Mehr Power im System

Systemlösungen

Die enorme Leistungsfähigkeit moderner Werkzeugmaschinen erfordert optimierte Lösungen für Spindeln, Rundtisch, Linearachsen und Condition Monitoring. Komponentenlieferanten wie Schaeffler werden deshalb immer mehr zu Systempartnern der Maschinenbauer.

28. Mai 2014

Der wichtigste Fortschritt im Werkzeugmaschinenbau ist die permanent zunehmende Leistungsdichte, die sich in den vergangenen 30 Jahren insgesamt mehr als vervierfacht hat. Die Bearbeitungs-geschwindigkeiten sind im gleichen Zeitraum sogar um das Zehnfache gestiegen.

Die Regel sind heute deshalb enorme Bearbeitungskräfte, große Werkstückmassen und Zerspanungsvolumina ebenso wie hohe radiale, axiale und Kippmomentbelastungen sowie höchste Beschleunigungen und Geschwindigkeiten. Der Trend geht daher klar zur Integration von Antriebs-, Mess- und Dämpfungssystemen, um Schnittstellen zu reduzieren und die Systemkosten zu senken

Partner statt Lieferant

Parallel zu dieser Entwicklung im Maschinenbau ändern sich auch die Aufgaben der Zulieferer, weiß Martin Schreiber, Leiter des Geschäftsbereichs Produktionsmaschinen beim Wälzlagerspezialisten Schaeffler in Herzogenaurach, und erläutert: »Aus reinen Komponentenherstellern sind Systempartner geworden, die sich ein Höchstmaß an Systemverständnis und Entwicklungs-Know-how angeeignet haben und in enger Partnerschaft mit Maschinenherstellern und Endkunden individuelle Anforderungen umsetzen.

« Es gelte also, aus einem möglichst umfassenden Baukasten an Komponenten diejenige Lösung zu entwickeln, die den technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen am besten gerecht wird; Ziel müsse es sein, für die individuelle Anwendung das optimal passende Lager anzubieten: »Nur so können die Leistungsdaten sicher und wirtschaftlich erreicht werden«, erklärt Schreiber.

Einen interessanten Überblick gewährt hier die »Gläserne Werkzeugmaschine«, in der die fränkischen Wälzlagerspezialisten ihre Lösungen für Vorschub- und Hauptspindel, Rundtisch, Linearachsen und das Condition Monitoring zusammengestellt haben, und die auf einen Blick verdeutlicht, wo Kräfte übertragen werden und Leistung in Präzision und Produktivität umgesetzt wird.

Mit dem Demonstrationsobjekt unterstreiche das Unternehmen seine Strategie, durch möglichst große Kundennähe und hohes Systemverständnis Produkte und Lösungen zu erarbeiten, die die Anforderungen seiner Kunden in technischer wie in wirtschaftlicher Hinsicht optimal erfüllen, sagt Schreiber. Im Vordergrund stehe dabei stets die Optimierung des Gesamtsystems.

»Die Voraussetzung, um perfekt abgestimmte Einzelkomponenten und Module zu entwickeln, ist unser Know-how auf Systemebene«, so Schreiber weiter. Neben Lagerungen und Führungen schließt das die gesamte Direktantriebstechnik ebenso ein wie die Integration von Zusatzfunktionen in die rotativen und linearen Lagersysteme wie Dämpfung oder Messsysteme.

Messsystem im Rundtisch

Zum Beispiel erweitern die fränkischen Antriebsspezialisten ihr Angebot an Präzisionsrundachsenlagern mit integriertem Winkelmesssystem jetzt um die neuen Baureihen YRTMA und YRTSMA mit Absolutwert-Winkelmesssystemen. Mechanisch entsprechen die neuen Baureihen den bewährten Serien YRT bzw. YRTS, die speziell für reibungsreduzierte und/oder schnell drehende Rundachsen mit Drehzahlen zwischen 560 und 1.160 min-1 geeignet ist.

Die Integration der Funktion Winkelmessung in die Lagerung ermöglicht Konstruktionen mit freier Rundachsmitte, etwa zur platzsparenden Unterbringung von Drehdurchführungen. Zudem gewährleistet die Positionsmessung unmittelbar an der Lagerstelle hohe System-Messgenauigkeiten von nur wenigen Winkelsekunden. Durch das induktive Messverfahren ist das System außerdem dauerhaft unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Schmierstoffablagerung.

Für die kompatible Datenübertragung zu den verbreitetsten Maschinensteuerungen und Antriebsreglern wird das Messsystem mit den entsprechenden elektrischen Schnittstellen angeboten. Die gesamte Messelektronik ist dabei im Messkopf untergebracht, der in zwei unterschiedlichen Gehäuseformen angeboten wird: Zum einen als radial an das Lager anschraubbarer Messkopf mit automatischer Messspalteinstellung, zum anderen als axial an das Lager anschraubbarer Messkopf für geringsten Bauraumbedarf, beispielsweise für Rundachsen in Gabelfräsköpfen.

Leistung durch Direktantrieb

Herausragende Leistungsmerkmale für Dreh- und Fräsbearbeitungen bietet die Schaeffler-Gruppe mit den rotativen Hochleistungsdirektantrieben der Serie RKI der INA Drives & Mechatronics AG & Co. KG (IDAM) mit Sitz im thüringischen Suhl. Die Antriebe besitzen gegenüber herkömmlichen Torquemotoren ein um 30 Prozent höheres Moment; Drehzahl und mechanische Leistung sind um das Fünffache gesteigert.

Da zudem die Verlustleistung um bis zu 60 Prozent sinkt, produziert das System weniger Wärme, sodass die Betriebskosten für die Kühlung signifikant sinken. Zugleich können bei unveränderter Leistung kleinere Motoren eingesetzt werden, wodurch die Kosten für Umrichter und Motor reduziert werden.

Die optimale Lösung zur kompakten Lagerung von schnell drehenden Rundtischen bieten die Direktantriebe in Kombination mit den neuen zweireihigen Axial-Schrägkugellagern der Baureihe ZKLDF..B: Hier hat Schaeffler durch eine Optimierung der Innenkonstruktion die Reibung so weit reduziert, dass eine Verdopplung der Grenzdrehzahl erreicht wird, während die hohe Genauigkeit und Steifigkeit des Lagers ohne Abstriche erhalten bleiben.

Damit eröffnen sich in der Dreh- und Fräsbearbeitung neue Möglichkeiten, die mit Standardkomponenten bisher nicht erreichbar waren. Höchste Leistung bietet das Schaeffler-Portfolio auch für die Lagerung der Hauptspindel. Hier ermöglicht der Einsatz radial freigestellter schnell laufender FAG-Axiallager der BAX-Reihe in Kombination mit Zylinderrollenlagern jetzt Drehzahlkennwerte, die bisher nur mit Spindellagern erreichbar waren.

Gleichzeitig bietet diese Lagerkombination eine Trennung der axialen und radialen Belastung in der Lagerung. Da somit keine Kippmomente aufgenommen werden müssen, wird die Kinematik bei kombinierter Belastung nicht beeinträchtigt. »Dies macht die Lagerung besonders robust, und der Anwender profitiert von einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit infolge der hohen Steifigkeit und Belastbarkeit«, erläutert Schreiber.

Eine Kombination von hoher Belastbarkeit und hohen Leistungsreserven zur Drehzahlsteigerung bieten die FAG-Lagerbaureihen RS (»Robust und Schnell«) bei Spindellagern und TR (»Thermisch Robust«) bei Zylinderrollenlagern. Die reibungsoptimierte Innenkonstruktion bewährt sich vor allem, wenn die Spindel lange Zeit mit hoher Drehzahl läuft, da thermische Effekte einen geringeren Einfluss auf die Lagerperformance nehmen. Die Möglichkeit, die Lagerung auch bei hohen Drehzahlen mit Fett zu schmieren, erhöht außerdem die Betriebssicherheit und erspart die Kosten für Druckluft zur Versorgung der Lager mit Schmierstoff.

Lineare Systeme

Eine Neuheit im Bereich der Lineartechnik sind die induktiven analogen Messsysteme der Baureihe LMSA (Längen-Mess-System-Analog) zur integrierten Wegemessung in linearen Achsen, die eine Systemgenauigkeit von ±10 µm/m erreichen. Die robusten Systeme sind unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern und arbeiten hysteresefrei.

Die komplette Kugelumlaufeinheit der Serie KUVE..LMSA besteht aus einem Führungswagen mit adaptierbarem Gehäuse für den Messkopf sowie einer Führungsschiene zur Aufnahme der Inkremental-Maßverkörperung in Form eines Edelstahlbandes mit einer fotolithografisch geätzten hochgenauen Teilung.

Die Messung erfolgt nach dem induktiven Prinzip eines Transformators mit beweglichem Reluktanzkern. Dabei tastet der Sensorkopf mit einem hochfrequenten Wechselfeld die Maßverkörperung in der Schiene ab und erzeugt zwei um 90 Grad phasenverschobene sinusförmige Sensorsignale. Der Analogausgang mit 1Vss erleichtert die Kombination mit vorhandenen Steuerungen.

Die Signalperiode von 20 Mikrometer kann reproduzierbar bis zu Schritten von 0,1 Mikrometer interpoliert werden. Einsatz finden die Lineareinheiten bei Verfahrgeschwindigkeiten bis zu sechs Meter pro Sekunde zum Beispiel auf den Zuführachsen verketteter Werkzeugmaschinen, in Hauptachsen in der Holz- und Blechbearbeitung oder in Automatisierungslösungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit.

Alles integriert

Ergänzend dazu hat der Schaeffler-Geschäftsbereich Lineartechnik ein Portfolio von standardisierten, einbaufertigen Komplettlösungen aufgebaut. Diese bestehen in der Regel aus bewährten Schaeffler-Führungssystemen und entsprechenden Antriebssystemen kombiniert mit Motoren und Sensorik.

Darüber hinaus können aber auch Baugruppen und komplette Anlagenteile gefertigt werden, die spezifisch auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. Solche Systemlösungen sind zum Beispiel Mehrachsen-Systeme, die aus Standard-Aktoren konfektioniert werden, oder auch speziell auf die Anwendung maßgeschneiderte Mehrachssysteme.

Aufgrund der Flexibilität und Leistungsfähigkeit sowie der Vielzahl an Befestigungs- und Verbindungselementen werden Standard-Tandemmodule immer häufiger als Mehrachseneinheiten in Werkzeugwechselsystemen eingesetzt.

Auf Wunsch liefert Schaeffler zudem individuelle, anwendungsintegrierte Systemlösungen inklusive der Anbauelemente komplett aufgebaut und betriebsbereit. Das Leistungsspektrum reicht bei solchen Komplettlösungen von der Projektierung und Auslegung über die Vor- und Fertigmontage bis hin zu Inbetriebnahme und Service.

Mehr Leistung für Gewindetriebe

Auch bei Gewindetrieben erfordern die hochdynamischen Bewegungen moderner Werkzeugmaschinen mit höchsten Verfahrgeschwindigkeiten genaue, axial tragfähige, steife und reibungsarme Lagerungen. Hier bietet Schaeffler die montagefertigen, zweireihigen INA-Axial-Schrägkugellager der Baureihen ZKLN und ZKLF seit Anfang des Jahres in X-life-Qualität mit optimierten Kontaktflächen zwischen Wälzkörper und Laufbahn, die höhere Grenzdrehzahlen ermöglichen, wodurch Energieverbrauch und Betriebskosten sinken.

Auch den Anwendern von Werkzeugmaschinen leistet Schaeffler breite Unterstützung. So ermöglichen bewährte Condition-Monitoring-Systeme und Schmierlösungen einen zustandsorientierten Komponentenaustausch mit geplanten Stillstandzeiten, eine konstant hohe Bearbeitungsqualität und reduzierte Produktionsausfallkosten.

Je nach Anforderung und Überwachungsstrategie bietet das Unternehmen eine Auswahl an Lager-Diagnosesystemen, wie zum Beispiel den FAG Detector III für den mobilen Einsatz oder die Online-Schwingungsanalysatoren FAG DTECT X1s und FAG ProCheck.

Für den Einsatz in Werkzeugmaschinen bietet die Schaeffler-Gruppe daneben das innovative Online-System FAG SmartCheck, das umfassende Aussagen zum Zustand der Maschinenkomponenten unter Berücksichtigung von Zusatzparametern liefert und in drei Ausbaustufen erhältlich ist.

In der ersten Stufe überwacht das System einzelne Komponenten dezentral und ermittelt die Alarmschwellen basierend auf den Messdaten; eine SmartCheck App ermöglicht einen Datenzugriff über das Smartphone. In der zweiten Stufe wird das Gerät intelligent in die Maschinensteuerung integriert. In der dritten Stufe bietet das System zusätzliche Servicemöglichkeiten wie den Fernzugriff über eine Internetverbindung, aber auch die Beratung und andere Dienstleistungen.

Unterschiedliche Ein- und Ausgänge vereinfachen die Integration in die Steuerung, sodass zukünftig unter anderem Selbstdiagnosen durch die Maschine möglich sind.

Auf einen Blick

Für Hersteller von Werkzeugmaschinen bietet der internationale Technologiekonzern Schaeffler Technologies maßgeschneiderte Lösungen für Vorschub- und Hauptspindel, Rundtisch und Linearachsen sowie für das Condition Monitoring.

Die Integration zusätzlicher Funktionen in die Komponenten ermöglicht die Entwicklung von leistungsstarken und effizienten Maschinen, die sich durch Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie Dynamik und Genauigkeit auszeichnen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2014