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Elektrischer Linearantrieb hat sich als Servoantrieb bei Werkzeugmaschinen etabliert. In einem rasanten Ablauf hat der elektrische Linearantrieb die Entwicklung der Werkzeugmaschinen in den...

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Elektrischer Linearantrieb hat sich als Servoantrieb bei Werkzeugmaschinen etabliertIn einem rasanten Ablauf hat der elektrische Linearantrieb die Entwicklung der Werkzeugmaschinen in den zurückliegenden Jahren beeinflusst. Man kann heute feststellen, dass sich dieses hochdynamische Antriebskonzept im Servoantrieb etabliert und seine Position bestimmt hat. Geht es um hohe Geschwindigkeiten, kurze Positioniervorgänge, schnelle Reaktionen, dann ist dieses Konzept herausgefordert. Sein physikalisch-technisches Vermögen kann dieser Antrieb aber nur umsetzen, wenn die peripheren Bedingungen dafür vorliegen. Eine reine Umstellung der Antriebskonzepte (vom elektromechanischen) endet oft in technisch unreifen und kostenbezogen problematischen Lösungen. Sicher ist, dass die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung diese Technik am weitesten applizierte, doch haben auch andere Beispiele, wie Pendel- und Positioniervorgänge, breitere Erfolgsaussichten aufgezeigt. Nach stürmischem Anfang wird nun die Phase der abgewogenen Entwicklung erwartet, die zur Verbreiterung des Einsatzgebietes führen wird.Komponenten des LinearantriebesDas Servoantriebssystem mit elektrischem Linearmotor besteht aus den im Bild 1 dargestellten Einzelkomponenten. Als Linearmotor, dem Wandler der elektrischen zur mechanischen Energie, wird vorwiegend der Synchronmotor eingesetzt. Neben der geringeren Verlustleistung gegenüber dem Asynchronmotor sind auch die Montage- und Justageaufwände begünstigt.Im Vergleich zum konventionellen Servomotor lassen sich beim Linearmotor durch Anordnung der Primärteile (Lage, Anzahl) die Antriebsparameter variieren. Der Entwickler erhält dadurch zusätzlichen konstruktiven Spielraum. Im Bild 2 sind zwei Möglichkeiten zum Einbau vorgestellt: Die Variante a bietet bessere Möglichkeiten, Umsetzung der Leichtbaukonstruktion und ist kostengünstiger. Variante b ermöglicht mit Verdoppelung der erzeugender Kraft F auch hohe Beschleunigungen beziehungsweise Vorschubkräfte umzusetzen.Zur Realisierung der erforderlichen Vorschubkraft kann die Kombination von Primärteillänge und Sekundärteilbreite variiert werden. Dazu stehen modulare Bausätze der Anbieter zur Verfügung. Für die Ansteuerung und Leistungsversorgung der Motoren dienen Regel- und Versorgungsgeräte, die aus der rotatorischen Servomotortechnik bekannt sind. Allerdings haben dabei die modernen digitalen Antriebsgeräte die analogen vollständig verdrängt.Die Anordnung der Primärteile unmittelbar im Achsbereich macht eine aktive Kühlung erforderlich. Geschlossene umlaufende Flüssigkeitskühlsysteme sorgen auch unter starker Belastung und Frequentierung des Verfahrregimes für die Abfuhr der Induktionswärme. Darüber hinaus lassen sich diese Kühlsysteme für die Regelung eines definierten Temperaturniveaus nutzen.Längenmesssysteme zur Positions- und Geschwindigkeitserfassung müssen auf die hochdynamische Arbeitsweise abgestimmt sein. Im Allgemeinen erfüllen die bekannten Linearlängenmesssysteme diese Ansprüche. Inkrementale Systeme erfordern beim Einschalten der Servoachse zu Betriebsbeginn den genauen Abgleich der Pollagen des Motors. Absolute Messsysteme machen diese Aufgabe nur einmalig bei der Inbetriebnahme nötig.Auch die Linearführungen (Wälzführungen) sind auf die Besonderheiten des Antriebes abzugleichen. Neben dem Beschleunigungs- und Geschwindigkeitseinfluss ist die permanente Anzugskraft des Motors zu berücksichtigen. Das hochdynamische Fahrverhalten der Achse ist auch für die Ausführung der Führungsbahnabdeckungen maßgebend. Die üblichen linearbewegten Teleskopabdeckungen können durch Gelenk- oder Scherenmechanismen ersetzt werden. Ausführliche Darstellungen werden unter anderem in [1] und [2] vorgenommen.Der elektrische Linearmotor setzt die entwickelte Antriebskraft direkt in die Achsbewegung um. Es entfallen die beim rotatorischen Konzept erforderlichen mechanischen Zwischenglieder (Anpass- und Wandlertrieb, Kupplungen). Durch die starre Anbindung des Motors an die Vorschubeinheit (Tisch, Schlitten) ergibt sich eine sehr hohe mechanische statische Steifigkeit, die bei jeder Entwicklung angestrebt wird.Motorkennlinie ist für Auslegung maßgebendZur Auslegung des Linearmotors ist die Motorkennlinie maßgebend. Gegenüber den rotatorischen Servomotoren ersetzen die Antriebskraft F in Achsrichtung das Motormoment und die Verfahrgeschwindigkeit v die Motordrehzahl.Die maximal entwickelte Antriebskraft Fmax steht bis zur Geschwindigkeit v0 bereit; danach sinkt diese linear bis auf den Dauernennkraftwert Fnenn ab. Den Wert Fnenn kann der Motor ohne thermische Schädigung dauerhaft entwickeln und bereitstellen. Die Kühlungsart hat auf diese Limitierung allerdings Einfluss. Am Beispiel einer horizontal angeordneten Linearachse soll die Auslegung aufgezeigt werden:Die erforderliche Motorkraft Ferf nach dem stationären Belastungsregime ist:Ferf= Fr+Ff+FzuFR - Reibungskraft (verursacht durch den Verschiebewiderstand in den Führungen). Sie wird durch die statische Gewichtskraft der bewegten Baugruppe FG und die Anzugskraft zwischen Primär- sowie Sekundärteil FA bestimmt. Letztere ist in den Motor-Katalogen aufgeführt.Fr= m (+Fg+Fa)m - Reibungskoeffizient der TischführungFf - maximale VorschubkraftFzu -zusätzliche Verschiebewiderstände (durch Abdeckungen)Die erforderliche Motorkraft Ferf für die Beschleunigung lautet:Ferf= Fr+Fb+FzuWeil die Achsbewegungen mit hohen Beschleunigungen ohne gleichzeitiger Vorschubkraft ablaufen (beim Hochfahren auf Eilgang), entfällt Ff. FB ist die Beschleunigungskraft (Trägheitskraft).FB=mam - bewegte Baugruppen-Masse a - maximale BeschleunigungÜblicherweise wird von einem konstanten Beschleunigungswert a ausgegangen. Das vereinfacht die Auslegung erheblich. Ruckbegrenzungen [3] und andere Einflüsse bleiben unberücksichtigt.Bei der Auswahl des Motors entsprechend des Kennlinienverlaufes ist zu sichern:Ferf v0Ferf v0Liegt die Kenntnis eines wechselnden Belastungsregimes vor, lässt sich die Auslegung nach dem stationären Verhalten über die Bestimmung einer äquivalenten Effektivkraft ersetzen[1].Das Potenzial der elektrischen Linearantriebstechnik effektiv umzusetzen, verlangt von der Maschinenkonstruktion, neue Gesichtspunkte anzugehen. Als wichtigste Leitlinie ist die Forderung nach minimaler Masse der bewegten Baugruppe zu nennen, ohne dabei die Eigensteife zu beeinträchtigen. Konsequente Ausnutzung der Regeln für Struktur- und Formenleichtbau sowie veränderter Werkstoffeinsatz [4] ergeben sich daraus. PC-Berechnungsverfahren (FEM) ermöglichen es, die konstruktiven Baugruppen näher an deren Grenzbelastbarkeit heranzuführen. Eine weitere Richtung besteht in der masseminimierten beziehungsweise veränderten Ausführung der in der bewegten Baugruppe integrierten Einbauteile. Dabei ist die Zulieferindustrie herausgefordert.Schließlich ist auch die thermisch abgestimmte Konstruktion gefragt, um die angeführten Probleme noch günstiger zu lösen. Um auf den Anfang zurückzukommen: Die eigentliche Entwicklung für den Werkzeugmaschinenkonstrukteur hat erst begonnen!Literatur[1]Förster, D., und W. Müller: Bei Vorschubantrieben ist Schnelligkeit genauso gefragt wie Ruckfreiheit. Maschinenmarkt 5/2002, S. 42-44. [2]Förster, D., und W. Müller: Linearmotoren in Werkzeugmaschinenvorschubantrieben. FH Köln 2003. Mitschrift.[3]Tönshoff,K., und andere: Mit Leichtigkeit zur Geschwindigkeit. Werkstatttechnik 6/2000 S. 235 ff.[4]Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme, Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag 2001.