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Frequenzumrichter Leistungsfähige Antriebstechnik für schnelles Bohren

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Uwe Goldhorn und Ellen-Christine Reiff, M.A. / Lilli Bähr

Die Bohrgeschwindigkeit bei Holzbearbeitungsmaschinen entscheidet maßgeblich über die Durchlaufzeiten. Neue High-Speed-Drilling-Units sollen die Holzbearbeitung nun effizienter machen.

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In nur 17 Sekunden schafft es die High-Speed-Drilling-Unit, 100 Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm und 6 mm Tiefe mit höchster Präzision in eine für den Küchenmöbelbau typische, beschichtete Verbundholzplatte zu bohren.
In nur 17 Sekunden schafft es die High-Speed-Drilling-Unit, 100 Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm und 6 mm Tiefe mit höchster Präzision in eine für den Küchenmöbelbau typische, beschichtete Verbundholzplatte zu bohren.
(Bild: Tool Drives)

Holzbearbeitungsmaschinen zur Herstellung von Küchen, Fenstern, Möbeln oder Akustikplatten, haben eines gemeinsam: Es werden sehr viele exakte Bohrungen benötigt und die Bohrgeschwindigkeit entscheidet maßgeblich über die Durchlaufzeiten. Die meisten Bearbeitungsprozesse haben hier durchaus noch Luft nach oben. Mit neuen High-Speed-Drilling-Units soll sich dieses Potential jetzt ausschöpfen lassen. Leistungsfähige Antriebstechnik für High Power-CNC-Anwendungen trägt dazu bei.

Seminartipp

Die Grundkenntnisse, wie sich Servoantriebe optimal parametrieren lassen und wie die Steuerungs- und Regelfunktionen bei Motion Controllern beherrscht werden, lernen Teilnehmer im Grundlagenseminar Servoantriebe.

Was Hochgeschwindigkeitsbohren mittlerweile leisten kann, hat der Antriebsspezialist Tool Drives im Frühsommer 2019 auf der Fachmesse LIGNA in Hannover gezeigt: In nur 17 Sekunden schafft es die High-Speed-Drilling-Unit, 100 Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm und 6 mm Tiefe mit höchster Präzision in eine für den Küchenmöbelbau typische, beschichtete Verbundholzplatte zu bohren.

Hohe Kräfte bei feinfühliger Regelung

Der Bohrer dreht sich dabei mit bis zu 18.000 min-1. Er muss seine Kraft an die unterschiedlichen Schichten der Platte anpassen, damit die Schnittkanten und die Innenflächen der Löcher glatt und sauber sind. Es kommt also nicht nur auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit, sondern auch auf die Qualität der Bohrungen an.

Volker Meier, Geschäftsführer bei Tool Drives: „Mit Yaskawa haben wir einen Automatisierungsspezialisten im Boot, der in der Holzbearbeitungsbranche viel Erfahrung hat.“
Volker Meier, Geschäftsführer bei Tool Drives: „Mit Yaskawa haben wir einen Automatisierungsspezialisten im Boot, der in der Holzbearbeitungsbranche viel Erfahrung hat.“
(Bild: Tool Drives)

Volker Meier, Geschäftsführer bei Tool Drives, erzählt: „Wir haben deshalb den Bohrprozess genau untersucht, eine spezielle Vorschubspindel entwickelt und entsprechend leistungsfähige Motoren und Motionsteuerungen eingesetzt, um hohe Kräfte bei gleichzeitig feinfühliger Regelung zu erreichen.“

Die Auswahl geeigneter Antriebskomponenten war deshalb keineswegs trivial. So muss der Frequenzumrichter für den leistungsstarken Bohrantrieb eine Ausgangsfrequenz von 1000 Hz liefern können, wobei gleichzeitig eine feinfühlige Regelung des Bohr-Antriebs, einem PM-Motor, notwendig ist.

Den passenden Frequenzumrichter finden

Den passenden Frequenzumrichter, der die Konstrukteure des Hochgeschwindigkeits-Bohrsystems überzeugte, fanden sie im Produktprogramm von Yaskawa. Der A1000 liefert die notwendige Ausgangsfrequenz von 1000 Hz, arbeitet mit einer Leistung von 1,5 kW mit Open-Loop-Vectorsteuerung und kann kurzzeitig bis zu 150 % Nennleistung liefern.

Der Frequenzumrichter A1000 liefert die notwendige Ausgangsfrequenz von 1000 Hz und arbeitet mit einer Leistung von 1,5 kW mit Open-Loop-Vectorsteuerung.
Der Frequenzumrichter A1000 liefert die notwendige Ausgangsfrequenz von 1000 Hz und arbeitet mit einer Leistung von 1,5 kW mit Open-Loop-Vectorsteuerung.
(Bild: Yaskawa)

Für die Wahl sprachen aber nicht nur technische Gründe, wie Meier berichtet: „Mit Yaskawa haben wir einen Automatisierungsspezialisten im Boot, der international sehr gut aufgestellt ist, weltweiten Support garantieren kann und obendrein auch in der Holzbearbeitungsbranche viel Erfahrung hat.“

Leistungsfähige Antriebskomponenten aus einer Hand

Beim Messemodell stammen nicht nur der Umrichter, sondern auch die Grundachsen und die Steuerung von den Automatisierungsspezialisten. Die All-in-one-Maschinensteuerung der MP-Serie vereint auf einer Plattform alle für die Maschinenprozesse notwendigen Funktionen wie Motion- und PLC-Funktionalität, Ein- und Ausgänge sowie sequentielle Logik und Prozessalgorithmen. Die Controller-Integration soll die Systemkosten senken, die Leistung erhöhen, den erforderlichen Platz im Schaltschrank verringern und die Programmierung vereinheitlichen.

Die skalierbare Hardware für Motion-Anwendungen eignet sich für komplexe Anwendungen mit bis zu 64 Achsen. Bei der beschriebenen Applikation wurden die Sollwerte für Bohrlöcher mit dem bewährten G-Code realisiert. Die Software Motion-Works-IEC und die Yaskawa-Toolbox sollen die Programmierung der Maschinensteuerung erleichtern. Sie vereinen die fünf Programmiermöglichkeiten Kontaktplan (KOP), Funktionsbausteinsprache (FUP), strukturierter Text, Anweisungsliste (AWL) und Ablaufsprache in einem Entwicklerpaket und bieten eine Bibliothek mit stetig wachsender Anzahl verschiedener Funktionsblöcke für Motion Control. Die Steuerungen verfügen zudem über einen integrierten Webserver und sind mit den internationalen Netzwerkprotokollen wie Profibus oder Ethernet kompatibel.

Die kompakte Hochleistungs-Bohreinheit eignet sich nicht nur für den Einbau in neue Bearbeitungsmaschinen, sondern lässt sich auch in bestehenden Anlagen nachrüsten.
Die kompakte Hochleistungs-Bohreinheit eignet sich nicht nur für den Einbau in neue Bearbeitungsmaschinen, sondern lässt sich auch in bestehenden Anlagen nachrüsten.
(Bild: Tool Drives)

Hochgeschwindigkeits-Bohreinheit als Kompaktlösung

Die Zusammenarbeit zwischen den Experten für schnelles Bohren und den Automatisierungsspezialisten geht weiter. Tool Drives bietet die Technik mittlerweile als kompakte Hochleistungs-Bohreinheit an, die sich nicht nur für den Einbau in neue Bearbeitungsmaschinen eignet, sondern auch in bestehenden Anlagen nachrüsten lassen soll.

Der Bohrantrieb bei dieser High-Speed-Drilling-Unit ist in x-, y- und z-Richtung verschiebbar. Diese Aufgabe übernehmen je nach Aufbau Sigma-7-Servomotoren oder Linearmotoren mit den passenden Verstärkern. Die Servoantriebe eignen sich für anspruchsvolle Positionieraufgaben und können Vibrationen im Betrieb automatisch unterdrücken. Zudem sind sie für lange Lebensdauer ausgelegt und arbeiten laut Unternehmen bei Umgebungstemperaturen zwischen 0 °C und 55 °C ohne zusätzliche Kühlung.

Vorschub- und Drehzahl des Bohrerantriebs werden ebenfalls über Verstärker der gleichen Serie geregelt. „Hier nutzen wir ein Sigma-7-Doppelachsmodul“, ergänzt Meier. Mit der Steuerung von zwei Motoren über nur einen Verstärker lassen sich Energieeinsparungen realisieren und der Platzbedarf sinkt.

Die kompakten AC-Servosysteme der Sigma-7 Serie von Yaskawa bewähren sich in vielen Anwendungsbereichen, nicht nur in Anlagen zur Holzverarbeitung, sondern z.B. auch in Verpackungsmaschinen, Anlagen zur Halbleiterfertigung oder in Digitaldruckmaschinen.
Die kompakten AC-Servosysteme der Sigma-7 Serie von Yaskawa bewähren sich in vielen Anwendungsbereichen, nicht nur in Anlagen zur Holzverarbeitung, sondern z.B. auch in Verpackungsmaschinen, Anlagen zur Halbleiterfertigung oder in Digitaldruckmaschinen.
(Bild: Yaskawa)

Typische Einsatzbereiche für die schnelle Bohreinheit, die sich laut Unternehmen in praktisch jede Automatisierungsumgebung integrieren lässt, sieht Meier viele: „Holz- und Fensterbau können davon ebenso profitieren wie die Möbelindustrie. Die Hochleistungsantriebe lassen sich bei Bedarf z.B. auch zum Fräsen nutzen, was weitere Einsatzbereiche erschließen wird.“

Kürzere Produktionszyklen und hoher Durchsatz bei großer Präzision seien schließlich in vielen Branchen der Holzbearbeitung erwünscht. Die aufeinander abgestimmten Antriebskomponenten der Bohreinheiten sollen dazu einen Beitrag leisten.

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* Dipl.-Ing. Uwe Goldhorn, Key Account Manager Drives Motion Controls Division bei der Yaskawa Europe GmbH, und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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