Hauptantriebe

Hauptantriebe sind überwiegend geregelte, elektrische Synchron- und Asynchronmotoren. Sie werden unter anderem als Bausatz- oder Gehäusemotoren in Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen sowie in Bearbeitungszentren eingesetzt. Auch die traditionellen Spindelantriebe mit Gehäusemotoren – meist luftgekühlt – sind als Hauptantriebe weit verbreitet. Im Vergleich zu Motorspindeln sind sie kostengünstiger, wenn man die Nebenkosten beider Systeme berücksichtigt. Einerseits ermöglicht der Einsatz von Getrieben die Anpassung von Drehzahl und Drehmoment an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe. Andererseits verursachen die Getriebe unerwünschte Radialkräfte, Geräusche und erhöhten Verschleiß.

Diese Hauptantriebe mit Bausatzmotoren und integrierter Spindel sind technisch hochentwickelt. Da Getriebe und Kupplungen entfallen, ermöglichen diese Antriebe eine zentrische Drehbewegung ohne Scherkräfte. Sie zeichnen sich durch ihren dauerhaft ruhigen Lauf und minimalen Verschleiß aus und werden häufig für die Hochleistungsbearbeitung eingesetzt. Die Entwicklung von Antrieben mit höheren Drehmomenten ist derzeit noch recht kostspielig, 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, um Messdaten zu erfassen. Die Kühlung mit Öl, Luft oder Glykol ist weiterhin erforderlich.

Futterantriebe

Bei Vorschubantrieben besteht die Wahl zwischen elektromechanischen und hydraulischen Systemen. Bei den elektromechanischen Vorschubantrieben dominiert derzeit weltweit der elektrische Servomotor mit Kugelgewindetrieb. Er wandelt die Drehbewegung in eine lineare Bewegung um. Hierbei werden gekapselte Synchronmotoren bevorzugt, da sie – im Vergleich zum Hauptantrieb – höhere Anforderungen an Positionierung, synchronen Betrieb und Dynamik erfüllen müssen.

Aufgrund seiner hohen statischen Steifigkeit eignet sich dieses traditionelle Antriebssystem für eine Vielzahl von Anwendungen, ist jedoch verschleißanfällig. Je nach Einbaubedingungen und erforderlichen Drehmomenten wird der Servomotor entweder direkt oder beispielsweise über einen Synchronriemen mit der Spindel verbunden.

Antriebe sollten verschleißfest, hochsteif und dynamisch sein. Diese Kombination von Eigenschaften ermöglicht eine höhere Präzision und einen langfristig störungsfreien Betrieb als mit einer vergleichbaren Kugelgewindetrieb-Baugruppe mit indirektem Positionsmesssystem.

Die Belastungsart des Antriebs ist ein Aspekt, der seinen Einsatz einschränkt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass bei der Bearbeitung mit hohen Kräften Kugelgewindetriebe und hydraulische Antriebslösungen überflüssig werden können. Auch unterstützende Maschinenelemente wie die Späneabdeckung mit ihrer maximal zulässigen Gleitgeschwindigkeit und die Schlittenführung mit ihrem Dämpfungsverhalten können die Anwendung begrenzen. Die Vorteile von Linearmotorantrieben werden durch die damit verbundenen Investitionskosten relativiert, die einen weltweiten Durchbruch dieser Antriebstechnologie bisher verhindert haben.

Hydraulische Vorschubantriebe sind gefragt, wenn ihre Vorteile deutlich spürbar sind, beispielsweise in beengten Räumen oder bei Anwendungen, die hohe Dynamik und große Vorschubkräfte erfordern. Selbstverständlich muss der hydraulische Vorschubantrieb mikrometergenau positionieren. Praxiserfahrungen zeigen, dass der hydraulische Linearantrieb spielfrei arbeitet, langlebig ist und in der Regel robuster als ein vergleichbarer Antrieb mit Kugelgewindetrieb ist. Bei elektrischen Vorschubantrieben muss jede spezifische Leistung (Drehmoment und Drehzahl) separat eingestellt werden. Eine hydraulische Achse hingegen kann die benötigte Energie bedarfsgerecht aus einem Hydraulikspeicher beziehen und so die installierte Eingangsleistung um bis zu 80 % reduzieren.

Hilfsantriebe

Eine Vielzahl von Antrieben erfüllt die Anforderungen an Hilfsantriebe. Im gesamten Spektrum der Hilfsantriebsfunktionen in Werkzeugmaschinen lässt sich weder ein eindeutiger Trend erkennen, noch stechen bestimmte bewährte Geräte besonders hervor. Die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Maschinengruppe mit geschlossenem Funktionsablauf verschiedene Antriebe kombiniert. Beispiele hierfür finden sich in Anwendungen, bei denen elektromechanische Antriebe für vertikal oder diagonal bewegte Schlitten in Kombination mit hydraulischer oder pneumatischer Gewichtskompensation eingesetzt werden. Hierbei kann die Gewichtskompensation im weitesten Sinne als passiver Hilfsantrieb verstanden werden, dessen Aufgabe darin besteht, die Gewichtskraft der bewegten Masse auszugleichen. Die Gewichtskompensation kann auf verschiedene Weise erfolgen, wobei das hydraulische System mit einem Hydraulikspeicher weit verbreitet ist. Bei geringen Gewichtskräften kann eine pneumatische Gasfeder diese Funktion übernehmen. Die Vorteile dieser Lösungen liegen in ihrem anpassungsfähigen dynamischen Verhalten sowie ihrer günstigen Energiebilanz.

Pneumatische Antriebe eignen sich dank ihres geringen Gewichts, der einfachen Steuerung und der schnellen Bewegungsabläufe ideal für Handhabungsgeräte. Diese Eigenschaften treffen auf Vorschub- und Ladeeinheiten für kleinere Massen zu, die in den Werkstückfluss des Produktionsprozesses integriert sind. Die Werkzeug- und Werkstückspannung an Werkzeugmaschinen ist entscheidend, da sie die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beeinflusst. Hydraulische Spannvorrichtungen stellen eine spezielle Art von Hilfsantrieb dar und werden in Maschinen mit unbeaufsichtigter Werkstückbe- und -entladung eingesetzt, da sie sich leicht automatisieren lassen. 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 Entwicklungsteam muss unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen entscheiden, welches Antriebskonzept für die jeweilige Aufgabe am besten geeignet ist. Ein kompetenter Automatisierungsanbieter mit Erfahrung in all diesen Technologiegruppen berät seine Kunden umfassend bei diesen Entscheidungen.