Stabkinematik hält Einzug in Werkzeugmaschinen

Die kartesische Maschinenkinematik hat Konkurrenz bekommen: In der Länge steuerbare Teleskoparme übernehmen die Bewegung der Bearbeitungseinheit. Diese so genannte Stabkinematik beflügelte die...

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Die kartesische Maschinenkinematik hat Konkurrenz bekommen: In der Länge steuerbare Teleskoparme übernehmen die Bewegung der Bearbeitungseinheit. Diese so genannte Stabkinematik beflügelte die Kreativität von Entwicklungsingenieuren in aller Welt. Mittlerweile wurden etwa 25 verschiedene Maschinenkonzepte - nach ihren Gestaltungsprinzipien Hexapoden, Tripoden oder Hybridkinematik-Maschinen genannt - realisiert.Verblüfft und gleichzeitig fasziniert waren der Besucher auf der ITMS 1994 in Chicago. Zwei amerikanische Werkzeughersteller, Giddings & Lewis und Ingersoll, läuteten dort die Abkehr vom herkömmlichen Bewegungsprinzip der Werkzeugmaschinen ein. Dem kartesischen Koordinatensystem, das von Beginn an den Bewegungsspielraum von Werkzeugmaschinen festlegte, schien in nicht allzu langer Zeit ein Ende beschieden - so jedenfalls dachten nicht wenige Fachleute, die dieser neue Typ von Werkzeugmaschinen begeisterte. Was war an diesen Maschinen so anders? Es war das grundlegende Konstruktionsprinzip. Während bei bisherigen Werkzeugmaschinen die linearen Bewegungen des Bearbeitungskopfes auf drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen, die ein kartesisches Koordinatensystem bilden, beruhen, wählten die beiden amerikanischen Werkzeughersteller sechs in der Länge numerisch steuerbare Teleskoparme zur Bewegung der Bearbeitungseinheit ihrer aufgrund dieses Gestaltungsprinzips Hexapod genannten Werkzeugmaschinen. Über das Verkürzen und Verlängern dieser ,,Stäbe" - deshalb auch Stabkinematik genannt - wird eine nichtlineare Bewegung erzeugt.Die Euphorie wich schnell einer ErnüchterungDie Präsentation dieser beiden Prototypen initiierte emsige Entwicklungstätigkeit. In vielen Ländern machten sich Entwicklungsingenieure auf der Suche nach vergleichbaren Maschinenkonzepten, um zu ihren amerikanischen Mitbewerbern aufschließen zu können - so auch in Deutschland. Die Euphorie wich allerdings schnell einer Ernüchterung. Keine der ersten Maschinen konnte die Erwartungshaltung erfüllen. ,,Bei vielen Maschinen der ersten Stunde war oft schnell ein Prototyp vorhanden, doch bei realen Frästests an Werkstücken wurden oft Defizite in der Mechanik, aber auch in der Automatisierungstechnik deutlich", erinnert sich Dipl.-Ing. VolkerMaier, Mitarbeiter im Geschäftsbereich Automation & Drives der Siemens AG in Erlangen. Bereits auf der EMO 1997 in Hannover präsentierten Unternehmen und Institute entsprechende Werkzeugmaschinen, Roboter, Positioniereinrichtungen und Montagesysteme. Ingersoll beispielsweise präsentierte den von äußeren Abmessungen größten Hexapoden mit einem Maschinengestell in Oktaederform. Das Institut für Fertigungstechnik und spanende Werkzeugmaschinen der Uni Hannover zeigte einen Tripoden mit zwei zusätzlichen Drehachsen im Werkzeugkopf zum Laserschneiden von Blechen. Der Dresdner Werkzeughersteller Mikromat stellte eine Hexapodfräsmaschine für größere Werkstücke vor, die gemeinsam mit dem Chemnitzer Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik entwickelt wurde. Die linearen Verstellwege in allen drei Achsen betragen jeweils 630 mm, der maximale Schwenkwinkel 30°.Seit sich in den letzten drei Jahren Maschinenbauer intensiv mit Konstruktion und Bau von Parallelkinematik-Maschinen beschäftigt haben, sind industrietaugliche Werkzeugmaschinen entstanden, die überwiegend auf der Metav 2000 vorgestellt wurden. ,,Diese Messe kann wohl als der industrielle Durchbruch für Parallelkinematik-Maschinen bezeichnet werden", so Maier. Auch die EMO Hannover 2001 werde die Entwicklungsfortschritte sicherlich widerspiegeln. Mittlerweile sind etwa 25 unterschiedliche Maschinenkonzepte realisiert worden. So gibt es neben den rein parallelkinematischen Maschinen wie beispielsweise die Parallelkinematik-Drehmaschine von Index, die Mikromat 6X Hexa und den Linapod des Instituts für Strahlwerkzeuge der Uni, auch so genannte Hypridkinematiken wie die Ecospeed von DS Technologie und die Tricept 845 mit nachgeschalteten Drehachsen zur 5-Seitenbearbeitung des schwedischen Herstellers Neos Robotics.Ein interessantes Tripod-Konzept ist das Bearbeitungszentrum mit Stabkinematik SKM 400 des Chemnitzer Werkzeugmaschinenherstellers Heckert, das erstmals auf der Metav 2000 vorgestellt wurde. Die Kinematik besteht aus drei längenveränderlichen Stäben. Die waagrechte Lage der Arbeitsspindel sichert eine passiv mitgeführte Koppelkinematik. Die Maschine erreicht Eilganggeschwindigkeiten von 100 m/min und eine Beschleunigung von 1 g. Kubische Werkstücke mit einer Kantelänge bis 600 mm können bearbeitet werden. Die Dauererprobung dieser Maschine ist mittlerweile abgeschlossen. Mit der Präsentation dieser Maschine auf der EMO stellt Heckert gleichzeitig die Weichen für den Serienstart im Jahr 2002. Was macht solche Maschinen für Anwender interessant? Dr.-Ing. Titus Konold, Projektmanager des Ludwigsburger Werkzeugmaschinenherstellers Hüller-Hille, bringt die Vorzüge auf den Punkt: ,,Die Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen sind vor allem erhöhte Dynamik, höhere Verfahrgeschwindigkeiten, größere Beschleunigungen sowie ein erweiterter Nutzungsraum durch zusätzliche Winkelstellmöglichkeiten." Freilich, ganz ohne Fehl und Tadel ist die Parallelkinematik nicht, wie Konold freimütig bekennt: ,,Bislang ist die Kalibrierung vieler Bauformen äußerst schwierig, vor allem eine geeignete Messtechnik, die auch vom Anwender zur Nachkalibrierung genutzt werden kann, ist nicht verfügbar. Die Bewegungen der Parallelkinematik sind komplexer und damit schwieriger nachvollziehbar, dadurch ist die Akzeptanz bei Bedienern zurzeit noch eingeschränkt." Generell, so sein Fazit, biete eine solche Werkzeugmaschine auch nicht die Summe an Vorteilen, die den breiten Einsatz rechtfertigen würden und die einfacher aufgebauten seriellen Kinematiken verdrängen. Nach wie vor stehen Baugröße und Verfahrgröße von Parallelkinematiken in einem ungünstigen Verhältnis. Seine Schlussfolgerung: ,,Solche Maschinen stellen eher eine Bauvariante für definierte Einsatzgebiete dar, für deren abgegrenzten Bereich können sie dann speziell ausgelegt und auch zu marktfähigen Preisen realisiert werden."Die Entwicklungserfolge beschleunigt haben staatlich geförderte Projekte. So wurde 1997 das Projekt Dynamil gestartet (siehe Kasten). Mit mehreren Industriepartner und dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen wurde die Hybridkinematikmaschine DynaM entwickelt, deren Endmontage und Inbetriebnahme Hüller-Hille ausführte. ,,Dabei ging es in erster Linie darum, Erfahrungen mit Parallelkinematiken zu sammeln", fokussiert Konold das Projektziel.Künftige Werkzeugmaschinen arbeiten noch genauerAuch das ebenfalls staatlich geförderte Projekt Accomat zur Steigerung der Genauigkeit von Maschinen (siehe Kasten) treibt die Weiterentwicklung von konventionellen und Stabkinematik-Werkzeugmaschinen voran. Hier liegt der Schwerpunkt in der Integration eines zusätzlichen kraftflussentkoppelten Messsystems zur direkten Messung der Entfernung zwischen Spindel und Maschinentisch, dessen steuerungstechnische Einbindung und der maschinentechnischen Kompensation der gemessenen Positions- und Orientierungsfehler. ,,Einerseits stellt die Parallelkinematik eine zusätzliche Herausforderung dar, weil eben die geometrischen Verhältnisse komplexer sind", so Konold, der auch industrieller Accomat-Projektleiter ist, ,,andererseits wird durch die höhere Dynamik auch eine Verbesserung der Regelgüte erwartet, und die sonst problematische Kalibrierung ist dabei ebenfalls in der Maschine integriert."Aufbauend auf den Erfahrungen beider Projekte hat Hüller-Hille gemeinsam mit Projektpartnern das Bohr-Fräszentrum ,,Specht Xperimental" entwickelt, das auf der EMO in Hannover (Halle 26, Stand J18/K21) ausgestellt wird.