Individueller Betrieb

Antriebstechnik

Frequenzumrichter – Für einen Hersteller von Motorspindeln hat Sieb & Meyer einen High-Speed-Frequenzumrichter konzipiert, der den sensorlosen Antrieb von Niedervolt-Bearbeitungsspindeln mit Asynchron- und Synchronmotoren ermöglicht.

10. November 2015

Die entscheidende Komponente von Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe ist die Werkzeugspindel, die häufig von spezialisierten Herstellern entwickelt wird. Ein Hersteller ist die 1947 gegründete Meyrat SA mit Hauptsitz im schweizerischen Biel. Das Unternehmen entwickelt und produziert Spindeln für kleine bis mittelgroße Werkzeugmaschinen für Anwendungen wie zum Beispiel Abrichten, Abwälzfräsen, Bohren, Drehen, Erodieren, Fräsen und Gravieren, Langdrehen, Schleifen oder auch Schneiden.

Zu den Kunden des Unternehmens zählen die Elektroindustrie, Fahrzeug- und Flugzeughersteller, Medizintechnikunternehmen, Uhrenproduzenten sowie Werkzeughersteller. Weltweit wurden bis heute mehr als 100.000 Spindeln von Meyrat verbaut.

Das Standardsortiment des Unternehmens umfasst neben den konventionellen Riemenspindeln auch universell einsetzbare motorbetriebene Hochdrehmoment- und Hochfrequenzspindeln mit Drehzahlen bis zu 150.000 Umdrehungen pro Minute und genauem Rundlauf.

Der richtige Umrichter

Entscheidend für die Funktion der Bearbeitungsspindeln sind High-Speed-Frequenzumrichter für den sensorlosen Antrieb mit Asynchron- und Synchronmotoren. Für die Hochfrequenzspindeln mit 22 oder 25 Millimeter Durchmesser verwendete das Unternehmen dazu bisher einen Frequenzumrichter Schweizer Herkunft. Dieser geriet jedoch recht schnell an seine Leistungsgrenzen, als Meyrat die neue Hochgeschwindigkeitsspindel MHF-30 mit Durchmesser 30 Millimeter entwickeln wollte.

Für das neue Produkt musste deshalb ein anderer Frequenzumrichter gesucht werden, berichtet Entwicklungsleiter Daniel Gigandet und erinnert sich: »Zu diesem Zeitpunkt setzten wir auf einer unserer Prüfbänke für Hochfrequenzspindeln bereits seit einigen Jahren einen Frequenzumrichter von Sieb & Meyer ein und hatten damit sehr gute Erfahrungen gemacht.«

Das Unternehmen mit Sitz in Lüneburg ist spezialisiert auf maßgefertigte Systeme im Bereich der Hochgeschwindigkeitsfrequenzumrichter und Einspeisesysteme sowie intelligenter Antriebsverstärker auf Basis etablierter Standardkomponenten, von der gemeinsamen Planung bis hin zur Serienproduktion des spezifischen Antriebssystems in Stückzahlen von zehn bis 20.000 Stück. Die Bandbreite der Leistungen reicht dabei von einfachen Soft- und Hardwareanpassungen wie speziellen Gehäuseformen oder Schnittstellen bis hin zu komplett neu definierten Geräten und Funktionen.

Die Schweizer beauftragten deshalb die niedersächsischen Antriebsspezialisten, gemäß einem Pflichtenheft einen maßgefertigten Frequenzumrichter zu entwickeln und bauen. Die Anforderungen waren vielfältig: So sollte der neue Frequenzumrichter die Niedervolt-Bearbeitungsspindeln mit Asynchron- und Synchronmotoren flexibel antreiben, die maximale Betriebsspannung beträgt bis 3 x 80 Volt AC. Dabei sollte er jedoch im Vergleich zur bestehenden Lösung nicht nur eine höhere Ausgangsleistung bieten, sondern sich auch leichter bedienen lassen. Das Bauvolumen durfte sich dabei allerdings nicht vergrößern.

Weil Meyrat weltweit alle Märkte bedient, musste der Frequenzumrichter zudem für die unterschiedlichsten Netzspannungen und -frequenzen sowie für vielfältige Einsatzumgebungen ausgelegt sein. Zudem musste sich der Umrichter sensorlos betreiben lassen, da die geringe Baugröße der Spindeln die Integration eines Drehzahlsensors nicht zuließ.

Individuelle Lösung

Die Lüneburger Antriebsspezialisten entwickelten darauf einen kundenspezifischen Frequenzumrichter auf Basis ihrer etablierten Hard- und Software zur Regelungstechnik. Zudem wurde ein bestehendes Aufsteck-Bedienteil in das Gerät integriert und um die kundenseitigen Zusatzanforderungen erweitert. Um den weltweiten Einsatz zu ermöglichen, realisierte Sieb & Meyer zugleich einen Weitbereichsspannungseingang zwischen 115 und 230 Volt AC mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur (PFC).

Ein DC/DC-Wandler mit Hochfrequenztaktung begrenzt die maximale Ausgangsspannung. Im Vergleich zur bis dahin eingesetzten Antriebslösung konnten die Niedersachsen die Ausgangsleistung von 160 auf 420 Voltampere erhöhen – bei unverändertem Bauvolumen.

Die Anforderungen des Schweizer Spindelherstellers wurden so auf ganzer Linie erfüllt. Dazu kommen weitere Vorteile, wie zum Beispiel die einfache und schnelle Parametrierung. Der Leistungsstecker verfügt dazu über eine Spindelcodierung, mit deren Hilfe der Frequenzumrichter sämtliche Spindeln von Meyrat automatisch den richtigen Parametern zuordnen kann.

»Zudem hat sich die sensorlose Regelung bei unseren synchronen Motoren als sehr leistungsfähig erwiesen«, betont Gigandet. Lobende Worte finden die Schweizer auch für die integrierte Lastanzeige, die das Stromniveau anzeigt – so kann der Anwender die Bearbeitungsprozesse optimieren.

Nicht zuletzt ist der Frequenzumrichter kompatibel mit allen älteren Generationen, sodass Meyrat seinen Kunden bei Bedarf einen Austausch der Geräte anbieten kann. Für den Entwicklungsleiter steht deshalb fest, dass der Spindelhersteller die Zusammenarbeit mit Sieb & Meyer fortführen und vertiefen wird. Derzeit besteht Interesse an einer kundenspezifischen Lösung für Spindeln mit einer Leistung bis drei Kilowatt.

»Die Vorschläge von Sieb & Meyer sind technisch innovativ und haben uns bereits mehrere Male geholfen, geeignete Lösungen für die unterschiedlichsten Anwendungen und Anforderungen zu finden«, bestätigt Daniel Gigandet. mk

Erschienen in Ausgabe: 08/2015