Getriebe Antriebssystem bietet mehr Leistung für die Werkzeugmaschine

Ein völlig neues Antriebssystem verändert gerade den Hochleistungsmaschinenbau. Ob Drehmoment, Präzision oder Kompaktheit – die zahlreichen Bestleistungen von Galaxie ermöglichen eine bessere Performance von Maschinen und damit eine bessere Qualität von Prozessen und Produkten, wie einige ausgewählte Beispiele zeigen.

Anbieter zum Thema

Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

Rhenus Lub GmbH & Co KG

WITTENSTEIN SE

Mit ihrem besonderen Aufbau – dynamisierte Zähne, die um ein Polygon herum gruppiert sind, ersetzen das bislang übliche Zahnrad – stehen die Galaxie-Antriebssysteme von Wittenstein für eine neue Getriebegattung. Bis zu 170 % mehr maximales Drehmoment, eine bis zu dreifach höhere Überlastsicherheit und je nach Vergleichsgetriebe drei bis fast sechs Mal mehr Verdrehsteifigkeit sind nur einige der Leistungsmerkmale, mit denen die Antriebssysteme Entwicklern und Konstrukteuren im Hochleistungsmaschinenbau völlig neue Perspektiven eröffnen. Dies gilt vor allem für Applikationen, bei denen es auf ein besonders hohes Maß an Präzision ankommt.

Antriebssystem

Logarithmische Spirale als Vorbild

Alle drei Dimensionen der Präzision profitieren

Das besondere Getriebeprinzip von Galaxie basiert auf segmentierten Einzelzähnen, die auf einem Antriebspolygon mit Nadellagerung angeordnet sind und entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Aus dieser Anordnung und der speziellen Zahnflankengeometrie resultiert ein Zahneingriff, der mit einer bis zu 6,5 Mal größeren, tragenden Zahnfläche als bei üblichen Getriebekinematiken erfolgt. Dies, die Minimierung von Biegelängen sowie die optimierte Breitenlastverteilung im Zahneingriff und ein massiv ausgeführter, segmentierter Lageraußenring führen unter dem Strich zu einer Verdrehsteifigkeit, die um bis zu 580 % größer ist als die der besten vergleichbaren Getriebe am Markt.

Durch diese Kinematik profitieren alle drei Dimensionen der Präzision:

• die Spielfreiheit als statische Präzision,

• der Gleichlauf als dynamische Präzision und

• die Steifigkeit, das heißt die dynamische Präzision unter Last.

Die hohe Steifigkeit, die auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang gegeben ist, führt – im Vergleich zu herkömmlichen Getriebekonzepten – beim Einsatz in den Hauptachsen von Werkzeugmaschinen zu einer stark verbesserten Performance. So kann beispielsweise die Positionierung des Tool Center Point (TCP) wesentlich genauer erfolgen und auch starke Prozesskräfte, die auf das Werkstück und die Werkzeugspindel wirken, werden in erheblichem Maße kompensiert.

Kann gegeneinander verspannte Getriebe ersetzen

Was dauerhafte Spielfreiheit bei gleichzeitig höchster Steifigkeit und dynamischer Präzision angeht, werden die Galaxie-Antriebssysteme von keinem anderen mechanischen Umsetzungselement übertroffen. Die einzige Ausnahme können elektrisch oder mechanisch miteinander verspannte Systeme darstellen: Je nach Aufgabenstellung und Getriebetyp werden beispielsweise Getriebegehäuse direkt miteinander verschraubt, Abtriebswellen über verzahnte Kupplungselemente starr gekoppelt oder die Antriebswellen gegeneinander verdreht und geklemmt.

Die Nachteile solcher Lösungen liegen nicht nur im großen Platzbedarf sowie in der aufwändigen Montage und Justierung, sondern auch in der Tatsache, dass Galaxie-Antriebssysteme selbst im Vergleich mit verspannten Systemen eine deutlich verbesserte Präzision durch den sensiblen Nulldurchgang gewährleisten. Diese Erfahrung machte beispielsweise ein Unternehmen, in dem optische Glaswerkstücke mit höchster Präzision geschliffen werden müssen. In diesem Bearbeitungsprozess kommt es entscheidend auf eine konstante Relativgeschwindigkeit sowie auf die Anpresskraft des Schleifwerkzeugs auf die Werkstücke an. Ein Galaxie-Antriebssystem ersetzt in dieser Applikation zwei gegeneinander verspannte Getriebe, wodurch sich die Genauigkeit der Schleifprozesse nach Aussage des Anwenders um Faktoren verbessert hat.

Zu ähnlichen Resultaten führte der Einsatz von Galaxie an Stelle zweier verspannter Zykloidgetriebe in der Schwenkachse einer Werkzeugspindel. Bei dem verspannten Aufbau verdoppeln sich zwar die Reibmomente, die Verdrehsteifigkeit und die maximalen Leistungswerte verdoppeln sich jedoch erst ab dem Torsionswinkel, ab dem bei beiden Getrieben die zykloiden Scheiben an der gleichen Flankenseite anliegen. Mit dem Umstieg auf Galaxie wurde dieser Nachteil eliminiert: Das Antriebssystem hat die Präzision der Schwenkachse vor allem bei Belastung im Nulldurchgang deutlich verbessert.

Höhere Produktivität und Verfügbarkeit als mit Schneckenantrieb

Neben den Vorteilen gegenüber verspannten Systemen beweisen die neuen Antriebssysteme von Anfang an im direkten Vergleich mit anderen mechanischen Untersetzungsgetrieben ihren großen technischen Vorsprung. Ein Beispiel hierfür ist die Substitution von Schneckengetrieben in den Bearbeitungszentren eines süddeutschen Maschinenherstellers. Diese Getriebe – obwohl hochgenau ausgelegt – verlieren über ihre Lebensdauer an Präzision, da bei der vorgespannten Schnecke örtlicher Verschleiß auftritt. Neben der abnehmenden Bearbeitungsgenauigkeit war die Baugröße der gesamten Motor-Getriebe-Einheit so groß, dass zwischen den sich gegenüberliegenden Werkzeugschwenkachsen keine kurzen Bauteile übergeben werden konnten.

Das Galaxie-Antriebssystem schlägt hier gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe. So verschlankt die kompakte Bauform die Einhausung und sorgt für eine bessere ergonomische Zugänglichkeit. Die höhere dynamische Präzision und der verbesserte Gleichlauf der Werkstückachse ermöglichen eine effiziente, simultane und hochpräzise Fünf-Achs-Bearbeitung. Dies bringt dem Anwender mehr Produktivität – zumal jetzt auch Werkstücke mit komplexen Geometrien wirtschaftlich gefertigt werden können. Was die gesamte Maschinenplattform ebenfalls noch attraktiver macht ist die dauerhafte Spielfreiheit der Antriebssysteme, wodurch sonst erforderliche Wartungsarbeiten am Antrieb vollständig eliminiert werden

Galaxie in Portalfräsmachine: Regelbarkeit und Qualität verbessert

In der C-Achse des Gabelfräskopfes einer Portalfräsmaschine ersetzt ein Galaxie- Antriebssystem – ohne große konstruktive Modifikationen – eine Einheit aus Motor mit Spannungswellgetriebe, deren geringe Steifigkeit ein unregelmäßiges Dämpfungs- und Schwingungsverhalten erzeugte. Das neue Antriebssystem hat nicht nur die Steifigkeit der Achse um den Faktor 3 erhöht sowie die Drehmomentkapazität und Überlastsicherheit signifikant verbessert, sondern auch eine bessere Regelbarkeit ermöglicht. Das sichtbare Ergebnis: Rattermarken in der gefrästen Oberfläche, die bislang aufgrund der einwirkenden Prozesskräfte entstanden sind, gehören mit Galaxie der Vergangenheit an, die Güte der Bearbeitung hat sich entscheidend verbessert. Sowohl im Vergleich zu den gängigen Getriebetypen als auch mit Blick auf verspannte Systeme kann Galaxie die technischen Vorteile in der Praxis zu echten Erfolgsfaktoren für die Anwender machen.

Galaxie-Antriebssystem

Grenzen des Potenzials von Galaxie noch nicht in Sicht

Alternative zu Direktantrieben: der Vorteil liegt im Lambda-Faktor

Der technische Vorsprung ist so groß, dass das Antriebssystem immer öfter auch als Alternative zu Direktantrieben gesehen wird, die in Achsen mit hohen Anforderungen an die dynamische Präzision eingesetzt werden. Gerade in extrem dynamischen Anwendungen mit hohen Trägheitsmomenten spielt es seine Stärken aus. Hier macht der Lambda-Faktor (l) – das Verhältnis zwischen der angetriebenen, externen Massenträgheit der Applikation und der Massenträgheit des Antriebs – bei Dynamik und erreichbarer Regelgüte den entscheidenden Unterschied. Der Grund: Dynamische Vorgänge lassen sich umso weniger exakt regeln, je unterschiedlicher die Massenträgheitsmomente sind und je größer dadurch l ist. Mathematisch ergibt sich der Lambda-Faktor (l) als Quotient aus Massenträgheit der angetriebenen Baugruppen (J_Applikation) und der Massenträgheit der aktiven Antriebseinheit (J_Antrieb):

Während bei Direktantrieben beide Massenträgheiten in einem direktem Verhältnis zueinander stehen, geht beim Galaxieantrieb die mechanische Getriebeuntersetzung (i) quadratisch als Divisor in die Verhältnisrechnung ein. Dadurch wird es mit Galaxie bei der Auslegung hochdynamischer Antriebe möglich, mit wesentlich kleineren Antrieben ein um Faktoren besseres Massenträgheitsverhältnis zu erreichen, wodurch sich selbst bei sprunghaften Störgrößen und wechselnden Lasten eine weitaus bessere Regelgüte ergibt. Allein aus Sicht der Steuerung bedeutet dies einen deutlichen Vorteil gegenüber Direktantrieben – ganz zu schweigen von den Einsparungen bei der Masse, Stromaufnahme und der Baugröße.

Galaxie wächst zur kompletten Baureihe

Das Galaxie RGM von Wittenstein zeichnet sich durch hohe Präzision, Kompaktheit und Drehmomentdichte sowie die einfache Integration in Maschinen und Anlagen aus. Gleichzeitig legt das enorme positive Feedback den Grundstein für den Aufbau einer kompletten Baureihe, sodass in naher Zukunft weitere hochintegrierte Ausführungen der kompakten Antriebssysteme erwartet werden dürfen. Die erste neue Baureihe ist beispielsweise die ideale Lösung für beengte axiale Einbauverhältnisse sowie für Anwendungen, in denen ein Fräskopf extrem flexibel und wendig bewegt werden muss oder sich die Achsen im Arbeitsraum einer Maschine bewegen.

* Bastian Minke ist Vertriebsingenieur und Volker Sprenger Start-up Manager Galaxie Systems bei der Wittenstein SE in 97999 Igersheim

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