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Kollisionsgefahren mit neuartigem Überlastschutzsystem begegnen

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Alternative in der Motorspindel reduziert Kollisionsschäden

Um den Schaden durch Kollisionen möglichst gering zu halten, wurde am PTW in Zusammenarbeit mit Jakob Antriebstechnik ein neuartiges Kollisionsschutzsystem für Motorspindeln entworfen (Bild 1). Dieses System erlaubt bei kritischen Werten, hervorgerufen durch Kollision oder Überlast im Bearbeitungsprozess, eine mechanische Entkopplung der Motorspindel, weg von der Achsstruktur der Maschine. Damit werden die auf das Spindelsystem wirkenden Kräfte effektiv reduziert und eine Beschädigung bleibt aus.

Bild 4 zeigt die grundsätzliche Funktionsweise des Systems auf. Die Haltekraft zwischen Spindel und Maschine wird durch ein Permanentmagnetsystem und Schraubendruckfedern erzeugt. Sie kann je nach Grenzbelastbarkeit der im Kraftfluss liegenden Komponenten durch Änderung der Federvorspannung beziehungsweise durch Verringern der Magnetstärke (Magnetanzahl) angepasst werden.

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Im Falle der Überlastung rückt das System aus und die Maschinenachse wird innerhalb des zur Verfügung stehenden Reaktionsweges zum Halten gebracht. Der anschließende Wiedereinrückvorgang erfolgt selbstständig durch die Druckkraft der verwendeten Federn und die Anziehungskraft der Magnete. Bild 5 zeigt den konstruktiven Entwurf sowie das reale Schutzsystem, das über ein schichtweise aufgebautes Permanentmagnetsystem mit einer Haltekraft von 11 kN arbeitet. Die eingebauten Federn besitzen 8 kN Haltekraft. So liegen die Haltekräfte unter den kritischen Grenzbelastbarkeiten der Maschinenkomponenten, wie etwa dem Spindellager.

Neuartiges Kollisionsschutzsystem unter die Lupe genommen

Vor den Kollisionsversuchen wurde das sensorgestützte Notstopp-Verhalten der Maschine hinsichtlich des Bremswegs untersucht. Ab einem Vorschub von 25 m/min entspricht der Bremsweg der Maschinenachse dem zur Verfügung stehenden Ausrückweg des Schutzsystems. Um in den ersten Versuchen einen Sekundärstoß zu vermeiden, wurde die Kollisionsgeschwindigkeit auf 20 m/min begrenzt, was einer Kollisionskraft von circa 100 kN entspricht. Wie aus den berechneten und ermittelten Kollisionskraftkurven hervorgeht, können die auftretenden Kontaktkräfte durch das Schutzsystem deutlich reduziert werden. Der signifikante Unterschied zwischen der radial ermittelten Kollisionskraft von 6 kN und der axialen Kollisionskraft von 20 kN entsteht durch das seitliche Ausrücken des Schutzsystems.

Dabei wirken im Gegenzug zum axialen Ausrücken nur teilweise die die Haltekraft erzeugenden Komponenten (Magnete, Schraubendruckfedern) im System. Diese Reaktion auf radial wirkende Kräfte wird durch die Auskraglänge des Werkzeugdummys stark beeinflusst. Die Auskraglänge des Dummys und des HSK-Spannfutters maß 150 mm. Die Versuchsergebnisse ließen erkennen, dass die angenommenen Kräfte auf ein Fünftel ihres Wertes verringert werden können.

Diese Reduzierung der Kräfte ermöglicht den aktiven Schutz der Maschine und ihrer wichtigsten Komponenten. Zu den am stärksten belasteten Elementen zählen die Motorspindellager und die Werkzeugaufnahme. Die Ergebnisse belegen, dass das neuartige Schutzsystem beim Versuch durch gezielte Verringerung der Maschinensteifigkeit die auftretenden Kräfte reduziert und Schäden mit Erfolg vermeidet.

Literatur

[1] Quade, N.: Verfügbarkeitsmanagement von Bearbeitungssystemen mit erweiterter Betrachtung der administrativen Prozesse in kleinen und mittleren Unternehmen. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 2009

[2] Denkena, B.; Blümel, P.; Röbbing, J.: Den Maschinenzustand im Fokus – Instandhaltung von Werkzeugmaschinen unter Verwendung von Zustandsüberwachungssystemen. wt Werkstatttechnik online, Jahrgang 99, Heft 7/8, S. 470-478, 2009

[3] Kayser, K.-H.: Kollisionserkennung in numerischen Steuerungen mit der Distanzfeldmethode. Dissertation, Universität Stuttgart, 1989

[4] Weck, M.; Brecher, C.: Werkzeugmaschinen – Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe und Prozessdiagnose. Bd. 3, 5. Auflage, Springer Berlin Heidelberg, 2001

[5] Ebeling, W.: Prozessüberwachung: Die Prozessqualität wird durch viele Faktoren beeinflusst. Der Betriebsleiter, Nr. 7/8, S. 46-48, 1997

[6] N.N.: KoBaSiS – Kontakterkennungsbasiertes Überlastsicherungssystem für Werkzeugmaschinen mit Spindel-Mutter-Antrieben. Abschlussbericht, RWTH Aachen, 2008

[7] Eichhorn, N.: Rüstprozessoptimierung in der Zerspanung – Methode zur Effizienzsteigerung beim Rüsten von Bearbeitungszentren in der Kleinserienfertigung. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2011

* Eberhard Abele ist geschäftsführender Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Matthias Berger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am PTW im Bereich Werkzeugmaschinen und Dennis Korff ist Oberingenieur des PTW im Bereich der spanenden Produktiontechnologie.

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