hin zu ganzen Fertigungslinien, nach Bedarf angesteuert und gezielt (teilweise oder ganz) deaktiviert werden. Auf dieser Basis können Programme zur Deaktivierung verschiedener Nebenaggregate erstellt werden. Bis zu 33% weniger Stromverbrauch versprechen dabei namhafte Hersteller. Um thermische Verlagerungen weitestgehend zu vermeiden, bieten einige Systeme zudem die Möglichkeit sogenannter „Warmlaufprogramme“. Ein solches Energiemanagement lässt sich komfortabel mithilfe einer CNC mit integrierter SPS realisieren, wie beispielsweise der E°EXE66 von Eckelmann. Hierzu können entsprechende PLC-Bibliotheken genutzt werden. Ein solches Energiemanagement kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen, je nach Anwendung um bis zu 15% und mehr. So kann beispielsweise definiert werden, wann bestimmte Aggregate, Achsen, Beleuchtung, Kühlschmierstoff-Versorgung oder Druckluft automatisch deaktiviert werden sollen. Ebenso ist die bedarfsgerechte Steuerung von Zuführungen, Förderbändern oder Werkzeugspannern. Da der Energiebedarf einer Maschine auch vom jeweiligen Betriebszustand abhängt, muss das Energiemanagement diese berücksichtigen und dann genau die erforderlichen Nebenaggregate aktiviert beziehungsweise mit Verzögerungszeiten ansteuern (Standby, Betriebsbereit, Warmlauf, Rüsten, Fertigung, Not Aus). Allerdings wirkt sich das Abschalten von Aggregaten gegebenenfalls negativ auf das thermische Maschinenverhalten aus. Verformungen der Maschine beeinflussen nämlich je nach Anwendung die Genauigkeit am Tool-Center-Point. Ein so erzielter Energiegewinn wäre nur ein scheinbarer, wenn schlechtere Qualität zu mehr Ausschuss und damit zu höheren Fertigungskosten pro Stück führte. <?page no="138"?> 130 9.2 Motoren Auslegung Auch die richtige Auslegung der Elektromotoren ist wichtig für die Energieeffizienz einer Maschine. Denn der Wirkungsgrad und Leistungsfaktor eines Elektromotors sind nahe am Nennbetriebspunkt am besten, bei Teillast jedoch meist alles andere als optimal. Es kommt daher bereits bei der Auslegung der Antriebe darauf an, dass keine über- oder unterdimensionierten Antriebskomponenten verwendet werden. Besonders bei Spindeln lässt sich durch effizientere Motortechnologie und einem geregelten Betrieb auch bei höheren Drehzahlen signifikant Energie einsparen. Darüber hinaus kann durch die richtige Parametrierung der Antriebsachsen der Energieaufwand gesenkt werden. Die meiste antriebstechnische Energie wird in der Werkzeugspindel verbraucht, weshalb dieser Motor und seine Verwendung hier genauer betrachtet werden soll. Klassisch wird dieser Motor auf zwei unterschiedliche Arten betrieben: Im Bereich kleiner Drehzahlen(<6000U/ min), für Anwendungen wie Gewindeschneiden, Sägen oder Bohren wird die Spindel geregelt betrieben, während der Antrieb im Bereich hoher Drehzahlen (> 12 000 U/ min) für Anwendungen wie Schlichten meistens gesteuert betrieben wird. Dabei wird im gesteuerten Betrieb nach einer FU-Kennlinie immer soviel Energie in den Motor gespeist, dass das Kippmoment möglichst hoch liegt. Wird diese Energie am Werkzeug nicht benötigt, so wird der Motor unnötig erwärmt und es geht viel Antriebsenergie verloren. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Werkzeugspindel über den gesamten Drehzahlbereich geregelt zu betreiben, da bei dieser Betriebsart immer nur so viel Energie in den Motor eingespeist wird, wie tatsächlich benötigt wird. Bremsenergie nutzen Das auffangen der Bremsenergie in dem Zwischenspeicher, welcher aufgenommene Bremsenergie später wieder für einen Beschleunigungsvorgang des Antriebs zur Verfügung stellen kann, leistet einen weiteren Beitrag zur Energieeffizienz. Bei jedem Bremsvorgang lädt sich das Modul mit Bremsenergie auf und gibt sie dann bedarfsgerecht an den Gleichstromzwischenkreis zurück. Bei Anwendung mit kurzen Zykluszeiten oder schnellen Start-Stopp Anwendungen zahlt sich die Nutzung des Puffermoduls besonders aus. Energie Pausenzeiten Ein großer Teil des jährlichen Energiebedarfs wird dadurch verursacht, dass Maschinen in ungeplanten Zeiten wie einer freien Schicht und dem Wochenende aber auch bei Fertigungsstillständen aus zum Beispiel organisatorischen Gründen in voller Betriebsbereitschaft verbleiben. Zur Senkung der Leistungsaufnahme in bearbeitunsfreien Zeiten kann auf die Steuerung ein Standby-Manager implementiert werden. Die Maschine wird dadurch in die Lage versetzt, einzelne Funktionsmodule bei Eintritt definierter Ereignisse selbständig in einen energieärmeren Zustand zu schalten. <?page no="139"?> 131 9.3 Anwendungen aus der Praxis Kühlschmierstoffe Die Beispiele beziehen sich auf Untersuchungen an einen modernen 4-Achs- Bearbeitungszentrum Typ MAG X5-211. Die größte Effizienzreserve ergab sich bei der Kühlschmierstoff-Versorgung. KSS Hochdruckpumpen werden beim Bohren und Fräsen bei Werkzeugen mit innerer Kühlmittelzufuhr (IKZ) durch die Hauptspindel zur Kühlung und zum Spänetransport eingesetzt. Vier Pumpen führen an verschiedenen Stellen Kühlschmierstoffe (KSS) zu beziehungsweise zurück. Während eine Hochdruckpumpe für die innere KSS-Zufuhr sorgt, spülen zwei Niederdruckpumpen das Maschinenbett und den Arbeitsraum. Eine weitere Niederdruckpumpe fördert überschüssiges Kühlmittel zurück in den Vorratstank. In der Summe benötigen sie 60% des Gesamtenergiebedarfs. Wie bei solchen Maschinen üblich stellt die Hochdruckpumpe einen konstant hohen Druck von 50bar gegen ein fest eingestelltes Druckventil bereit, unabhängig vom tatsächlichen Bedarf. Auch der Volumenstrom der Kühlschmierstoffe ist konstant und folgt nicht den Anforderungen. Überschüssige Flüssigkeit wird ungenutzt und unter Energieaufwand zurück in den Tank gepumpt. Erhebliche Einsparpotentiale erschließen sich deshalb mit drehzahl- und druckgeregelten Pumpen. Hierzu werden eine drehzahlvariable Ansteuerung des Motors sowie ein Drucksensor nachgerüstet. Die Steuerung wird befähigt, Drucksollwerte des NC-Programms zu übergeben. Nach diesen Optimierungen reduziert sich der Stromverbrauch der Hochdruckpumpen um 75%. Für die Maschinenbett- und Arbeitsraumspülung wurden die Pumpen durch eine gemeinsame Pumpe ersetzt, die sich über Drucksensoren drehzahlgeregelt dem Bedarf anpasst. Gegenüber dem Ausgangszustand reduzierte sich der Energiebedarf um 72%. Maschinenkühlung Die Kühlung der Werkzeugmaschine hat mit etwa 15% einen nennenswerten Anteil am gesamten Energieverbrauch. Dabei entfällt 3% auf die Schaltschrankklimatisierung und 12% auf die kaltwassergespeiste Maschinenkühlung. gerade der Kühlung der Hauptspindel kommt eine große Bedeutung zu. Die Temperatur muss hier sehr genau geregelt werden. Andernfalls führen die Komponenten zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück. Bei Standardbearbeitungen kann eine Hysterese von 1,5K toleriert werden. In diesem Fall arbeitet der Verdichter des Rückkühlwerks getaktet - entsprechend dem Leistungsbedarf. Die hochpräzise Endbearbeitung, zum Beispiel bei Schleifprozessen erfordert im Extremfall eine Hysterese von maximal 0,1K. Die hierfür nötige Taktfrequenz würde die Lebensdauer des Verdichters stark begrenzen. Deshalb wird die Temperaturgenauigkeit meist dadurch erreicht, dass überschüssige Kühlleistung aktiv vernichtet wird. Mit dem Einsatz eines Digital-Scroll Verdichters, der eine weite Leistungsregulierung erlaubt, können diese Verluste vermieden werden. <?page no="140"?> 132 Einsparungen von 30% im Teillastbetrieb und noch größere im Standby-Betrieb sind möglich. Ähnliche Einsparpotentiale ergeben sich auch beim Einsatz von invertergeregelten Kompressoren. Außerdem ist die Kaltwasserbeimischung bei ausreichend großem Speicher eine gute Alternative. Hydraulikverluste Das Hydraulikaggregat arbeitet mit einem Druckspeicher nach dem Konzept des Speicherladebetriebs. Beladen wird er über eine Innenzahnradpumpe mit einem netzbetriebenen Asynchronmotor als Antrieb. Fällt der Druck im Speicher unter 115bar, so schaltet die Pumpe über ein Ventil vom drucklosen Umlauf in den Förderbetrieb bis 120bar erreicht werden. Danach schließt das Ventil und die Pumpe arbeitet wieder im drucklosen Umlauf. Abb. 116: Energiekosten einzelner Maschinenbaugruppen (PTW) Aus obiger Abbildung wird ersichtlich, dass vor allem die Energiekosten rund um die Kühlschmierversorgung (KSS) mit über 50% den mit Abstand größten Anteil ausmachen. Die drei Niederdruckpumpen zur Kühlung und Schmierung des Bearbeitungsprozesses und zur Spülung des Arbeitsraumes, im Vorlauf zum Filter der Hochdruckpumpe und die Hebepumpe verursachen gemeinsam rund ein Drittel der Energiekosten während die Hochdruckpumpe mit 18% der größte Einzelverbraucher ist. Danach folgen die Kühlaggregate, wobei der Rückkühler zur Spindel mit Hydrauliktemperierung mit 17% einen deutlich höheren Anteil hat als das Schaltschrankklimatisierungsgerät mit 3%. Der übrige Bedarf von rund einem Drittel verteilt sich auf die Hydraulik, den Ölnebelabscheider, die Druckluft und den Antriebsstrang. <?page no="141"?> 133 Leistungsverteilung in Werkzeugmaschinen Abb. 117: Leistungsverteilung in Werkzeugmaschinen (Siemens) Energieeffizienz bei Motorspindeln Abb. 118: Energieeffizienz bei Motorspindeln (Siemens) <?page no="142"?> 134 Abb. 119: Energieverluste im Antriebsstrang <?page no="143"?> 135 10 Elektromotoren Auswahl In industriellen Anwendungen weit verbreitet sind Wechselstrom-Induktionsmotoren, Permanentmagnet-Wechselstrommotoren und Servomotoren. Der erste Typ ist am preisgünstigsten und für unzählige Anwendungen geeignet. Der letztgenannte Typ ist am teuersten, zeichnet sich aber auch durch erstaunliche Leistungsfähigkeit aus. Der Induktionsmotor ist das Arbeitspferd der Industrie. Die Anzahl der weltweit installierten Motoren dieses Typs liegt im zweistelligen Millionenbereich. Sie treiben die unterschiedlichsten Arten von Maschinen an. Ihre Bauweise und das Funktionsprinzip ist relativ simpel. Normalerweise handelt es sich um Maschinen mit konstanter Drehzahl, aber in Kombination mit einem elektronischen Verstellantrieb mit Frequenzumrichter ist die Drehzahl recht genau regelbar. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Läufer dreht, ist die Synchrondrehzahl des Motors. Die synchrone Drehzahl ist theoretisch die schnellste Drehzahl, die ein Motor erreichen kann, das heißt wenn der Läufer sich ebenso schnell dreht wie das interne Drehfeld des Motors. In der Praxis ist der Induktionsmotor ein Asynchronmotor, bei dem der Läufer dem Drehfeld nacheilt, sodass der Läufer eine geringere Drehzahl aufweist als das Magnetfeld. Abb. 120: Drehzahlbereiche verschiedener Motorprinzipien (TH Berlin) <?page no="144"?> 136 Die Differenz zwischen der Drehzahl des Drehfeldes und der tatsächlichen Drehzahl des Läufers ist der Schlupf. Hierdurch kann der induzierte Läuferstrom fließen und das Drehmoment erzeugen, das unter Überwindung interner Verluste eine Last antreiben kann. Es gibt viele Beispiele für Induktionsmotoren, die über Jahre im Dauerbetrieb und so gut wie fehlerfrei laufen. Mögliche Probleme hängen mit ihrer physikalisch vorgegebenen Drehzahlleistung zusammen: Verschleißerscheinungen an inneren Komponenten durch Überhitzung, hohe Anzugströme beim Anlaufen und Empfindlichkeit gegenüber Betriebsarten mit vielen Starts und Stopps. Auch wenn dieser Motorentyp für zahlreiche Anwendungen geeignet ist, gibt es deshalb Bereiche, in denen ein Elektromotor mit anderer Funktionsweise zu bevorzugen ist. Motor Auswahlkriterien Gleichstrommotor Bürstenloser Gleichstrommotor Synchronservomotor Asynchronservomotor Typ. Leistungsber. als Servomotor Bis 20 Nm Bis 200 Nm Bis 200 Nm Bis 2000 Nm Dynamik Hoch Drehmoment Konstant über der Drehzahl Regelung Einfach Aufwändiger Aufwändig Motorgeber Nicht erforderlich erforderlich Stellgerät Einfach, da mechanische Kommutierung Aufwendig, da elektronische Kommutierung Abgleich der Regelung erforderlich Baugröße klein größer Verluste, Erwärmung des Motors niedrig Höher, da zusätzliche Magnetisierung erforderlich Wartung Tausch der Bürsten erforderlich wartungsfrei <?page no="145"?> 137 10.1 Permanentmagnetmotoren Beim Permanentmagnet-Wechselstrommotor beziehungsweise bürstenlosen Motor hängt die Magnetisierung nicht ausschließlich vom Strom ab. Auf oder im Läufer sind zusätzliche Magnete angebracht, die der Leistungssteigerung dienen. Hierbei handelt es sich um starke Magnete aus seltenen Erden, die typischerweise 50 bis 200% stärker sind als Ferritmagnete. Bis vor Kurzen waren Magnete aus seltenen Erden sehr teuer, sodass sich PM- Motoren nicht richtig durchsetzen konnten. Inzwischen sind die Preise gefallen, und dieser Motorentyp wird immer beliebter. Man sagt dem PM-Motor eine dem Servomotor vergleichbare Leistungsfähigkeit nach - bei geringeren Kosten. Reine PM-Motoren müssen immer mit einem eigenen Umrichterantrieb betrieben werden, obwohl auch einige Hybridmodelle auf dem Markt sind, die ohne Umrichterantrieb mit konstanter Drehzahl anfahren und laufen. Die höheren Kosten und der Komplexitätsgrad werden in der Regel durch die Möglichkeit der Drehzahlregelung aufgewogen. Man darf außerdem nicht vergessen, dass PM-Motoren in Kombination mit einem Antrieb einen besonders hohen Wirkungsgrad haben. Allerdings gibt es auch beim PM-Motor ein Problem zu überwinden: Die Permanentmagnete können dazu führen, dass der Läufer unruhig läuft. Bei niedrigen Drehzahlen äußert sich das als Ruckeln, bei höheren Drehzahlen als Drehmomentwelligkeit. Mögliche Folgen sind Lärm, Schwingungen und ungleichmäßiger Lauf, die aber durch diverse Methoden überwunden werden können. Darüber hinaus ist die Maximaldrehzahl durch die Gegen-EMK(elektromotorische Kraft) begrenzt, die der PM-Motor im Laufe erzeugt. Normalerweise ist das kein Problem, weil man einen Motor mit einer für die zu verrichtende Arbeit angemessenen Drehzahl wählt oder ein Vorgelege verwendet. Es ist jedoch möglich, dass der elektronische Antrieb eine Drehzahl vorgibt, die die Sicherheitsgrenze übersteigt oder dass unter Last der Gegenantrieb beim Motor zu einer Überdrehzahl führt. Beides kann Schäden zur Folge haben. Denkbar ist auch, dass die Permanentmagneten ihre Kraft verlieren, wenn sie über längere Zeit Hitze oder Überströmen ausgesetzt sind. <?page no="146"?> 138 Abb. 121: Vergleich zwischen Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmoter (TU Berlin) <?page no="147"?> 139 10.2 Servomotoren Servomotoren sind bei gleicher Leistung deutlich kleiner als andere Motortypen, und durch ihr geringeres Trägheitsmoment reaktionsschneller. Dank ihrer nahezu linearen Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik lassen sie sich sehr präzise steuern. Sie werden immer mit einer Geberrückführung verbaut, die die Drehposition der Abtriebswelle überwacht und die Anzahl der Umdrehungen vorwärts und rückwärts mit einer Präzision von Bruchteilen eines Grades erfasst. Abb. 122: Aufbau CMD-Motor (SEW) <?page no="148"?> 140 Dieser Datenstrom liefert Informationen über die tatsächliche Wellenposition und wird einem Elektronikregler oder Servoverstärker zugeführt, um die Position der Welle zu überwachen. Wenn die Welle nicht in der gewünschten Position ist, kann das durch die Rückführung im laufenden Betrieb korrigiert werden. Abb. 123: Übersicht gängiger Servomotoren Auch andere Motortypen können mit einer Geberrückführung betrieben werden, wenn die Anwendung dies verlangt. Es ist jedoch keine unabdingbare Voraussetzung. Wir sehen also dass Servomotoren sehr leistungsfähig sind und hohe Drehzahlen erreichen. Gleichzeitig sind sie kompakt, hochpräzise und besonders gut zu steuern Ein Nachteil ist allerdings der Preis. Als Faustregel kann gelten, dass ein Servomotor etwa zehn Mal so viel kosten kann, wie ein entsprechend ausgelegter Intuktionsmotor und auch die Installation und Inbetriebnahme sind aufwendiger. <?page no="149"?> 141 Abb. 124: Komponenten gängiger Servomotoren (SEW) <?page no="150"?> 142 Abb. 125: Merkmale von Synchron- und Asynchron-Servomotoren <?page no="151"?> 143 10.3 Closed-Loop-Schrittmotoren Ein Schrittmotor rotiert in Schritten, wobei eine Magnetspule einen Magneten Schritt für Schritt von einer Position zur nächsten bewegt. Damit sich der Motor um 100 Positionen in eine bestimmte Richtung bewegt, regelt der Schaltkreis ihn 100-mal. Der Schrittmotor bewegt sich dabei mithilfe von Impulsen stufenweise und kann genau positioniert werden, ohne dass ein Positionssensor erforderlich ist. Die Bewegung eines Servomotors hingegen wird auf eine andere Weise erzeugt: Hier wird ein magnetischer Rotor verwendet, der mit einem Positionssensor - einem Geber - verbunden ist. Dieser übermittelt fortlaufend die exakte Position des Rotors. Servomotoren berechnen den Unterschied zwischen der tatsächlichen und der angeforderten Position beziehungsweise Drehzahl des Motors und regeln die Bewegung entsprechend nach. Dieser geschlossene Regelkreis, also der „Closed-Loop“ stellt sicher, dass der Motor genau den Anweisungen folgt. Schrittmotoren sind nicht nur kostengünstiger als Servomotoren, sie sind auch einfacher in der Inbetriebnahme. In der Ruhelage sind Schrittmotoren stabil und halten die Position selbst bei einer dynamischen Belastung. Allerdings sind mit steigenden Anforderungen bei bestimmten Anwendungen komplexere und damit teurere Servomotoren zu verbauen. Positionierung: Ein wesentlicher Unterschied zwischen Schritt- und Servomotoren liegt in solchen Anwendungen vor, bei denen es zu jedem Zeitpunkt erforderlich ist, genau zu wissen, an welcher Position sich der Antrieb befindet. Bei einer Antriebsanwendung mit offenem Regelkreis(Open-Loop) und Schrittmotor setzt die Steuerung stets voraus, dass sich der Motor ordnungsgemäß bewegt. Tritt ein Problem auf - zum Beispiel durch ein verklemmtes Teil, das den Motor anhält -, ist dem Regler die aktuelle Position des Antriebes nicht mehr bekannt. Die Position geht dem Regler verloren. Hier bietet der „Closed-Loop“, der ein inhärenter Teil des Servomotors ist, einen Vorteil: Sollte der Antrieb blockiert werden, wird dies unmittelbar erfasst. Der Antrieb hält an und die Position geht keinesfalls verloren. Drehzahl und Drehmoment: Die unterschiedliche Performanz von Schritt- und Servomotoren ist in den unterschiedlichen Motorkonzeptionen begründet. Schrittmotoren haben wesentlich mehr Pole als Servomotoren. Folglich erfordert eine vollständige Umdrehung eines Schrittmotors im Vergleich deutlich mehr Stromschaltungen innerhalb der einzelnen Windungen, wodurch das Drehmoment bei steigender Drehzahl in hohem Maß abfällt. Zudem kann bei Schrittmotoren die Synchronisierung verloren gehen, wenn das maximale Drehmoment überschritten wird. Aus diesen Gründen wird bei den meisten Anwendungen mit hohen Drehzahlen Servomotoren der Vorzug gegeben. Im Gegenzug bietet die große Anzahl an Polen bei einem Schrittmotor bei niedrigeren Drehzahlen einen Vorteil, da das Drehmoment größer ist als bei einem Servomotor gleicher Größe. Wärme und Energieverbrauch: Schrittmotoren mit „Open-Loop“ arbeiten mit konstanter Stromstärke und geben eine große Menge an Wärme ab. Bei feldorientierter „Closed-Loop-Regelung“ entfällt das <?page no="152"?> 144 Problem der Wärmeabgabe, denn es wird nur der Strom bereitgestellt, der für die Geschwindigkeit erforderlich ist. Abb. 126: Aufbau eines Hybridschrittmotors mit Closed Loop Regelung 10.4 Vergleich Schrittmotoren zu Servomotoren Servogesteuerte Systeme sind für Anwendungen mit hoher Drehzahl am besten geeignet, bei denen es außerdem hohe Dynamische Belastungen gibt(zum Beispiel in der Robotik und in der Bahnbearbeitung). Systeme mit Schrittmotoren werden bevorzugt eingesetzt bei Anwendungen, die eine niedrige bis mittlere Beschleunigung erfordern, aber ein hohes Haltedrehmoment benötigen. Beispiele hierfür sind 3D-Drucker, Förderanlagen. Wegen ihrer geringeren Kosten können Schrittmotoren die Kosten von Automatisierungsanlagen verringern und werden deswegen bevorzugt eingesetzt, wenn dies möglich ist. Sollen Servomotoren verwendet werden, so müssen die höheren Kosten durch die damit verbundenen Eigenschaften motiviert sein. Indem die „Closed-Loop-Technologie“ auf Schrittmotoren übertragen wird, kann man die Vorteile beider Systeme zum geringeren Preis der Schrittmotoren erhalten. Da sie eine klare Performance an den Tag legen und hinsichtlich der Energieeffizienz Vorteile zu bieten haben, können „Closed-Loop“ Schrittmotoren teurere Servomotoren bei einer zunehmenden Anzahl an anspruchsvollen Anwendungen ersetzen. <?page no="153"?> 145 11 Elektromechanik, Hydraulik, Pneumatik im Vergleich Bei der Auswahl für Antriebslösungen steht zwischen Elektromechanik, Hydraulik und Pneumatik häufig nicht die Technologie im Vordergrund, sondern zunehmend deren energetische und wirtschaftliche Effizienz in der jeweiligen Anwendung. Der Einsatz von Hydraulik und Pneumatik in der Antriebstechnik ist mit einem entscheidenden Nachteil verbunden - dem in Relation zum Endenergieeinsatz hohen Wirkungsgradverlust. Als Beispiel sei der außerordentlich hohe Energieverbrauch bei der Erzeugung von Druckluft angeführt. Vom Energieeinsatz stehen in Abhängigkeit vom Gesamtsystem, meist nur knapp 10% als Nutzenergie zur Verfügung. Etwas günstiger stellt sich das Verhältnis zwischen Ressourceneinsatz und nutzbarer Endenergie in der Hydraulik dar. Abb. 127: Vor- und Nachteile der Hydraulik <?page no="154"?> 146 Hier sind Wirkungsgrade in einer Größenordnung von etwa 70% üblich. Jedoch werden auch in der Hydraulik - ähnlich wie in der Pneumatik - separate Erzeugungseinheiten (Pumpen) und Verteilleitungen (Schläuche, Rohre) benötigt. Hieraus leitet sich insbesondere für Spitzenverbraucher in Industrie und Gewerbe die Empfehlung ab, die Möglichkeit des Einsatzes elektromechanischer Antriebe in Erwägung zu ziehen und intensiv zu überprüfen. Kriterien wie Qualität und Kosten, aber auch Sicherheit und Arbeitsgeschwindigkeit sollten hierbei eine maßgebliche Rolle spielen. Die Energieeffizienz ist ganz von der jeweiligen, an den Antrieb gestellten Aufgabe abhängig. Messungen ergeben folgende Unterschiede: Bei einer einfachen Bewegungsaufgabe ist der elektrische Antrieb günstiger. Bei Einpressvorgängen entscheiden die Höhe der Prozesskraft und die Dauer des Vorgangs über die effizientere Technologie. Erfordert die Anwendung jedoch Haltekräfte, ist die Pneumatik klar im Vorteil. Abb. 128: Antriebe im Vergleich (Nold) <?page no="155"?> 147 11.1 Werkstück bewegen oder halten Werden Bewegungen von Punkt A zu Punkt B durchgeführt können diese fast ausnahmslos von pneumatischen Antrieben ausgeführt werden. Trotzdem sind häufig elektrische Antriebe im Einsatz, um solche einfachen Bewegungen zu realisieren. Erfordert die Aufgabe, frei und flexibel zu positionieren, sind elektrische Antriebe im Vorteil. Dabei ergeben sich unterschiedliche Energieverbräuche. Beim Bewegen der Antriebe ohne Prozesskraft verbraucht der elektrische Antrieb mit 25Ws nur ein Drittel der Energie, die der pneumatische benötigt(78Ws). Bei der Aufgabe „Drücken mit Prozesskraft“ liegen beide Antriebe ungefähr gleichauf bei einem Energieverbrauch zwischen 20 und 30Ws. Müssen die Antriebe hingegen eine bestimmte Position halten, schnellt der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs auf 247Ws hinauf. Dies ist 22 Mal so viel wie der Energieverbrauch des pneumatischen Antriebs (11Ws). Der pneumatische Antrieb profitiert davon, dass er nur Energie für den kurzen Moment des Druckluftaufbaus benötigt. Der Haltevorgang selbst kommt komplett ohne zufuhr neuer Druckluft aus und kostet damit keinerlei Energie. Der elektrische Antrieb benötigt dagegen dauerhaft Strom, um in der gewählten Position verharren zu können. Je länger der Haltevorgangan dauert, desto höher ist damit der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs im Vergleich zum pneumatischen. 11.2 Werkstücke Greifen Ähnliche Ergebnisse bringt der Vergleich zwischen elektrischen und pneumatischen Greifern. Der Vergleich zeigt wie abhängig die richtige Lösung von der klaren Lösung der Aufgabe ist. Betrachtet man den Energieverbrauch beim Greifvorgang, ist der pneumatische Greifer den elektrischen dann überlegen, wenn die Anwendung lange Zyklen und nur wenig Greifvorgänge umfasst. Der pneumatische Greifer benötigt nur einmal Druck zum permanenten Halten. Für die Dauer des Greifens wird keine weitere pneumatische Energie benötigt. Der elektrische Greifer, der für die gesamte Dauer des Greifens elektrische Energie benötigt, kann nur dann energieeffizienter als der pneumatische sein, wenn die Anwendung aus kurzen Zyklen mit einer Vielzahl von Greifvorgängen besteht. <?page no="156"?> 148 11.3 Servo-Elektronik und Hydraulik Hybridachse Bei dieser Linearachse werden die Vorteile der hydraulischen und der Servo- Antriebstechnik vereint. Die Hybridachse überzeugt durch gleichzeitig hohe Dynamik wie auch Leistungsdichte. Die Kopplung von Motor, Pumpe und Zylinder bildet ein System entsprechend einem Servomotor mit hydraulischem Spindelantrieb. Die Lageregelung basiert auf einem magnetostriktiven Positionssensor als Wegmesssystem. Die Hybridachse eignet sich insbesondere für alle direkten Linearbewegungen, bei denen eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Dynamik eine zentrale Rolle spielen, zum Beispiel, Trennen, Formen und Handhabung. Aufbau der Linearachse: Ein Servomotor übernimmt den Antrieb. An den Servoantrieb ist eine Innenzahnradpumpe direkt und starr gekoppelt. Auf die Innenzahnradpumpe folgt ein ebenfalls direkt gekoppelter Hydraulikzylinder. Die integrierte Servopumpe ist auf das Flächenverhältnis des Zylinders abgestimmt, wodurch zur Steuerung der Bewegungsrichtung keine Ventiltechnik benötigt wird. Die Pumpe wird mit dem Differenzialzylinder im geschlossenen Ölkreislauf betrieben. Die direkte Ankopplung vermeidet Verluste, die üblicherweise durch eine Drosselsteuerung auftreten und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad auf nahezu 100%. Durch die direkte Kopplung von Motor Pumpe und Zylinder stellt sich das System wie ein Servomotor mit hydraulischem Spindelantrieb dar. Das geschlossene System benötigt weder einen Tank, noch ist der Einsatz eines Hydraulikaggregates erforderlich. Der Antrieb kann sowohl mit Lageregelung als auch mit Druckbeziehungsweise Kraftregelung betrieben werden. Abb. 129: Hybrid-Linearachse (Voith) <?page no="157"?> 149 11.4 Versuch mit Zylinder Antrieben Der im Bild dargestellte Versuchsaufbau simuliert eine Bewegungsaufgabe. Sowohl die gewählten Parameter als auch die Platzierung der drei Antriebe(pneumatischhydraulisch-elektrisch) unmittelbar nebeneinander erlauben einen energetischen Vergleich. Abb. 130: Versuchsaufbau zum energetischen Vergleich (Exlar) Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den Kosten, dem Energiebedarf sowie dem CO 2 -Ausstoß. Die verwendeten Zylinderals Kolbenstangenausführung mit einer Hublänge von 500mm und einer maximalen Zuladung von etwa 1000N-weisen vergleichbare Spezifikationen auf. Alle Zylinder können mit unterschiedlichen Lasten betrieben werden. <?page no="158"?> 150 Abb. 131: Gegenüberstellung des Energieeinsatzes Für den Versuch wurden pneumatische und hydraulische Standardkomponenten verwendet, als elektromechanischer Zylinder kommt ein Tritex² der Firma Exlar zum Einsatz. Bevor ein Vergleich der drei Antriebe erfolgen kann, muss auf die Besonderheiten des hydraulischen Antriebs hingewiesen werden. Im Realbetrieb in der Produktion wird ein Hydraulikzylinder mit sehr hohen Drücken (hier 200-250 bar) betrieben. Nach dem physikalischen Gesetz -„Kraft gleich Druck multipliziert mit der Wirkfläche“ - macht deutlich, dass selbst der kleinste zu beschaffende Zylinder ein Vielfaches der Kräfte bewegen kann, die die beiden Konkurrenten bewegen. Allerdings benötigt er auch deutlich mehr Energie. Um zu einem seriösen Vergleich zu kommen, wird dem Hydraulikzylinder nur der anteilige Energiebedarf zugerechnet - also der, welcher für das Bewegen einer Last von maximal 1000N benötigt wird <?page no="159"?> 151 Abb. 132: Hydraulische Revolverschlittensteuerung (TH Saarland) <?page no="160"?> 152 12 Fundamentierung von Werkzeugmaschinen Aufgrund der dynamischen Anregungskräfte durch den Bearbeitungsprozess oder Schlittenbeschleunigungen kommt es zu Schwingungen des Gesamtsystems Werkzeugmaschine. Die geforderten hohen Eilgang- und Vorschubgeschwindigkeiten, insbesondere bei kurzen Positionierbewegungen, können allerdings nur dann erreicht werden, wenn das Beschleunigungsvermögen der Antriebe ausreichend hoch ist. Neben dem KV-Faktor (Maß für die Geschwindigkeitsverstärkung) kommt der einstellbaren Ruckbegrenzung eine wesentliche Rolle in Bezug auf die Dynamik eines Vorschubantriebes zu. Das Beschleunigungsvermögen wird in der Regel durch den erreichbaren Ruck, das heißt die zeitliche Änderung der Beschleunigung, in Verbindung mit der zu beschleunigenden Masse gekennzeichnet. Der Ruck ist demnach die produktivitätsbestimmende Größe (schnelleres Erreichen der maximalen Beschleunigung und damit der maximalen Geschwindigkeit). In der Praxis muss der maximal durch die Antriebsleistung erreichbare Ruck und damit die erreichbare Beschleunigung und Geschwindigkeit, aber häufig begrenzt werden, da es zu einer Anregung von Eigenschwingungen der Maschinenstruktur im unteren Frequenzbereich kommt. Die Gestaltung der Aufstellungsbedingungen hat einen erheblichen Einfluss auf das dynamische Verhalten an der Wirkstelle (TCP Tool-Center-Point) der Maschine. Besonders zeigt sich dies bei einer straffen Reglereinstellung an dem Überschwingverhalten der Vorschubachsen. Die Aufstellung einer Werkzeugmaschine beeinflusst maßgeblich sowohl die Funktionsfähigkeit als auch das Umweltverhalten. Dabei müssen die statischen und dynamischen Eigenschaften der Aufstellelemente und des Fundamentes an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Diese werden im wesentlichem von konstruktiven Merkmalen der aufzustellenden Maschine und ihrer Arbeitsweise beeinflusst. Dabei sind folgende Gesichtspunkte bei der Auslegung beziehungsweise der Auswahl einer Maschinenfundamentierung zu berücksichtigen. - Justierung und Ausrichten der Maschine - Zusätzliche Versteifung der Maschine - Gewährleistung der Standsicherheit - Passive Isolierung gegenüber dynamischen Störungen von außen - Aktive Isolierung zum Schutz der Umgebung vor Erschütterungen und Schallemission Laut VDI-Richtlinie 2062 wird bei der Schwingungsisolierung zwischen zwei Prinzipien unterschieden: Passivisolierung: - Abschirmung des zu schützenden Objektes gegen die Schwingungseinwirkung aus der Umgebung. Aktivisolierung: - Isolierung des Erregers, um die Schwingungsübertragung in die Umgebung zu verhindern. <?page no="161"?> 153 Abb. 133: Das Fundament als Bestandteil der Maschine <?page no="162"?> 154 Der Begriff Aktivisolierung wird hier gemäß dieser Definition weiter verwendet. Es handelt sich jedoch nicht um eine aktive Isolierung im eigentlichen Sinne, bei der Schwingungen im System messtechnisch erfasst werden, um motorisch bewegbare Isolierelemente zur Schwingungsisolierung aktiv anzusteuern. Die Erfüllung dieser unterschiedlichen Aufgaben erfordert eine individuelle Auslegung der Einzelkomponenten. Als Randbedingung für den Auslegungsprozess sind die Maschinen selbst mit ihren statischen und dynamischen Eigenschaften, der Bearbeitungsprozess und die Fundamentierungsumgebung zu berücksichtigen. Aus den unterschiedlichen Anforderungsprofilen lassen sich vier verschiedene Aufstellungsprinzipien ableiten. 1. In die unterste Kategorie fallen kleinere Werkzeugmaschinen (Drehmaschinen, Fräsmaschinen oder Schleifmaschinen), die über eine hohe Eigensteifigkeit verfügen. Eine zusätzliche Versteifung durch ein Fundament ist daher nicht notwendig und die Aufstellung erfolgt häufig direkt auf den Hallenboden. Die Ausrichtung der Maschinen und eine elastische Aufstellung zur Kompensation gegenseitiger Störungen mehrerer Maschinen untereinander erfolgt über geeignete Aufstellelemente. 2. Umformmaschinen (Hämmer oder Pressen) weisen ebenfalls eine hohe Eigensteifigkeit auf. Beim Arbeitsprozess treten jedoch erhebliche Erschütterungen auf, die in die Umgebung abgestrahlt werden. Das Fundament hat die Aufgabe diese Erschütterungsemissionen zu reduzieren. Erreicht wird die Aktivisolierung durch eine weiche Abfederung, bei der eine möglichst tiefe Eigenfrequenz des Systems „Maschine-Aufstellelemente“ angestrebt wird. Der konstruktive Aufwand und die Kosten einer solchen Fundamentierung sind in Relation zu den Maschinenkosten sehr hoch. 3. Auch bei der dritten Gruppe von Maschinen kommt dem Erschütterungsaspekt eine große Bedeutung zu. Hier steht die Abwehr von Schwingungen im Vordergrund. Große Feinbearbeitungsmaschinen (Walzenschleifmaschinen und Feindrehmaschinen) verfügen über keine ausreichende Eigensteifigkeit. Zur Erzielung hoher Genauigkeiten und Oberflächengüte muss die fehlende Steifigkeit durch einen entsprechend dimensionierten Fundamentblock erzielt werden. Dieser hat zusätzlich die Aufgabe störende Schwingungseinflüsse von außen fernzuhalten. Wie bei der Aktivisolierung von Umformmaschinen wird hierzu das Gesamtsystem aus Maschine, Fundament und Aufstellelementen in Hinblick auf eine gute Isolierung möglichst tieffrequent abgestimmt. 4. Großwerkzeugmaschinen (Langfräsmaschinen, Bohr- und Fräswerke) verfügen meist nicht über eine ausreichende Eigensteifigkeit. Maschinenbetten, Maschinentische und die sonstigen Maschinenbauteile lassen sich nicht ausreichend dimensionieren, um die Belastung durch das Maschinengewicht, durch wandernde Werkstücklasten und durch die Bearbeitungskräfte aufzunehmen. 5. Erst mit der Verbindung mit dem Fundament erhalten diese Maschinen die benötigte Steifigkeit, um Maschinenverformungen zu vermeiden. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei auch der Baugrund, der über eine ausreichende Festigkeit und Belastbarkeit verfügen muss, damit Setzungserscheinungen nicht zu unzulässigen Maschinen- und Fundamentverformungen führen können. <?page no="163"?> 155 Abb. 134: Aufstellarten von Werkzeugmaschinen (Biermann) <?page no="164"?> 156 12.1 Aufstell- und Richtelemente Es verlagern sich Fundamente und Hallenböden durch Setzungen des Baugrundes und durch Kriechen und Schwinden des Betons. Hinzu kommt, dass durch die auftretenden Bearbeitungskräfte an den Maschinen wandernde Werkstückgewichte, freie Massenkräfte durch bewegte Maschinenteile, die Auflagerkräfte an der Maschinensohle ständig verändert werden, wodurch ebenfalls Fundamentverlagerungen verursacht werden. Dies führt dazu, dass bei einer Erstausrichtung der Maschinen erreichte Fluchtung von Führungsflächen schon nach kurzer Zeit verloren geht und damit die Arbeitsgenauigkeit der Maschinen nicht mehr gegeben ist und die Führungsflächen einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind. Abb. 135: Aufstellelemente (Biermann) <?page no="165"?> 157 Es ist deshalb erforderlich, zwischen Maschinen und Fundamenten geeignete Richtelemente einzubauen, die es ermöglichen, Verlagerungen des Maschinenuntergrunds zu jeder Zeit ausgleichen zu können. An solche Richtelemente sind folgende Anforderungen zu stellen: - Kraftschlüssige Verbindung zwischen Maschine und Fundament - Geringe Nachgiebigkeit durch satte Auflage aller tragenden Flächen (keine Kantenpressungen) - Leichtgängige und damit genaue Verstellbarkeit - Ausreichende Verstellhöhe bei allen Einsätzen - Funktionsgewährleistung durch ausreichenden Schutz der Verstellelemente - Universelle Anpassungsmöglichkeiten an den Einsatzfall - Ausreichende Sicherheit gegen unbeabsichtigte Überlastung - Sicherheit gegen eigenmächtiges Verstellen - Einfacher und kostengünstiger Einbau Unter dem Begriff Aufstellelemente sind allgemein Elemente zu verstehen, die entweder definierte Höhenverstellungen bei starrer Aufstellung ermöglichen oder elastische Eigenschaften (Federn), dämpfende Eigenschaften (Dämpfer) oder elastische und dämpfende Eigenschaften (Feder-Dämpfer-Elemente) aufweisen. Es gibt für verschiedene Anwendungsfälle eine Vielzahl von Ausführungsformen, die sich hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe, der konstruktiven Gestaltung und der Eigenschaften unterscheiden. Wesentliche Kenngrößen für die Auslegung einer Fundamentierung sind die Steifigkeit und die Dämpfung der Aufstellelemente. 12.2 Fundament Die Aufgabe des Fundamentes kann je nach Maschinentyp und Zielrichtung der Aufstellungsauslegung unterschiedlich sein. Unter statischen Gesichtspunkten obliegt dem Fundament die Aufgabe eine definierte Aufstellfläche für die Aufstellung der Maschine zu schaffen und eine gleichmäßige Lasteinleitung in den Boden zu gewährleisten. Bei nicht eigensteifen Maschinen muss das Fundament zusätzlich so dimensioniert sein, dass es die von der Maschine und den Bearbeitungskräften verursachten Belastungen aufnehmen kann, ohne dass unzulässige Verformungen beziehungsweise Verlagerungen innerhalb der Maschine auftreten, das heißt Gestellbauteile und Fundament zusammen ergeben die erforderliche Maschinensteifigkeit. Fundament Auslegung Die Fundamentgeometrie ergibt sich aus den Maschinenabmessungen. Die Oberfläche des Fundamentes ist durch die äußeren Abmessungen sowie durch konstruktive Gegebenheiten (Späneabfuhr, Kabelkanal und so weiter) gegeben. Die Fundamentdicke richtet sich nach der Beschaffenheit des Baugrundes und der für die Arbeitsgenauigkeit der Maschine erforderlichen Gesamtsteifigkeit. Die zulässige Schiefstellung des Fundaments wird in (mm/ m) angegeben, und liegt beispielsweise für Langbearbeitungsmaschinen um 0,01 mm/ m. Für die relative Durchbiegung (Abweichung von der Geraden) wird häufig ein Maximalwert von 0,075mm angegeben. <?page no="166"?> 158 Statische Bedingungen Eine Fundamentauslegung ist vor allem bei mittleren und großen Werkzeugmaschinen erforderlich, die nicht über eine ausreichende Eigensteifigkeit verfügen. Hauptaufgabe des Fundamentes ist hier, die Maschinenverformungen infolge äußerer Belastungen, wie zum Beispiel des Werkstückgewichts, sich bewegender Maschinenteile und der Bearbeitungskräfte, auf die für die angestrebte Maschinengenauigkeit zulässige Größe zu reduzieren. Um den Fundamentblock auszulegen, sollte möglichst bei der Berechnung das Gesamtsystem, bestehend aus Maschine, Aufstellelementen, Fundamentblock sowie der Baugrund berücksichtigt werden. Dynamische Bedingungen Bei vielen Werkzeugmaschinen spielt für die Auslegung einer geeigneten Maschinenaufstellung die Berücksichtigung dynamischer Aspekte eine entscheidende Rolle. Zum einen können die Aufstellungseigenschaften das dynamische Verhalten der Maschine selbst beeinflussen, zum anderen ist oft eine gezielte Auslegung im Hinblick auf eine Schwingungsisolation erforderlich. Die Abhängigkeit des dynamischen Verhaltens an der Wirkstelle der Maschine von der Art der Aufstellung wird durch die Eigenschwingungsform der Maschine beeinflusst. Liegt bei der für das Maschinenverhalten wesentlichen Eigenschwingungsformen auch Bewegungen an den Aufstellungspunkten vor, dann kann eine Änderung der Aufstellungseigenschaften auch das Schwingungsverhalten der Maschine beeinflussen. Eine Aussage hinsichtlich der günstigsten Aufstellungsart kann aber erst im Zusammenhang mit den jeweiligen Maschineneigenschaften gemacht werden. Abb. 136: Rechenmodell Maschine-Fundament-Baugrund zur Bestimmung des Verformungsverhaltens <?page no="167"?> 159 12.3 Passive Schwingungsisolierung Ein weiterer Aspekt bei der dynamischen Auslegung einer Maschinenaufstellung ist die aktive oder passive Schwingungsisolierung. Bei der aktiven Schwingungsisolierung hat die elastische Aufstellung die Aufgabe, die durch die dynamischen Kräfte der Maschine hervorgerufenen Bodenerschütterungen zu mindern. Als Beispiel sind hier vor allem Schmiedehämmer und Pressen zu nennen. Die hohen Erschütterungen beim Arbeitsprozess werden durch eine Aktivisolierung reduziert. Die passive Schwingungsisolierung mit Hilfe der gedämpft-elastischen Maschinenaufstellung wird eingesetzt wenn die Auswirkungen von vorhandenen Bodenerschütterungen auf die Werkzeugmaschine vermindert werden sollen. Beispielsweise wird das Fundament von Feinbearbeitungsmaschinen durch eine Passivisolierung vor störenden Umgebungsschwingungen geschützt, um die geforderten Bearbeitungstoleranzen und Oberflächengüten einhalten zu können. Die Umformmaschine Hammer als Fallhammer ist bezüglich der aktiven Schwingungs-Schallisolierung eine besonders kritische Maschine. Durch ihr Wirkprinzip, der Aufbringung der notwendigen Umformarbeit in Form einer translatorischen, kinetischen Energie, des Hammerbärs entsteht auf Grund des hohen Werkzeugimpulses erhebliche Schwingungen. Der Impuls und die so erzeugten Schwingungen können auf verschiedene Weisen aufgefangen werden: - Schabotte mit einer erheblich höheren Masse als der Bär (übliches Verhältnis 1: 27), schwerer Fundamentblock. - Abfederung und Dämpfung der Bewegung von Schabotte/ Fundament durch Zwischenlagen und vor allem Feder-/ Dämpfungselemente. <?page no="168"?> 160 Abb. 137: Schwingungsisolierung an Umformmaschinen (Biermann) <?page no="169"?> 161 Abb. 138: Fundamentplan einer Karusselldrehmaschine <?page no="170"?> 162 13 Schleifring Anwendung Bei vielen Anwendungen in der Industrieautomation, im Werkzeugmaschinenbau, im Sondermaschinenbau, in der Verpackungsmaschinenindustrie bis hin zur Automotiv- und Energietechnik müssen Leistung und Daten zwischen rotierenden und feststehenden Systemen übertragen werden. Feste Verbindungen über Kabel sind nur bei Systemen mit eingeschränktem Drehwinkelbereich einsetzbar, sind aber kontinuierliche Drehbewegungen gefordert, kommen Schleifringe oder Drehübertrager zum Einsatz. Neben kontaktierenden Schleifringen werden zunehmend kontaktlose Drehverbindungen eingesetzt, speziell zur Übertragung digitaler Daten bei hohen Bitraten. Diese Drehverbindungen basieren auf einer kapazitiven Übertragungstechnik, die derzeit Datenraten von 2 Mbit/ s bis zu 2 GBit/ s ermöglicht. Vorteile dieser Technik sind Verschleißfreiheit, hohe Störsicherheit gepaart mit sehr guten EMV-Eigenschaften (Elektromagnetische Verträglichkeit), hohe Zuverlässigkeit und Bitfehlerraten <10(minus13). Die Datenstrecken sind in vielen Varianten einkanal und unidirektional bis hin zu mehrkanal und bidrektional angeboten. Diese HSDCD-Strecken (High Speed Differential Coupling Divice), bestehend aus Sender und Empfänger, sind verfügbar mit einer elektrischen Schnittstelle, TTL oder ECL/ PECL-Pegel, oder optischen Ein- und Ausgängen zum Anschluss von Lichtleiterkabeln. Die Datenübertragung erfolgt protokolltransparent und elektrisch isoliert. Die Sender und Empfänger können mit beliebigen Gleichspannungen im Bereich von 10V bis 30V betrieben werden. Die Leistungsaufnahme pro Kanal beträgt etwa 2 Watt. Bei Durchmesser bis 1600mm 2 MBit/ s - 1,2 GBit/ s Bei Durchmesser bis 400 mm 2 MBit/ s - 2MBit/ s Schnittstelle TTL, ECL. Optisch Bitfehlerrate (BER) < 10 (minus13) Stromversorgung 10 VDC bis 30 VDC Leistungsaufnahme 2 Watt pro Kanal Temperaturbereich -40°C - +85°C Die Baugrößen reichen von kleinen Durchmessern bis zu großen Ausführungen mit etwa 1,6m. Große freie Innendurchmesser sind für manche Applikationen erforderlich und zu realisieren. Anwendungsgebiete für diese Datenstrecken sind die Medizintechnik(Computertomographie), die Videoübertragung, die Industrierobotertechnik und der Werkzeug- und Sondermaschinenbau. Die Systeme finden ebenfalls Anwendung für Feldbusse, in der Netzwerktechnik (Fast Ethernet), als serielle Datenschnittstelle oder als Datenmultiplexer. <?page no="171"?> 163 Abb. 139: Schleifring für Computertomographe (GAT) <?page no="172"?> 164 13.1 Faseroptische Drehübertrager für den High-Speed Datentransfer Für Drehübertragungssysteme im Bereich Automation und Maschinenbau, die bisher weitgehend mit kontaktierender Bürstentechnologie ausgerüstet sind, bieten Hersteller auch passiv optische Datenübertrager für hohe Datenraten, inclusive aller gängigen BUS-Systeme an. Die Basiseinheit in dieser Technologie ist ein einkanaliger faseroptischer Drehübertrager für eine kontaktlose Datenübertragung von höchsten Datenraten. Dieses Gerät ermöglicht bidirektionale Datenübertragung zwischen einem statischen und einem rotierenden Bereich. Der Drehübertrager ist eine passive Komponente, die für jedes Datenformat und Datenprotokoll und sogar für analoge Übertragung genutzt werden kann, sie ist für die derzeit schnellsten gängigen Übertragungskomponenten geeignet. Die Integration des Drehübertragers in einen Übertragungspfad ist genau so einfach, wie die Integration von kommerziellen Glasfasern. Diese Einheit ist verfügbar für Singlemode-Glasfasern mit einem Faserdurchmesser von 9 bis 125μm. Entsprechend seiner Kollimationsoptik ist das System für Wellenbereiche von 1300nm und / oder1550 nm optimiert. Der Drehübertrager ist deshalb auch für Mehr-Kanalanwendungen mit Wellenlängenmultiplex (WDM-Wavelength Multiplexing) geeignet. Der sehr niedrige Einfügungsverlust von 2,5 dB auf der einen Seite und die hohe Rückflußdämpfung von mehr als 20dB auf der anderen Seite sind die Grundlage für den Einsatz dieser Technologie in neuesten Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssysteme. Durch die berührungslose Übertragungstechnik ist der faseroptische Drehübertrager verschleißfrei und bietet höchste Lebensdauer ohne Wartung. Die theoretische mittlere Fehlerzeit (MTBF) liegt bei mehr als 100 Millionen Umdrehungen bei einer maximalen Drehgeschwindigkeit von 1000UpM. Das System ist in einem Temperaturbereich von -40°C bis +85°C und bei einer Luftfeuchtigkeit (ohne Kondensation) bis 95% einsetzbar. Der Drehübertrager hat ohne Anschlusskabel eine Länge von 25 mm und einen Durchmesser von 16 mm. Angeboten werden zwei-kanalige Drehverbindungen mit Polymerfasern, die als Standard in der Automobilproduktion eingesetzt werden. Ein vier-kanaliges System für Single- und Multimode-Fasern und auch 16-Kanaler sind auf dem Markt. <?page no="173"?> 165 13.2 Innovative Aspekte Faseroptische Drehübertrager zeichnen sich besonders durch folgende Eigenschaften aus: passive Einheit annähernd unbegrenzte Datenübertragungsrate durchlässig für alle Protokolle bi-direktionale Übertragung geeignet für WDM oder DWDM völlige elektrische Isolation abgeschirmt gegen EMI, EMP,ESD einsatzfähig in Explosionsschutzbereichen berührungslos, daher verschleißfrei höchste Zuverlässigkeit einfache Handhabung kompakte Einbaumaße Drehdurchführung und Schleifring Hierbei wird der elektrische Schleifring und die Drehdurchführung in einer integrierten Plug- und Play-Einheit vereint. Diese Einheit verfügt über bis zu 60 Kanälen für Anwendungen welche elektrische als auch Verbindungen für Pneumatik, Hydraulik und Wasser in platzbeschränkter Anwendung benötigen. Außerdem sind hierbei keine zwei Rotoren, zwei Sätze Dichtungen und zwei Gehäuse erforderlich, wodurch sich das Packmaß insgesamt erheblich verringert. Durch das Zusammenfassen von Drehdurchführung und Schleifring wird außerdem sichergestellt, dass das Design für die Anwendung optimiert ist. Auf diese Weise wird das Risiko in der Anfangsphase der Entwicklung verringert. Weitere Vorteile sind unter anderem eine geringere Installations- und Wartungszeit, da keine verschiedenen Kabelverbindungen und Schlauchanschlüsse mehr separat angeschlossen oder getrennt werden müssen. Vorteilhaft ist auch der Bezug von Schleifring und Drehdurchführung von einem Hersteller. Abb. 140: Schleifring mit Drehdurchführung (Deubli) <?page no="174"?> 166 13.3 Anwendungsbeispiele Rotationsachse Der Antriebsstrang der Rotationsachse besteht aus dem Motor, spielfreien Getriebe über die Fluiddrehdurchführung bis hin zum Abtriebsflansch. Neben der fluiden ist diese Rotationsachse mit einer elektrischen Drehdurchführung ausgerüstet. Diese beinhaltet fünf voneinander unabhängige Energiedurchführungen. Der zulässige Spitzenstrom liegt bei je 2A. Mit der Getriebeübersetzung von 30: 1 können Anwender eine maximale Drehzahl von von 280 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei Anwendungen, die mehr Drehmoment benötigen, erreicht die Getriebeübersetzung 50: 1 ein Spitzendrehmoment von 4Nm. Dynamische, elektrische Rotationsachse mit 4Nm Spitzendrehmoment bei 690g Eigengewicht. Endlosdrehen ohne bewegte Kabel, durch integrierte elektrische und pneumatische Drehdurchführung. Spielfreies Harmonic Drive Getriebe für sehr hohe Wiederholgenauigkeiten. Abb. 141: Rotationsachse (Afag) <?page no="175"?> 167 NC Schwenkfräskopf Der NC Schwenkfräskopf besteht aus einer schwenkbaren A-Achse mit der Frässpindel und einer durchdrehenden C-Achse. Damit eine endlose Drehung der C-Achse möglich ist, sind die hydraulischen und pneumatischen Medien über einen Mehrfach-Drehverteiler geführt. Hierbei sind die hohen Reibverluste durch die Dichtungen besonders zu beachten. Die elektrischen Signal-, Steuer- und der Leistungsstrom werden über einen gekapselten Mehrfach-Schleifkontakt geleitet. Bei dieser Ausführung entfällt die Verdrehung der Medienleitungen zwischen Drehteil und Festanbindung zum Kabelschlepp. Abb. 142: NC-durchdrehender Schwenkfräslopf (Klement) <?page no="176"?> 168 Abb. 143: Endlos Drehantrieb C-Achse (Klement) <?page no="177"?> 169 14 Automation von CNC Werkzeugmaschinen Entsprechend der unterschiedlichen Arten von Werkzeugmaschinen und vielen modifizierten Ausführungen hat sich eine große Vielfalt bezüglich Bauform und Funktionsweisen von Maschinenfunktionen ergeben. Beispielhaft werden hier der automatische Werkzeug- und Werkstückwechsel beschrieben. 14.1 Werkzeugwechsel Die meisten CNC-Maschinen erfordern für die Bearbeitung eines Werkstückes den Einsatz mehrerer Werkzeuge in einer vom Arbeitsplan vorgegebenen Reihenfolge. Um den automatischen Arbeitsablauf auf die gesamte Bearbeitung ausdehnen zu können ist ein Werkzeugmagazin mit automatisiertem Werkzeugwechsel unverzichtbar. Abb. 144: Magazinbauformen <?page no="178"?> 170 Werkzeughandhabungssystem Funktionen: Werkzeugwechsel und -speicherung in der Maschine mit Schnittstellen zu Diagnose-/ Überwachungs- und Einstellfunktionen. Werkzeugtransport zwischen Maschine und Zentrallager, sowie Speicherung im Zentrallager Werkzeugvorbereitung,-aufbereitung und -einstellung an einem Einrichteplatz. Abb. 145: Abläufe in einem Werkzeugversorgungssystem Beispiele zur Verwendung von Werkzeugwechseleinrichtungen: Urformmaschinen Wechsel von Spritzgussformen in Spritzgießmaschinen Umformmaschinen Gesenkwechsel in Kalt- oder Warmformmaschinen Zerteilende WM Wechsel von Stanzwerkzeugen Spanende WM Werkzeugwechsel in CNC-Werkzeugmaschinen Abtragende WM Elektrodenwechsel in Funkenerosionsmaschinen Montagemaschinen Wechsel von Schraubensätzen Messmaschinen Tasterwechsel in 3D-CNC-Koordinatenmessmaschinen Handhabungsgeräte Greiferwechsel bei Industrierobotern Werkzeugwechsel Notwendigkeit: - Folgearbeitsgänge (mehrmals je Werkstück) - Umrüstvorgänge (einmal je Los) - Nachwechselvorgänge (mehrmals je Los): Wechsel von verschlissenen oder gebrochenen Werkzeugen gegen gebrauchsfähige, gleichartige Werkzeuge (Schwesterwerkzeuge). - In Ausnahmefällen erfolgt der Wechsel auch mehrmals je Arbeitsgang bei großen Zerspanvolumen zum Beispiel Integralteile für den Flugzeugbau. <?page no="179"?> 171 Werkzeugwechselzeit: Die Werkzeugwechselzeit ist eine Nebenzeit mit großem Einfluss auf die Ausbringung (Stückleistung) der Werkzeugmaschine. Bei Fräsmaschinen beträgt diese minimal 1 bis 5 Sekunden. Spanzu Spanzeit (Definition nach VDI 2852): Zeit zwischen dem Beginn des Wegführens eines auszuwechselnden Werkzeuges aus einer repräsentativen Bearbeitungsposition und dem Ende des Heranführens eines folgenden, gleichlangen Werkzeuges in die gleiche Bearbeitungsposition. Werkzeugträger Werkzeug Einwechseln des kompletten Werkzeugträgers in Arbeitsposition WZ-Austausch zwischen WZ-Magazin und Werkzeugträger (Spindel) Anordnung kreisförmig oder linear Ausgeführt durch Feste Werkzeuge (Drehen) Rotierende Werkzeuge (Fräsen) Doppelgreifer Maschinen- Kinematik (Pick-Up) Revolver schwenken Spindel schwenken Magazin fest Magazin fest Sternrevolver Magazin Trommelrevolver Abb. 146: Komponenten eines Werkzeug-Handhabungssystems <?page no="180"?> 172 14.2 Werkstückwechsel Der automatische Werkstückwechsel ist erforderlich für eine automatisierte Fertigung. Durch ihn lassen sich die Nebenzeiten für das Spannen und Entladen der Werkstücke vermeiden mit dem Vorteil, dass die Produktivität der Werkzeugmaschine steigt und ihr Arbeiten von der Tätigkeit des Bedieners unabhängig wird bis hin zu einer bedienerlosen Fertigung. Der automatische Werkstückwechsel ist eine unabdingbare Voraussetzung für die Integration von CNC-Maschinen in flexible Fertigungssysteme. Abb. 147: Werkzeug-Werkstückfluss in einem flexiblen Fertigungssystem (TH Berlin) Werkstückwechselprinzipien Werkstückträger Werkstück Greifergebunden Auflagegebunden Greifergebunden Auflagegebunden Handhabungseinrichtung Maschinen-Kinematik Werkstückhalter mit Greifrille Schiebetisch Pic-Up Spindel Pendeltisch <?page no="181"?> 173 Abb. 148: Bearbeitungszentrum mit automatischem Materialfluss (TH Berlin) <?page no="182"?> 174 Abb. 149: Werkstückwechselsystem (Rößner) <?page no="183"?> 175 Abb. 150: Flexibles Fertigungssystem (Uhlmann) <?page no="184"?> 176 Abb. 151: Palettenspeicher für Bearbeitungszentren (Uhlmann) <?page no="185"?> 177 15. Vakuumtechnik Man spricht von Vakuum oder auch Unterdruck, sobald der Druck innerhalb eines geschlossenen Raumes geringer ist als der Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck beträgt auf Höhe des Meeresspiegels 1.013 mbar und nimmt mit zunehmenden Höhenmetern ab. In der Vakuum Technologie unterscheidet sich die Ausprägung des Vakuums je nach Anwendungsgebiet. Für die Vakuum-Handhabung ist ein relativ geringes Vakuum das sogenannte Grobvakuum ausreichend. Der Druckbereich des Grobvakuums reicht von 1 mbar bis 1.013 mbar (Umgebungsdruck auf Meereshöhe). Im Bereich der Vakuum-Technik wird das Vakuum als Relativwert angegeben, das heißt der Unterdruck wird im Verhältnis zum Umgebungsdruck angegeben. Der Vakuum-Wert hat ein negatives Vorzeichen, weil der Umgebungsdruck als Bezugspunkt mit 0 mbar angegeben wird. In der Wissenschaft wird das Vakuum als Absolutwert angegeben. Als Bezugspunkt dient hier der absolute Nullpunkt, also der luftleere Raum (zum Beispiel das Weltall). Somit hat der Vakuum-Wert stets ein positives Vorzeichen. 15.1 Energiebedarf für die Vakuum-Erzeugung Der Energiebedarf für die Vakuum-Erzeugung steigt überproportional zum erreichten Vakuum. Eine Erhöhung des Unterdrucks von -600 mbar auf -900 mbar bedeutet eine Kräftezunahme um den Faktor 1,5. Die Evakuierungszeit und der Energieaufwand steigen aber um den Faktor 3. Somit wird deutlich, dass nur das im Arbeitsbereich benötigte Vakuum erzeugt werden sollte, um den Energieaufwand und damit die Betriebskosten so gering wie möglich zu halten. Um aus atmosphärischer Luft Druckluft zu erzeugen, ist bei Betrachtung der Kosten(zum Beispiel Investitionen, Material, Lohn) mit einem Aufwand von etwa 0,02 € pro m³ Volumen auf 7 bar Druck zu rechnen. Arbeitsbereiche: für dichte Oberflächen (zum Beispiel Metall, Kunststoff): -600 bis-800 mbar Vakuum für poröse Materialien (zum Beispiel Kartonagen. Spanplatten): -200 bis -400 mbar Vakuum. In diesem Bereich wird die erforderliche Haltekraft durch Erhöhung des Saugvermögens und durch Vergrößerung der Saugfläche erzeugt. <?page no="186"?> 178 15.2 Funktionsprinzipien der Vakuum-Erzeuger Venturi Prinzip: Pneumatische Vakuum-Erzeuger arbeiten nach dem Venturi-Prinzip Druckluft wird in den Ejektor (A) eingeleitet Durch die Querschnittsverengung der Treibdüse, der so genannten Venturi-Düse (B) wird die Druckluft beschleunigt. Der dynamische Druck steigt, gleichzeitig sinkt der statische Druck der Luft. Nach Passieren der Treibdüse entspannt sich die beschleunigte Luft und ein Vakuum entsteht. Luft wird durch den Vakuum-Anschluss (D) in den Ejektor gesaugt. Die Druckluft tritt zusammen mit der „angesaugten“ Luft durch den Schalldämpfer © aus dem Ejektor aus. Vakuum-Ejektoren Hoher Luftverbrauch, der aber durch seine Energiesparfunktion relativiert wird. Wartungsfrei ohne bewegliche Teile Geringes Gewicht und Abmessungen der Komponenten sowie beliebige Einbaulagen. Keine elektrischen Anschlüsse notwendig. Relativ hohes Vakuumniveau (bis 85% Vakuum) erreichbar. Geringe Anschaffungskosten. Abb. 152: Vakuum-Ejektor-Prinzip Vorteile Vakuum-Erzeuger die nach dem Venturi-Prinzip arbeiten, eignen sich besonders bei sehr hohen Beschleunigungen. Einzelne Ansteuerung von Sauggreifern. Ejektoren in verschiedenen Ausführungen je nach Anwendung zur zentralen oder dezentralen Vakuum Erzeugung. Verschiedene Leistungsklassen je nach Werkstück und Anwendung. <?page no="187"?> 179 Anwendung Universeller Einsatz in Vakuum Systeme. Bernoulli-Prinzip Pneumatisch betrieben mit integrierter Vakuum Erzeugung. Druckluft tritt durch Bohrungen im Vakuumsauger aus und wird somit stark beschleunigt. Durch Erhöhung der Geschwindigkeit sinkt der statische Druck und es entsteht ein Unterdruck (A) „Bernoulli-Gleichung“. Die beschleunigte Luft tritt zur Seite aus(B); zwischen Schwebesauger und Werkstück entsteht ein „Luftpolster“. Mit Hilfe eines hohen Volumenstroms werden Leckagen kompensiert, so dass auch poröse Werkstücke gehandhabt und vereinzelt werden können. Der Bernoulli-Effekt ermöglicht eine berührungsarme Handhabung von Werkstücken. Schwebesauger arbeiten nach dem Bernoulli-Prinzip. Abb. 153: Bernoulli-Prinzip Vorteile Berührungsarme, schonende Handhabung von dünnen und empfindlichen Werkstücken dank des Bernoulli-Effekts. Sicheres Vereinzeln von dünnen, porösen Werkstücken. Anwendung Handhabung von sehr dünnen, hochsensiblen oder extrem luftdurchlässigen Werkstücken. <?page no="188"?> 180 Coanda-Prinzip Pneumatisch betrieben mit integrierter Vakuum Erzeugung. Beim Coanda-Prinzip wird Druckluft durch einen Ringspalt geführt und somit beschleunigt. Durch die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit kommt es zum so genannten „Coanda- Effekt“ in dem die austretende Luft einer konkaven Oberfläche folgt. Das Entlangströmen der Luft an der Oberfläche bewirkt Ansaugen („Mitreißen“) der Umgebungsluft. Abb. 154: Coanda-Prinzip Vorteile Hohes Saugvermögen und geringer Luftverbrauch (notwendiger betriebsdruck 1 bis 5 bar) mit Hilfe des Coanda-Effekts. Große Kontaktfläche mit eng positionierten Saugöffnungen verhindert das Einsaugen oder Beschädigen des Werkstücks. Teilbelegung der Saugflächen möglich. <?page no="189"?> 181 Elektrische Vakuumpumpen Sehr hohes Vakuum (bis 99,99%) erreichbar. Hohes Saugvolumen (Vakuumgebläse) von bis zu 1 200 m³/ Std. möglich. Hoher Stromverbrauch durch dauerbetriebene Pumpen. Hohe Anschaffungskosten und permanenter Wartungsaufwand. Großes Gewicht, Bauvolumen sowie vorgegebene Einbaulagen. 15.3 Anwendungsbeispiele Abb. 155: Spannvorrichtung (Schmalz) <?page no="190"?> 182 Abb. 156: Handhabungssystem (Schmalz) <?page no="191"?> 183 Abb. 157: Vakuumspanntechnik (Maier) <?page no="192"?> 184 Abb. 158: Spanneinrichtung von 3D Werkstücken (Schmalz) <?page no="193"?> 185 16 Optische 3D Werkstückvermessung Lageerkennung des Werkstücks im Raum und Vermessung während der Fertigung oder Endkontrolle per optischem 3D Profilsensor ist die berührungslose Ergänzung zum Messtaster. Präzisionsbauteile müssen auf wenige Mikrometer genau produziert werden. Dies setzt bei der Herstellung Genauigkeiten voraus, die selbst modernste Bearbeitungsmaschinen oft nicht zuverlässig liefern können. Schon geringfügig abgenutzte Werkzeuge können zu Bauteilgeometrien führen, die außerhalb der Spezifikation liegen. Zur Qualitätskontrolle werden die Bauteile daher präzise vermessen. Genutzt werden dazu typischerweise Koordinatenmessmaschinen in speziellen Messräumen außerhalb der Werkzeugmaschine. Das ist umständlich, langsam und nur in Stichproben möglich. Der Sensor lässt sich in verschiedenste Werkzeugmaschinentypen einfach integrieren. In der aktuellen Ausführung hat der Sensorkopf ein Gewicht von 7,5 kg und eine Größe von 140mm x 235 mm x 215 mm. Bei einem typischen Messfeld von 20 mm x 20 mm erreicht das Messsystem eine laterale Auflösung von unter 7 μm. Der Arbeitsabstand beträgt etwa 300 mm. Messung am eingerichteten Werkstück Ein von Frauenhofer IPM entwickeltes digital-holographisches Messsystem „Holo- Cut“ ermöglicht eine echte 100% Qualitätskontrolle im Fertigungsprozess das Messsystem erfasst bis zu 20mm x 20mm der bearbeiteten Bauteiloberfläche mit einer einzelnen Messung. Auch Abweichungen von wenigen Mikrometern können so ohne erneutes Einrichten des Werkstücks direkt in der Werkzeugmaschine nachbearbeitet werden. Abb. 159: Bauteiloberflächen-Erfassung (Frauenhofer) Die digitale Holografie ist ein interferometrisches Verfahren, das die Topografie einer Bauteiloberfläche mit makroskopischer Genauigkeit erfassen kann. In der Praxis scheitern solche Methoden oftmals an komplexen Strukturen wie Steigungen, tiefen Rillen hohen Kanten und Löchern. Bei steilen Objektkanten kann das errechnete Höhenrelief in der Regel nicht mehr eindeutig ausgewertet werden. <?page no="194"?> 186 Dieses Problem wird beim Holo-Cut-Sensor mithilfe mehrerer schmalbandiger Laser unterschiedlicher Messwellenlängen gelöst. Dabei werden aus mehreren Wellenlängen im Rechner sogenannte syntetische Wellenlängen erzeugt, um einen größeren Messbereich abzudecken - je nach Rauigkeit der Oberfläche vom (Sub-)Mikrometerbis in den Millimeterbereich. Auf diese Weise können mikroskopische Topografien mit mikroskopischer Genauigkeit erfasst werden. Ausschuss frühzeitig erkennen Auf diese Weise erkennt der Holo-Cut-Sensor Ausschuss frühzeitig, sodass unterschiedliche Prozessfehler direkt am Bearbeitungsergebnis identifiziert und durch Rückführung in den Fertigungsprozess umgehend korrigiert werden können. So lassen sich sowohl Fräsparameter wie Zustellung oder Schnittgeschwindigkeit optimieren. Auch die Abnutzung des Werkzeugs wird genau erkannt, sodass der Austausch zum optimalen Zeitpunkt erfolgen kann. Funktionen - Schneller, sicherer Abgleich der Werkstücklage - Messung „schlechter Oberflächen“ wie Gusskanten, Brennschnittkanten - Scan von 3D Konturen - Optische Werkstückidentifikation - Schnelle Erfassung großer Messbereiche Vorteile - Vermeidung von Messmittel-Crashs an undefinierten Konturen, da berührungslos gemessen wird - Schnelle Vermessung durch Erfassung der Konturen in Verfahr-Geschwindigkeit - Höhere Prozess-Sicherheit durch automatisierte Erkennung und Ausrichtung der Werkstücke - Ideale Ergänzung zur taktilen Messung - Möglichkeit des Scans von 3D-Oberflächen <?page no="195"?> 187 16.1 Anwendungsbeispiele Abb. 160: Innenvermessung einer Getriebe-Schaltmuffe (EHT) Abb. 161: Laser Triangulationssensor (Hexagon) <?page no="196"?> 188 17 Literaturverzeichnis ACO Severin Ahlmann GmbH, Mineralguss ABC. Firmenschrift Atscherkan: Werkzeugmaschinen, Berechnung und Konstruktion. 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Bernoulli Prinzip.............................. 179 BestSens .......................................... 36 Betongestell...................................... 59 Betriebsparameter .......................... 121 Betriebsstunden................................ 16 Bewegungsfreiheitsgrade ................. 79 Bewegungswandler ........................ 122 Bohrstange ..................................... 65f. Bordscheiben.................................. 124 Bremsenergie ................................. 130 Bruchüberwachung..................... 96, 98 C Carbon Zugstrang................... 113, 116 Closed Loop ......................... 128, 143f. Coanda Prinzip ............................... 180 CMU 1000 ........................................ 39 Condition Monitoring............... 16, 107f. D Dämpfung ........................ 48, 52f., 62ff. Dämpfungsdichtung............................ 4 Dämpfungsschlitten ....................... 74ff. Dämpfungssystem ............................ 48 Damper........................................... 69f. Dichtungen ......................................... 3 Direktantrieb ..................................... 73 Drehantrieb..................................... 168 Drehübertrager ....................... 162, 164 Drosselsteuerung ........................... 148 Druckölversorgung ............................. 5 Druckspeicher..................................... 5 Druckübersetzer ............................... 10 Drückendes System...........................2 Drive Train .......................................46 Durchhangkompensation .................79 Dynamic.Stabilizer ...........................72 E Ebenheit...........................................58 Eingriffszähnezahl .........................124 Ejektor............................................178 Elastomerkeilriemen ......................113 Elektromechanik ............................145 Elektromotoren ......................130, 135 Elektronische Kompensation ...........80 Elektronischer Gewichtausgleich .....15 E-Modul .......................................... 58 Energieeffizienz ....1, 127f., 130, 144ff. Energiekosten ........................128, 132 F FAG VarioSense ............................46f. Fahrständer-Fräsmaschine..............82 Faseroptische Drehübertrager .......165 Federaufhängung ............................66 Federspeicher ....................................9 Fehlerarten ..............................79f., 81 Fluiddrehdurchführung...................166 Fräskopf...........................................82 Führungen .......................................73 Führungsbahnen..............................59 Fundamentierung...........152, 154, 157 G Gefahrenanalyse. ..............................1 Gegengewicht ..................................12 Genauigkeiten..................................58 Geräuschentwicklung.....................117 Geräuschminderungsmaßnahmen 117 Geräuschpegel ..............................113 Gestellbauteile .................................53 Gewichtsausgleich .............................1 Gewichtsausgleich-Zylinder ...........7, 8 Gewichtskompensation......................2 Gleitbelag.........................................76 Gleitreibungskoeffizient......................3 Grauguss .........................................55 Greifvorgang ..................................147 Grenzwert ......................................98f. <?page no="203"?> 195 H Haftreibungskraft .............................. 73 Hauptspindeln............... 20, 52, 62, 128 Hertzsche Pressung ......................... 24 Hybridachse.................................... 148 Hybridschrittmotor .......................... 144 Hydraulik......................................... 145 Hydraulikdichtung ............................... 3 Hydraulikverluste ............................ 132 Hydraulischer Gewichtausgleich......... 6 Hydrostatische Durchhangkompensation.................................................... 84 Hysterese ....................................... 131 I Identifikationssystem ...................... 108 Induktionsmotoren ........................ 135f. Infoträger ........................................ 109 Isolierung ................................ 152, 154 J Justierung ........................................ .66 K Keilriemen..................................... 112f. Körperschallmessung ............. 101, 119 Kompensationsrechnung .................. 91 Kraftanregung................................... 71 Kraftfluss................................... 50, 52f. Kreiselsystem ................................... 70 Kühl- und Heizelemente ................... 89 Kühlschmierstoffanlage .......... 128, 131 L Lager-und Motortemperatur.............. 20 Lagerbeanspruchung................ 24f., 38 Lagersteifigkeit ................................. 63 Lagerzustand.................................... 31 Laserinterferometer .......................... 90 Lastkollektive .................................... 38 Laser Triagolationsensor ................ 187 Leckagen ............................................ 5 Leichtbaumaterialien ........................ 61 Leistungsverteilung........................ .133 Linearachse .................... 114, 122, 148 Löseeinheit ....................................... 44 M Maschinengenauigkeit ...................... 24 Maschinenständer ............................ 86 Maschinenstrukturen ....... 52, 85ff., 185 Maschinenüberwachung................... 30 Mechanische Kompensation............. 82 Mechanischer Gewichtausgleich ...12f. Mechanisches System .....................46 Mehrscheibenantrieb .....................115 Messort ............................................93 Messprinzip......................................22 Metallschaum...................................61 Mikroanalyse..................................127 Mineralguss ...............................56, 58 Monitor.............................................30 Mooringregelung ................................5 MSSWP Simmerring ........................41 N Naturstein ........................................58 NC Schwenkfräskopf .....................167 Nebenaggregate ..........................128f. O Oberflächenrauigkeit..............73f., 186 Oberflächenwellen ...........................36 P Palettenspeicher ............................176 Permanentmagnete .................70, 137 Permanetmagnetmotoren ......135, 137 Piezoelektrischer Kraftsensor ..........33 Pneumatik....................................145f. Pneumatikzylinder .............................4 Pneumatischer Gewichtausgleich ......7 Polymerbeton...................................58 Positioniergenauigkeit..........125f., 143 Profilschienenführung ......................75 Prometec .........................................30 Prozessdaten ...........39, 100, 107, 147 Q Qualitätssicherung ...........................20 Quad Power...................................116 R Ratterschwingungen ..................62, 73 Radiowellen ...................................108 Reproduzierbarkeit ..........................80 Reibungsarme Zylinder......................3 Reibungskoeffizient ...........................3 Riemenbreite .................................121 Riemengetriebe ...........................112f. Riemengetriebe Bauarten ............112f. Riemenscheibe ....................113, 116f. Richtelemente ................................156 Rundachse.......................................90 Rundschleifmaschine.......................67 <?page no="204"?> 196 S Schallenergie................................. 117 Schmierfilmdicke ......................... 4, 36 Schmierstoffprobleme...................... 26 Schwingungsüberwachung.. 24, 46, 48 Schneidstoff..................................... 65 Schnittstelle ..................................... 39 Schwinden ....................................... 57 Schrittmotor .................................. .143 Schwingungsamplitude...... 25, 51f., 74 Schwingungstilger ..................... 65, 72 Sensor .............. 38, 41, 70f., 89ff., 104 Sensordaten .................. 18, 22, 35, 38 Sensorlager .................................... .47 Servomotoren .................. 32, 82, 139f. Spannmethode .............................. 115 Speicher ....................................... .132 Spindel........................................... 130 Spindel Überwachungssystem24, 27f., 63f. Spiralfeder ....................................... 14 Sphäroguss ..................................... 56 Squeeze-Film ............................ 64, 76 Stabilitätskarten ............................... 62 Stahlschweißkonstruktion ................ 56 Standzeitüberwachung .................. 96f. Stangendichtungen............................4 Steifigkeit ......................................... 53 Stellgröße ....................................... .93 Stillstandszeiten............................. 16f. Synchronriemen .................... 113, 116 Systemdruck......................................5 T Temperatureinflüsse ................ 85f., 91 Testzyklus........................................ 27 Thermische Steifigkeit ..................... 85 Thermosymmetrischer Maschinenaufbau .................................................. 87 Tilgersystem .................................... 71 Tool-Box .......................................... 16 Tool Scope ...................................... 27 Torqxis............................................. 38 TPC ................................................. 85 Trennscheibe................................... 68 Trumschwingungen ............... 115, 125 U Überwachungssystem................30, 41 Unwuchten.................................25, 31 V Vakuum-Erzeuger ..........................178 Vakuumpumpen.............................181 Vakuumtechnik ..............................177 VDI-Richtlinie .................................152 Verdrehspiel...................................120 Verfahrgeschwindigkeit......................7 Verformungsanalyse ........................54 Vergussbeton...................................56 Vergussmasse .................................57 Verlagerungen .....................20, 24, 89 Verschleißmessung ...................24, 96 Verschleißüberwachung ................96f. Verstellpumpe ....................................5 Verstellwege ....................................84 Vorspannkraft ................................115 Volumetrie Kompensation................80 W Wälzführung.....................................75 Werkstückträger...............................67 Werkstückvermessung.............93, 185 Werkstückwechsel .................169, 172 Werkzeugbruch........................34f., 96 Werkzeuge.......................................65 Werkzeugmess-und Überwachungsplan ..........................................96, 100 Werkzeugspannsystem....................43 Werkzeugsystem .........................110f. Werkzeugverschleiß .................28f. 62 Werkzeugwechsel..........................169 Werkzeugzustand ............................18 Wirbelstromsensor ...........................22 Wirkprinzipien ..................................62 Wirkungsgrad.................................148 X XL-Laser ..........................................80 Z Zahnriemen......................14, 115, 119 Zahnspiel .......................................126 Zentrierspitzen Absorber..................68 Ziehendes System .............................2 Zustandsüberwachung.....................16 <?page no="205"?> 197 19 Bildnachweis Alle nicht aufgelisteten Abbildungen wurden selbst erstellt. Abb. 7 Hydraulischer Gewichtsausgleich, Bosch-Rexroth 97815 Lohr, Produktinformation Werkzeugmaschinen, S.1, 2017 Abb. 9 Hydraulischer Gewichtsausgleich, Ross-Europa 63266 Langen, Workshop 2005 Abb. 10 Druckübersetzer, Maximator 37449 Zorge, Workshop, 2005 Abb. 11 Druckübersetzer Prinzip, Maximator 37449 Zorge, Workshop, 2005 Abb. 14 Gewichtsausgleich Bauarten, Scherdel 95615 Marktredwitz, Produktinformation, Gewichtsausgleich-Systeme, S.1, 2002 Abb. 15 Condition Monitoring, Brinkhaus 74354 Besigheim, Produktinformation Monitoring, 2005 Abb. 16 Wirbelstromsensor, FAG 97421 Schweinfurt, Technische Tagung, Dr. Voll, 2005 Abb. 17 Messringaufbau, FAG 97421 Schweinfurt, Technische Tagung, Dr. Voll, 2005 Abb. 18 Einbau in die Spindel, FAG 97421 Schweinfurt, Technische Tagung, Dr. Voll, 2005 Abb. 19 SKF Insight, SKF 97421 Schweinfurt, Katalog Monitoring, 2015 Abb. 20 Soft Scope Spindelüberwachung, Brinkhaus 74354 Besigheim, Produktinformation Monitoring, 2005 Abb. 21 Werkzeugverschleiß, Brinkhaus 74354 Besigheim, Technische Information Verschleißüberwachung, 2015 Abb. 22 Systemaufbau Monitoring Solution, Promtec 52070 Aachen, Firmenschrift Monitoring, 1997 Abb. 23 Real Time Monitor, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 24 Promos Systemaufbau, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 25 Promos Sensorlösungen, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 26 Kraftmessung an Spindeln, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 27 Kraftmessung an Spindeln, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 28 Werkzeugbruchüberwachung, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 29 Kraftsignal Verlauf, Promtec 52070 Aachen, Produktinformation, 1997 Abb. 30 Sensorpositionierung, Best Sens 96450 Coburg, Sensorkatalog, 2015 Abb. 31 BeMoS Sensoren und Controller, Best Sens 96450 Coburg, Sensorkatalog, 2015 Abb. 32 Prozessdatenerfassung, Hydac 66273 Sulzbach, Monitoring Produktkatalog, 2007 Abb. 33 Messdatenerfassungseinheit, Hydac 66273 Sulzbach, Monitoring Produktkatalog, 2007 <?page no="206"?> 198 Abb. 34 Wirkungsweise des MSS Simmerrings, Simmerring Solution, Freudenberg 69469 Weinheim, Simmerring Solution Catalog, 2007 Abb. 35 Spezielle Ausführung des MSS Simmerrings, Simmerring Solution , Freudenberg 69469 Weinheim, Simmerring Solution Catalog, 2007 Abb. 36 Werkzeugspannsysteme, Ott 87663 Lengenwang, Katalog Modulare Spanntechnik, 2013 Abb. 37 Überwachung des Lösekolbens, Ott 87663 Lengenwang, Katalog Modulare Spanntechnik, 2013 Abb. 39 VarioSense-Lager, FAG 97421 Schweinfurt, Katalog, 2016 Abb. 40 Schwingungssystem Werkzeugmaschine, Uni Duisburg, Definition Fertigungstechnik Vorlesung Script S.49, Dr. Lubeck Abb. 42 Schwingungsarten an spanenden Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinen, S.201, Dr. Weck Abb. 43 Schwingungsamplituden bei Fremd- und Selbsterregung, Uni Hannover, IFW Versuchsbericht S.4, 2006 Abb. 45 Gestell, statische, dynamische Steifigkeit, TH Saarland, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S. 27, 1997 Abb. 47 Lehr`sche Dämpfungsmaße von Werkstoffen, Uni Hannover, IFW Versuchsbericht S. 5, 2006 Abb. 50 Maschinenbett Befüllung, Epucret, Mineralguss-Kolloquium S. 65, 2001 Abb. 51 Führungsbahnen im Betongestell, TH Saarland, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.44, Dr. Weber, 1997 Abb. 52 Kostenbestandteile eines Rundtaktmaschinen Mineralgussgestells, Uni Kassel, Mineralguss Symposium, Dr. Sagmeister, 2012 Abb. 53 Maschinenbett aus Hochleistungsbeton, Uni Kassel, Mineralguss Symposium, Dr. Sagmeister, 2012 Abb. 54 Wirkprinzipien der Dämpfung, FAG, Technische Tagung Skript S.21, Dr. Voll, 2003 Abb. 57 Spindel-Lager-System mit Dämpfer, FAG, Technische Tagung S.24, Dr. Voll, 2003 Abb. 58 Wirkungsweise fremderregter Schwingungen, Uni Hannover, IFW Vorlesung Ratterschwingungen an Werkzeugmaschinen Skript S. 2, 2003 Abb. 59 Schwingung gedämpfte Bohrstange, Uni Hannover, IFW Vorlesung Ratterschwingungen an Werkzeugmaschinen Skript S.28, 2003 Abb. 60 Absorber im Werkzeugträger einer Rundschleifmaschine, Uni Hannover, IFW Vorlesung Skript S. 26, 2003 Abb. 61 Ringdämpfer in einer Trennscheibe, Uni Hannover, IFW Vorlesung Ratterschwingungen an Werkzeugmaschinen Skript S.23, 2003 Abb. 62 Zentrierspitzen Absorber, Uni Hannover IFW Vorlesung Ratterschwingungen an Werkzeugmaschinen Skript S. 23, 2003 Abb. 63 Damper zur Bearbeitung tiefer Bohrungen, Big Kaiser CH 8153 Rümlang, Katalog Abb. 64 Prinzip Damper Ausdrehkopf, Big Kaiser CH 8153 Rümlang , Katalog Abb. 65 Elektrische/ magnetische Schwingungsaktoren, Contitech 30165 Hannover, Firmendruck Grundlagen mechatronischer Systeme S.16, 2012 Abb. 66 Dynamic-Stabilizer einer Fräsmaschine , Solaruce 30165 Limburg, Katalog, 2016 Abb. 67 Mechatronischer Schwingungsdämpfer, Contitech 30165 Hannover, Firmendruck Grundlagen mechatronischer Systeme S.16, 2012 Abb. 68 Dämpfungsschlitten, Schaeffler 91074 Herzogenaurach, Produktkata- <?page no="207"?> 199 log, 2005 Abb. 75 Dynamic CNC Ram Balance System, Solaruce 30165 Limburg, Katalog, 2016 Abb. 76 Vertikal Bearbeitungszentrum, Rottler 57555 Mudersbach, Produktkatalog, 2015 Abb. 77 PM Regler, Hydrostatik 73073 Göppingen, Produktkatalog, 2002 Abb. 78 Gezielte Strukturschwächung eines Maschinenständers, Uni Duisburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.142, Dr. Lobeck, 2001 Abb. 79 Thermisch bedingte Verlagerung, Uni Berlin, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.5, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 81 Maßnahmen gegen technische Verformungen, Uni Duisburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen, Skript S.137, Dr. Lobeck, 2002 Abb. 84 Messtaster mit Anwendungen, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.35, Dr. Rößner, 2006 Abb. 85 Maßüberwachung und Maßkorrektur, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.36, Dr. Rößner, 2006 Abb. 86 Maßgeregelte Bohrungs-Feinbearbeitung, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.36, Dr. Rößner, 2006 Abb. 88 Verschleißüberwachung, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.33, Dr. Rößner, 2006 Abb. 89 Werkzeugüberwachung, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S. 34, Dr. Rößner, 2006 Abb. 90 Werkzeugbruchüberwachung, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S. 34, Dr. Rößner, 2006 Abb. 91 Körperschallmessung über einen Kühlmittelstrahl, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S. 21, 2002 Abb. 93 Werkzeugüberwachung in Transferstraßen, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S. 107, 2002 Abb. 92 Prozessüberwachung beim Schleifen, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S. 22, 2002 Abb. 94 Sensorüberwachung in CNC Drehmaschinen, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S.62, 2002 Abb. 95 Vorschubkraftmessung in Mehrspindelbohrköpfen, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S.20, 2002 Abb. 96 Messung des Aufprallgeräusches am Werkzeug, Nordmann 50354 Hürth, Produktbeschreibung S. 89, 2002 Abb. 97 Condtion Monitoring in Arbeitsspindeln, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmascinen, Skript S.37, Dr. Rößner, 2006 Abb. 98 Speicherinhalt von frei beschreibbaren Infoträgern, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.18, Dr. Rößner, 2006 Abb. 100 Werkzeugsystem bei Fräsmaschinen, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.19, Dr. Rößner, 2006 Abb. 101 Steilkegel mit Innerer Kühlmittelzufuhr, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.20, Dr. Rößner, 2006 Abb. 102 Werkzeugspannung in Spindeln, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.21, Dr. Rößner, 2006 Abb. 103 Werkzeugsystem bei Drehmaschinen, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S. 21, Dr. Rößner, 2006 Abb. 104 Zugmittel für Umschlingungsgetriebe, Werkzeugmaschinen Bd. 2, Dr. Weck, S.194, 1991 Abb. 108 Vergleich der Luft- und Körperschallpegel verschiedener Riementriebe, Optibelt 37671 Höxter, Technisches Handbuch S. 35, 2017 Abb. 112 Trumkräfte be- und entlasteter Antriebe, Optibelt 37671 Höxter, Techni- <?page no="208"?> 200 sches Handbuch S.75, 2017 Abb. 115 Energetische Analyse TH Braunschweig Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.. 32 2016 Abb. 116 Energiekosten einzelner Maschinenbaugruppen, TH Darmstadt, Forschungsbericht S. 32, Dr. Abele, 2004 Abb. 117 Leistungsverteilung in Werkzeugmaschinen, Siemens, Energiemenagement Skript S.13, 2011 Abb. 118 Energieeffizienz bei Motorspindeln, Siemens, Energiemenagement Skript S.13, 2011 Abb. 120 Drehzahlbereiche verschiedener Motorprinzipien, TH Berlin, Vorlesung Motoren Skript S.10, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 121 Vergleich zwischen Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmotoren, TH Berlin, Vorlesung Motoren Skript S.11, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 122 Aufbau CMD-Motor, SEW, Praxis der Antriebstechnik S.46, Produkt- Katalog, 2002 Abb. 124 Komponenten gängiger Servomotoren, SEW, Praxis der Antriebstechnik S.8, Produkt Katalog, 2002 Abb. 128 Antriebe im Vergleich, Nold 88339 Bad Waldsee, Firmenschrift Elektromechanik, 2017 Abb. 129 Hybrid Linearachse , Voith 89522 Heidenheim, Zylinder Firmenschrift, 2002 Abb. 130 Versuchsaufbau zum energetischen Vergleich, Exlar 88339 Wächtersbach, Versuch, 2002 Abb. 132 Hydraulische Revolverschlittensteuerung, TH Saarland, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.132, Dr. Weber, 2002 Abb. 134 Aufstellarten von Werkzeugmaschinen, Institut für Leichtbau, Vorlesung Skript S.25, Dr. Biermann, 2010 Abb. 135 Aufstellelemente, Institut für Leichtbau, Vorlesung Skript S.26, Dr. Biermann, 2010 Abb. 137 Schwingungsisolierung an Umformmaschinen, Institut für Leichtbau, Vorlesung Skript S. 28, Dr. Biermann, 2010 Abb. 139 Schleifring für Computertomographie, GAT 65366 Geisenheim, Prospekt Schleifring, 2017 Abb. 140 Drehdurchführung mit Schleifring , Deubli 55129 Mainz, Monitoring Prospekt, 2016 Abb. 141 Rotationsachse, Afag 92224 Amberg, Produktschrift Rotationsachsen, 2002 Abb. 142 NC durchdrehender Schwenkfräskopf, Klement Konstruktion 96450 Coburg, 2005 Abb. 143 Endlos Drehantrieb C-Achse, Klement Konstruktion 96450 Coburg, 2005 Abb. 148 Werkzeug-Werkzeugfluss in einem flexiblen Fertigungssystem, TH Berlin, Vorlesung Flexible Fertigungssysteme Skript S.22, Dr. Rößner, 2008 Abb. 149 Bearbeitungszentrum mit automatischem Materialfluss, TH Berlin, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.28, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 150 Werkstückwechselsystem, HS Augsburg, Vorlesung Werkzeugmaschinen Skript S.31, Dr. Rößner, 2008 Abb. 151 Flexibles Fertigungssystem, TH Berlin, Vorlesung Fertigungssysteme Skript S.10, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 152 Plattenspeicher für Bearbeitungszentren, Vorlesung Fertigungssysteme Skript S. 29, Dr. Uhlmann, 2008 Abb. 156 Spannvorrichtung, Schmalz 72293 Glatten, Anwendung Vakuumspan- <?page no="209"?> 201 ner, 2005 Abb. 157 Handhabungssystem, Schmalz 72293 Glatten, Anwendung Vakuumspanner, 2005 Abb. 158 Vakuumspanntechnik, Maier 70734 Fellbach, Produktkatalog, 2000 Abb. 159 Spanneinrichtung von 3D Werkstücken, Schmalz 72293 Glatten, Produktanwendung, 2000 Abb. 160 Bauteiloberflächen-Erfassung, Frauenhofer, Versuchsbericht, 2006 Abb. 162 Laser-Triangulationssensor, Hexagon 35578 Wetzlar, Versuchsbericht, 2006 Abb. 161 Innenvermessung einer Getriebe-Schaltmuffe, EHT 74417 Geschwend, Versuchsbericht, Schaltmuffen-Vermessung, 2006 <?page no="211"?> Der Autor beschreibt auf Basis jahrelanger, umfassender Erfahrung die Probleme, die sich bei der Konstruktion und Herstellung der Nebenbaugruppen von Werkzeugmaschinen ergeben und liefert praxisnahe Lösungen. Eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen zeigt Ihnen, wie der Transfer zu Ihren eigenen Aufgaben gelingt. Zahlreiche instruktive Skizzen veranschaulichen den dargestellten Stoff. Der Inhalt: Auswahl von Gewichtsausgleichssystemen - Monitoring zur Maschinen- und Werkzeugüberwachung - Dämpfungsmöglichkeit von Maschine und Werkzeug- Durchhang- und Temperaturkompensation - Werkstück- und Werkzeug Mess- und Überwachungssysteme - Riementriebe - Energieeffizienz - Motorauswahl - Fundamentierung von Werkzeugmaschinen - Schleifring Anwendung - Automation von CNC Werkzeugmaschinen - Vakuumtechnik - Optische 3D Werkstückvermessung Die Zielgruppe: Ingenieure, Studierende, Konstrukteure und Meister im Bereich Maschinenbau und Maschinenhersteller Der Autor: Dipl. Ing. Joachim Klement verfügt über eine langjährige Konstruktionspraxis bei namhaften Werkzeugmaschinenfirmen und war Inhaber eines erfolgreichen mittelständischen Entwicklungs- und Konstruktionsbüros für Werkzeugmaschinen in Coburg. Werkzeugmaschinen- Nebenbaugruppen JOACHIM KLEMENT Automation und Energieeffizienz JOACHIM KLEMENT Werkzeugmaschinen- Nebenbaugruppen ISBN 978-3-8169-3457-8 9 783816 934578 3457-8_Klement_RT_U_19.indd 1 16.05.19 16: 16