Hauptantriebe

Hauptantriebe sind überwiegend geregelte elektrische Synchron- und Asynchronmotoren. Zu ihren Anwendungen gehören Bausatz- oder Gehäusemotoren für den Einsatz in Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen sowie in Bearbeitungszentren. Als Hauptantriebe erfreuen sich auch die klassischen Spindelantriebe mit gehäusten Motoren – meist luftgekühlt – großer Beliebtheit. Im Vergleich zu Motorspindeln sind sie kostengünstiger, wenn man die Sekundärkosten beider Systeme berücksichtigt. Durch die Zwischenschaltung von Getrieben können einerseits Drehzahl und Drehmoment auf die Bearbeitungsaufgabe abgestimmt werden. Andererseits verursachen die Getriebe unerwünschte Radialkräfte, Lärm und erhöhten Verschleiß.

Technisch ausgereift sind die Hauptantriebe über Bausatzmotoren mit integrierter Spindel. Da auf Getriebe und Kupplungen verzichtet werden kann, ermöglichen diese Antriebe eine zentrische Drehbewegung ohne Einwirkung von Scherkräften. Sie zeichnen sich durch dauerhafte Laufruhe und minimalen Verschleiß aus und werden häufig für Hochleistungszerspanungen eingesetzt. Die Erzeugung von Antrieben mit höheren Drehmomenten ist derzeit noch recht aufwendig, da entweder ein (Planeten-)Getriebe in die Spindel integriert werden muss oder eine höhere Motorleistung gewählt werden muss. Zur vorbeugenden Wartung und Instandhaltung sollten Sensoren zur Überwachung und Erfassung von Messdaten in die Spindel integriert werden. Eine Kühlung mit Öl, Luft oder Glykol ist weiterhin erforderlich.

Vorschubantriebe

Bei den Vorschubantrieben besteht die Wahl zwischen elektromechanischen oder hydraulischen Systemen. Bei den elektromechanischen Vorschubantrieben dominiert derzeit weltweit der elektrische Servomotor mit Kugelgewindetrieb. Es wandelt die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung um. Hier werden Synchron-Gehäusemotoren bevorzugt, da diese hohe Anforderungen an Positionierung, Gleichlauf und Dynamik erfüllen müssen; mehr als der Hauptantrieb.

Aufgrund seiner hohen statischen Steifigkeit eignet sich dieses traditionelle Antriebssystem für vielfältige Anwendungen, ist jedoch verschleißanfällig. Abhängig von den Einbaubedingungen und den erforderlichen Drehmomentstärken wird der Servomotor entweder direkt oder beispielsweise über einen Zahnriemen mit der Spindel verbunden.

Antriebe sollten Verschleißfestigkeit sowie eine hohe Steifigkeit und Dynamik bieten. Eine solche Kombination von Eigenschaften ermöglicht eine höhere Präzision und einen dauerhaft störungsfreien Betrieb als mit einem vergleichbaren Kugelgewindetrieb mit indirektem Positionsmesssystem.

Ein Aspekt, der seinen Einsatz einschränkt, ist das Belastungsregime des Antriebs. Dies bedeutet natürlich nicht, dass bei der Bearbeitung mit großen Kräften auf Kugelgewindetriebe und hydraulische Antriebslösungen verzichtet werden kann. Auch unterstützende Maschinenelemente wie die Späneabdeckung mit ihrer maximal zulässigen Gleitgeschwindigkeit und die Schlittenführung mit ihrem Dämpfungsverhalten können den Einsatz einschränken. Den Vorteilen von Linearmotorantrieben stehen die damit verbundenen Investitionskosten gegenüber, die bislang einen weltweiten Durchbruch dieser Antriebstechnologie verhindert haben.

Hydraulische Vorschubantriebe sind dort gefragt, wo ihre Vorteile deutlich zum Tragen kommen, beispielsweise bei beengten Platzverhältnissen sowie bei Anwendungen, die eine hohe Dynamik und große Vorschubkräfte erfordern. Und natürlich muss der hydraulische Vorschubantrieb mikrometergenau positionieren. In der Praxis zeigt sich, dass der hydraulische Linearantrieb spielfrei arbeitet, langlebig und tendenziell langlebiger ist als ein vergleichbarer Antrieb mit Kugelgewindetrieb. Bei elektrischen Vorschubantrieben muss jeweils eine spezifische Leistung (Drehmoment und Drehzahl) installiert werden. Eine hydraulische Achse hingegen kann bedarfsgerecht Energie aus einem Hydraulikflüssigkeitsspeicher beziehen, wodurch die installierte Eingangsleistung um bis zu 80 % reduziert wird.

Hilfsantriebe

Eine Vielzahl von Antrieben erfüllt die in einer Hilfsantriebsanwendung erforderlichen Fähigkeiten. Im Spektrum der Hilfsantriebsfunktionen in Werkzeugmaschinen gibt es weder einen signifikanten Trend, noch stechen bestimmte bewährte Aggregate hervor. Die Wahl hängt von der Anwendung ab.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass in einer Maschinengruppe mit geschlossenem Funktionsablauf unterschiedliche Antriebe zusammengefasst sind. Beispiele hierfür sind Anwendungen, bei denen elektromechanische Antriebe für vertikal oder diagonal bewegte Schlitten in Kombination mit hydraulischem oder pneumatischem Gewichtsausgleich zum Einsatz kommen. Dabei kann der Gewichtsausgleich im weitesten Sinne als passiver Hilfsantrieb verstanden werden, dessen Aufgabe es ist, die Gewichtskraft der bewegten Masse zu kompensieren. Der Gewichtsausgleich kann auf verschiedene Arten erreicht werden, beliebt ist das hydraulische System mit Hydraulikflüssigkeitsspeicher. Ist die zu kompensierende Gewichtskraft gering, kann eine pneumatische Gasfeder die Funktion übernehmen. Die Vorteile dieser Lösungen liegen in ihrem anpassbaren dynamischen Verhalten sowie ihrer günstigen Energiebilanz.

Pneumatische Antriebe eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts, des einfachen Steuerungsaufbaus und der Schnelligkeit ihrer Bewegungen hervorragend für den Einsatz in Handhabungsgeräten. Diese Merkmale gelten für Zuführ- und Ladeeinheiten für kleinere Massen, die in den Werkstückfluss des Produktionsprozesses integriert sind. Die Werkzeug- und Werkstückspannung an Werkzeugmaschinen ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Arbeitsgenauigkeit und Wiederholbarkeit beeinflusst. Hydraulikspanner stellen eine besondere Art von Hilfsantrieben dar und werden aufgrund ihrer einfachen Automatisierung in Maschinen mit unbeaufsichtigter Werkstückbeladung und -entnahme eingesetzt. Die hohe Kraftdichte der Spannelemente begünstigt den Aufbau von Spannvorrichtungen auf kleinstem Raum.

Abschluss

Zur Lösung der Antriebsaufgaben in Werkzeugmaschinen stehen unterschiedliche elektrische, hydraulische, elektromechanische und pneumatische Antriebskonzepte zur Verfügung. Das Ingenieurteam muss unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen entscheiden, welches Antriebskonzept für die jeweilige Aufgabe das richtige ist. Ein guter Automatisierungslieferant, der über Fachwissen in all diesen Technologiegruppen verfügt, wird die Kunden bei diesen Entscheidungen berücksichtigen und beraten.