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Torquemotor Direktantriebe für Präzisionsbearbeitung optimiert

Autor / Redakteur: Dipl. Wirtsch. Ing. (FH) Marko Pfeiffer / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Verkippung und Lastpulsation können für Probleme bei der Ultrapräzisionsverarbeitung sorgen. Um dies zu verhindern, hat die Schaeffler-Tochter IDAM den Magnetfluss in ihren neuen SRV-Torquemotoren optimiert.

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IDAM optimierte den Kraftfluss im Torquemotor so weit, dass keine magnetischen Störkräfte auf den Rundtisch wirken und die Lastpulsation deutlich reduziert wird.
IDAM optimierte den Kraftfluss im Torquemotor so weit, dass keine magnetischen Störkräfte auf den Rundtisch wirken und die Lastpulsation deutlich reduziert wird.
(Bild: Schaeffler)

Erst bei der Präzisionsbearbeitung mit sehr kleinen Oberflächenrauheiten treten Effekte zu Tage, die beim Schruppen oder Schlichten durch die raueren Oberflächen schlicht „verschluckt“ werden. So können beispielsweise beim Schleifen von Stirnflächen auf direktangetriebenen Rundtischen sogenannte Schleifsterne entstehen. Diese Welligkeiten liegen im Bereich von wenigen Zehntel Mikrometern bis etwa drei Mikrometern.

Im Formenbau und in der Optik bei der Linsenbearbeitung sind derartige optische Oberflächenfehler generell unerwünscht. Auch beim Schleifen, Honen, Läppen und Superfinishen von Verzahnungen können kurzwellige Oberflächen-Formfehler auftreten, die im späteren Betrieb des Getriebes zu unangenehmem Dröhnen führen. Dann nämlich regt der periodische Formfehler eines Zahnrades das Getriebe zu hör- und fühlbaren Resonanzen an, die sich auf die ganze Maschine und den Maschinenprozess negativ auswirken.

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Das große Problem dabei: Die Formfehler an den fertig bearbeiteten Zahnrädern sind so minimal, dass sie im Rahmen der Qualitätssicherung meist nicht auf Anhieb entdeckt werden, sondern sich oft erst während des Betriebs des Getriebes durch akustische Effekte bemerkbar machen. Leider gestaltet sich in der Praxis die Suche nach der genauen Fehlerursache extrem schwierig, da die am Getriebe gemessene Frequenz mit keiner der Harmonischen, die von den Getrieberädern erzeugt wird, übereinstimmt, und so in der Regel auch keinem Bauteil zugeordnet werden kann.

Ursache für kurzwellige Formfehler

Die genannten Formfehler im Sub-Mikrometer-Bereich treten dann auf, wenn das Werkstück auf einem drehenden direktangetriebenen Rundtisch sehr fein und präzise bearbeitet wird. Zwei Effekte im Antriebsmotor sind dafür verantwortlich: die Lastpulsation und eine minimale Verkippung des Rundtisches. Die unterschiedliche Polzahl von Stator und Rotor bedingt nämlich, dass sich die magnetischen Radialkräfte der einander gegenüberliegenden Pole nicht völlig aufheben. Das hat zur Folge, dass eine – wenn auch geringe – resultierende radiale Kraft auf den Rotor wirkt. Da der Rotor axial unter dem Rund- tischlager angeordnet ist, erzeugt diese Radialkraft ein Moment, das den Rundtisch minimal verkippt. Während des Bearbeitungsprozesses, bei dem das Werkstück auf dem Rundtisch am Werkzeug vorbeigeführt wird, entstehen dadurch kurzwellige Formfehler, deren Fehlerperiode meist auf die Polzahl des Torquemotors zurückzuführen ist.

Neuartige doppelte Motorstruktur

Diese beiden Probleme bei der Bearbeitung von feinsten Oberflächen – die Lastpulsation und die Verkippung – lösten die Antriebsspezialisten der Schaeffler-Tochter IDAM (INA - Drives & Mechatronics) direkt an der Ursache. Sie optimierten den Magnetfluss in den neuen SRV-Torquemotoren mit einer neuartigen „doppelten, symmetrisch aufgebauten Motorstruktur“ derart, dass sich die jeweils gegenüberliegenden Radialkräfte praktisch aufheben und der resultierende Kraftvektor aller Radialkräfte nahe Null liegt. Gleichzeitig minimierten sie die Lastpulsation und damit den Gleichlauf des Motors. Die SRV-Motoren stellen somit den Benchmark im Bereich Direktantriebe für die Ultrapräzisionsbearbeitung dar.

Theoretisch gäbe es auch die Möglichkeit, den Motoraufbau unverändert zu belassen, diese Effekte in Kauf zu nehmen und sie erst während des Bearbeitungsprozesses über die Steuerung auszuregeln. Hierfür reagiert der Regelkreis jedoch viel zu träge. Daher lösten die IDAM-Ingenieure das Problem konstruktiv und ursächlich am Motor. Aus einem anderen Grund reduzierten sie bei dieser Motorenbaureihe die für die Sprungantwort verantwortliche elektrische Zeitkonstante. Sie beträgt bei den SRV-Motoren mit weniger als 0,1 ms nur noch einen Bruchteil der Zeitkonstanten marktüblicher Torquemotoren.

Veränderungen und Unregelmäßigkeiten erkennen

Da nun aus dem SRV-Rundtischantrieb keine Störkräfte mehr in den Bearbeitungsprozess induziert werden, spiegeln die Stromsignale aus der Steuerung den Bearbeitungsprozess sehr gut wider. Sollten also Veränderungen und Unregelmäßigkeiten im Prozess auftreten, z.B. Störkräfte, Unwuchten o.ä., „sieht“ man dies unmittelbar in der Steuerung, weil sich keine weiteren Signale aus dem Torquemotor überlagern.

Eine weitere positive Folge der extrem kleinen Zeitkonstanten besteht darin, dass die über den kaskadierten Regler (Strom-, Geschwindigkeit- und Lage-Regelkreis) realisierte Auslenkung der Rundtischachse aufgrund von Störkräften bzw. Störmomenten deutlich geringer ausfällt. Die Achse gibt weniger nach, die Störantwort ist signifikant kleiner.

Mit den SRV-Motoren bietet IDAM Werkzeugmaschinenherstellern also die Chance, über die Steuerung adaptiv in den Bearbeitungsprozess eingreifen zu können.

Die Antriebe werden als Einbaumotoren, bestehend aus Stator und Rotor geliefert. Sie sind mit marktüblichen Torquemotoren austauschbar und mit den Luftspaltdurchmessern 89, 120, 168, 230, 298, usw. geplant. Der Serienstart erfolgte für den Luftspaltdurchmesser von 89 mm. Mit den kleinen Baugrößen sind Drehzahlen von bis zu 14.000 min-1 realisierbar.

Aus dem Baukasten

Kunden können bei der Achslagerung mit SRV-Motoren auf das gesamte Angebot der INA-Rundachslager-Baureihen zurückgreifen. Auch das lagerintegrierte induktive Winkelmesssystem aus der YRT(S)MA-Baureihe ist für die meisten anderen Lagerbaureihen lieferbar. In Kombination mit der neuen X-life-Lagerbaureihe YRTC ermöglichen die SRV-Torquemotoren in Rundtischen für Werkzeugmaschinen ideale Oberflächenqualitäten und geringe Formtoleranzen. Kunden realisieren mit diesen beiden Komponenten – ob als Einbaumotor oder als „Einbau-Kit“ – aus dem Baukasten extrem leistungsfähige Rundtische für die Ultrapräzisionsbearbeitung. (sh)

* Dipl. Wirtsch. Ing. (FH) Marko Pfeiffer ist im Vertrieb Motoren TK bei INA – Drives & Mechatronics AG & Co. KG in Suhl tätig.

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