Hauptantriebe

Als Hauptantriebe kommen überwiegend geregelte, elektrische Synchron- und Asynchronmotoren zum Einsatz. Sie werden unter anderem als Bausatz- oder Gehäusemotoren in Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen sowie in Bearbeitungszentren eingesetzt. Auch klassische Spindelantriebe mit Gehäusemotoren – meist luftgekühlt – sind als Hauptantriebe beliebt. Im Vergleich zu Motorspindeln sind sie hinsichtlich der Nebenkosten beider Systeme kostengünstiger. Durch die Zwischenschaltung von Getrieben lassen sich Drehzahl und Drehmoment optimal an die Bearbeitungsaufgabe anpassen. Allerdings verursachen die Getriebe unerwünschte Radialkräfte, Lärm und erhöhten Verschleiß.

Technisch ausgereift sind Hauptantriebe mit Bausatzmotoren und integrierter Spindel. Durch den Wegfall von Getrieben und Kupplungen ermöglichen diese Antriebe eine zentrische Drehbewegung ohne Querkräfte. Sie zeichnen sich durch dauerhafte Laufruhe und minimalen Verschleiß aus und werden häufig in der Hochleistungszerspanung eingesetzt. Die Realisierung von Antrieben mit höheren Drehmomenten ist derzeit noch aufwendig, da entweder ein (Planeten-)Getriebe in die Spindel integriert oder eine höhere Motorleistung gewählt werden muss. Zur vorbeugenden Wartung und Instandhaltung sollten Sensoren in die Spindel integriert werden, die die Spindel überwachen und Messdaten erfassen. Eine Kühlung mit Öl, Luft oder Glykol ist weiterhin erforderlich.

Vorschubantriebe

Bei Vorschubantrieben stehen elektromechanische oder hydraulische Systeme zur Auswahl. Bei den elektromechanischen Vorschubantrieben dominiert weltweit derzeit der elektrische Servomotor mit Kugelumlaufspindel. Er wandelt die Drehbewegung in eine Linearbewegung um. Hier kommen bevorzugt Synchronmotoren in Gehäusen zum Einsatz, da diese – stärker als der Hauptantrieb – hohe Anforderungen an Positionierung, Gleichlauf und Dynamik erfüllen müssen.

Dieses traditionelle Antriebssystem ist aufgrund seiner hohen statischen Steifigkeit vielseitig einsetzbar, unterliegt jedoch einem gewissen Verschleiß. Je nach Einbausituation und benötigten Drehmomenten wird der Servomotor entweder direkt oder beispielsweise über einen Zahnriemen mit der Spindel verbunden.

Antriebe sollten verschleißfest, steif und dynamisch sein. Diese Eigenschaftskombination ermöglicht eine höhere Präzision und einen dauerhaft störungsfreien Betrieb als vergleichbare Kugelgewindetriebe mit indirektem Wegmesssystem.

Das Lastverhalten des Antriebs ist ein Aspekt, der dessen Einsatz einschränkt. Dies bedeutet natürlich nicht, dass bei der Bearbeitung großer Kräfte 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 bisher einen weltweiten Durchbruch dieser Antriebstechnologie verhindert haben.

Hydraulische Vorschubantriebe sind gefragt, wenn ihre Vorteile zum Tragen kommen, beispielsweise bei beengten Platzverhältnissen sowie bei Anwendungen, die hohe Dynamik und große Vorschubkräfte erfordern. Natürlich muss der hydraulische Vorschubantrieb auch mikrometergenau positionieren. Praxisanwendungen zeigen, dass der hydraulische Linearantrieb spielfrei arbeitet, langlebig ist und tendenziell eine höhere Lebensdauer aufweist als ein vergleichbarer Antrieb mit Kugelumlaufspindel. Bei elektrischen Vorschubantrieben muss jeweils die spezifische Leistung (Drehmoment und Drehzahl) installiert werden. Eine hydraulische Achse hingegen kann bedarfsgerecht Energie aus einem Hydraulikölspeicher beziehen, wodurch die installierte Antriebsleistung um bis zu 80 % reduziert wird.

Hilfsantriebe

Verschiedene Antriebe erfüllen die Anforderungen an Hilfsantriebe. Im gesamten Spektrum der Hilfsantriebsfunktionen in Werkzeugmaschinen gibt es weder einen klaren Trend noch bestimmte bewährte Einheiten. Die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Maschinengruppe mit geschlossenem Funktionsablauf verschiedene Antriebe vereint. Beispiele hierfür sind Anwendungen, bei denen elektromechanische Antriebe für vertikal oder diagonal bewegte Schlitten in Kombination mit hydraulischem oder pneumatischem Gewichtsausgleich zum Einsatz kommen. Der Gewichtsausgleich kann dabei im weitesten Sinne als passiver Hilfsantrieb verstanden werden, dessen Aufgabe darin besteht, die Gewichtskraft der bewegten Masse auszugleichen. Der Gewichtsausgleich kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wobei das hydraulische System mit einem Hydraulikflüssigkeitsspeicher weit verbreitet ist. Bei geringen zu kompensierenden Gewichtskräften 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 dank ihres geringen Gewichts, der einfachen Steuerung und der hohen Bewegungsgeschwindigkeit ideal für den Einsatz in Handhabungsgeräten. Diese Eigenschaften gelten für Zuführ- und Ladeeinheiten für kleinere Massen, die in den Werkstückfluss des Produktionsprozesses integriert sind. Die Werkzeug- und Werkstückspannung an Werkzeugmaschinen ist entscheidend, da sie die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beeinflusst. Hydraulische Spanner stellen eine besondere Art von Hilfsantrieb dar und werden aufgrund ihrer guten Automatisierung in Maschinen mit unbeaufsichtigter Werkstückbe- und -entladung eingesetzt. Die hohe Kraftdichte der Spannelemente ermöglicht den Bau von Spannvorrichtungen auf kleinstem Raum.

Abschluss

Für Antriebsaufgaben in Werkzeugmaschinen stehen verschiedene elektrische, hydraulische, elektromechanische und pneumatische Antriebskonzepte zur Verfügung. Das Engineering-Team muss unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen entscheiden, welches Antriebskonzept für die jeweilige Aufgabe am besten geeignet ist. Ein guter Automatisierungsanbieter mit Expertise in all diesen Technologiegruppen wird seine Kunden bei diesen Entscheidungen beraten und unterstützen.