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 einerseits optimal an die Bearbeitungsaufgabe anpassen. Andererseits verursachen die Getriebe unerwünschte Radialkräfte, Lärm und erhöhten Verschleiß.

Technisch ausgereift sind Hauptantriebe mit Bausatzmotoren und integrierter Spindel. Durch den Wegfall von Getriebe und Kupplung 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 zur Überwachung und Messdatenerfassung in die Spindel integriert werden. Eine Kühlung mit Öl, Luft oder Glykol ist weiterhin notwendig.

Vorschubantriebe

Bei den Vorschubantrieben stehen elektromechanische oder hydraulische Systeme zur Auswahl. Bei den elektromechanischen Vorschubantrieben dominiert derzeit weltweit der elektrische Servomotor mit Kugelgewindetrieb. 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, allerdings verschleißanfällig. Je nach Einbausituation und benötigten Drehmomenten wird der Servomotor entweder direkt oder beispielsweise über einen Zahnriemen mit der Spindel verbunden.

Antriebe sollten neben hoher Verschleißfestigkeit auch eine hohe Steifigkeit und Dynamik aufweisen. Diese Eigenschaftskombination ermöglicht eine höhere Präzision und einen dauerhaft störungsfreien Betrieb als vergleichbare Kugelgewindetriebe mit indirektem Wegmesssystem.

Ein limitierender Aspekt des Antriebs ist das Lastverhalten. 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 dann 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 Kugelgewindetrieb. Bei elektrischen Vorschubantrieben muss jeweils eine 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 Nebenantriebe. Im gesamten Spektrum der Nebenantriebsfunktionen in Werkzeugmaschinen gibt es weder einen klaren Trend noch heben sich bestimmte bewährte Einheiten hervor. Die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Nicht selten werden in einer Maschinengruppe mit geschlossenem Funktionsablauf verschiedene Antriebe kombiniert. Beispiele hierfür sind elektromechanische Antriebe für vertikal oder diagonal bewegte Schlitten in Kombination mit einem hydraulischen oder pneumatischen Gewichtsausgleich. 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 die Hydraulik 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 aufgrund 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 Zusatzantrieben dar und werden aufgrund ihrer guten Automatisierung in Maschinen mit bedienerloser 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 geeignet ist. Ein guter Automatisierungsanbieter, der über Expertise in allen Technologiegruppen verfügt, wird seine Kunden bei diesen Entscheidungen beraten und unterstützen.