Dynamikzyklus im Kalkül

Der Autor Dipl.-Ing.(FH) Jens Kurzidim ist Projektingenieur im Anwendungsmanagement bei der Deutsche Star GmbH, Schweinfurt

Bei den rot gekennzeichneten Einheiten handelt es sich um Elemente der Linearen Bewegungstechnik der Deutsche Star GmbH, Schweinfurt. Für die Realisierung hochpräziser Linearführungen sowohl in modernen Werkzeugmaschinen als auch in Handlingseinheiten bietet das Schweinfurter Unternehmen eine umfassende Produktpalette der Linearen Bewegungstechnik. Alle Produkte werden stets den wachsenden Anforderungen seitens des Marktes angepaßt und Eigenschaften wie Ablauf- und Positioniergenauigkeit, hohe Steifigkeit, hohe statische und dynamische Tragzahl und einfache Montage fortlaufend verbessert.

Zusätzlich zu all diesen Neuentwicklungen und individuellen Möglichkeiten müssen dem Maschinenkonstrukteur Werkzeuge und Hilfen angeboten werden, um eine Linearführung speziell für seinen Anwendungsfall auszuwählen und zu optimieren.

Aus diesem Grund hat die Deutsche Star eine Projektgruppe zusammengestellt, die aufgrund ihres Erfahrungspotentials aus allen Bereichen des Maschinenbaus und mit dem Einsatz spezieller Software den Konstrukteuren kompetente Hilfe bei der Auswahl des richtigen Führungssystems oder Kugelgewindetriebes anbietet. Ganz gleich um welche Art von Fertigungseinrichtung es sich handelt – hier werden die Linearführungen und -antriebe von Werkzeugmaschinen wie Dreh-, Schleif- und Fräszentren ebenso dimensioniert wie die von Handhabungseinheiten und Robotersystemen.

In der ersten Projektphase der Entwicklung einer Werkzeugmaschine arbeitet das Team eng mit den Maschinenkonstrukteuren zusammen, um alle Parameter wie Geometrie- und Dynamikdaten der Konstruktion zu erfassen und zu diskutieren. Dabei werden – wie auf der Eingabemaske als Beispiel abgebildet – Standardtypen basierend auf acht der gängigsten Werkzeugmaschinen verwendet („Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 1“, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. M. Weck). Diese Daten sollten möglichst vollständig sein, denn sie sind die Basis für eine nachfolgende Berechnung der Belastungen auf die jeweiligen Führungseinheiten. Die Festlegung der Daten für die Berechnung der Linearführungen ist für viele Maschinenhersteller nicht ganz einfach, sind doch die späteren Anwendungen beim Kunden ebenso vielfältig wie die Möglichkeiten der Maschinen selbst.

Ziel ist es, einen für den Maschinentyp zutreffenden Dynamikzyklus zu entwickeln, der alle für die Maschine möglichen Bewegungszustände erfaßt. Mit diesen exakten Angaben zum Kraftfluß innerhalb der Gesamtkonstruktion und zur Lage der Massenschwerpunkte wird nun in den einzelnen Zyklusabschnitten die Belastung auf jeden Führungswagen in Betrag und Richtung ermittelt. Die so errechnete Belastung wird mit den zulässigen Tragzahlen und Momenten des entsprechenden Führungssystems für jeden Bewegungszustand verglichen, um sicherzustellen, daß in keinem der Zyklusabschnitte ein Führungswagen des Systems unter einer kritischen Last betrieben wird. Über den gesamten Dynamikzyklus hinweg wird dann eine kombinierte Last ermittelt, die die Basis für die weitere Beurteilung hinsichtlich Lebensdauer in Stunden und Metern bildet. Diese kombinierte Belastung wird mit der dynamischen Tragzahl des Führungswagens ins Verhältnis gesetzt. Dieses Verhältnis wird als Beurteilungskriterium für die Funktion der Linearführung herangezogen. Es läßt Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten sowie Aussagen über Lebensdauer und Steifigkeit der Führung zu und sollte für die einzelnen Anwendungen bestimmte Werte nicht unterschreiten.

Die theoretische Belastung wird zwar unter optimalen Bedingungen und ideal steifer Maschinenkonstruktion ermittelt, es fließen jedoch zusätzlich alle Randbedingungen, die dem Konstrukteur bekannt sind und die den späteren realen Betrieb der Maschine widerspiegeln, in die Beurteilung dieses Verhältnisses mit ein. Linearführungen sind die Koppelstellen zwischen den bewegten Teilen jeder Maschine und liegen somit direkt im Kraftfluß. Gerade bei Werkzeugmaschinen hat eine elastische Verformung der Gesamtkonstruktion während des Bearbeitungsprozesses einen enormen Einfluß auf die Genauigkeit und die Qualität der bearbeiteten Werkstücke. Um die Verlagerung jedes beliebigen Raumpunktes , z. B. der Werkzeugschneiden, aufgrund der Einfederungen des Führungssystems unter Last zu berechnen, steht dem Projektteam der Deutsche Star GmbH ein weiteres Tool auf der Basis von Finite-Elemente-Methoden (FEM) zur Verfügung. Zu diesem Zweck werden Steifigkeits- und Winkelverformungsdiagramme aller verwendeten Führungselemente berücksichtigt und in die Berechnung der lokalen Einfederung jedes einzelnen Führungswagens, und zwar in jeder Richtung, mit einbezogen.

Die Ergebnisse der kompletten Berechnung werden dem Konstrukteur in Form einer Zusammenfassung zur Verfügung gestellt. Hieraus sind alle Berechnungsparameter wie Geometriedaten, d. h. Lage der Massen- und Kraftangriffspunkte, sowie Dynamikdaten, d.h. Beschleunigungen und Geschwindigkeiten, ersichtlich. Darüber hinaus werden für jeden Bewegungsabschnitt die Belastungen auf jeden einzelnen Führungswagen in Betrag und Richtung sowie die Verlagerung der Kraftangriffspunkte grafisch dargestellt.

Diese Projektierungsunterstützung wird inzwischen gern in Anspruch genommen und hat in vielen Fällen zu einer erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen Werkzeugmaschinenherstellern und dem Hersteller von Elementen der Linearen Bewegungstechnik geführt.

Computergestützte

Projektierung

KEM 445

Höhere Geschwindigkeiten und die damit verbundenen Prozeß- und Massenkräfte fordern den Einsatz extrem belastbarer Bauteile. Zusätzlich zu diesen technischen Anforderungen gewinnen auch wirtschaftliche Gesichtspunkte bei der Entwicklung von Maschinen und Anlagen immer mehr an Bedeutung.

Die Mannesmann Rexroth AG bietet innerhalb ihrer verschiedenen Geschäftsbereiche den Konstrukteuren innovative Komponenten für die Entwicklung zukunftsweisender Werkzeugmaschinen an, so z. B. Steuerungen und Servomotoren von Indramat, Hydraulikkomponenten von Rexroth Hydraulics, Pneumatikkomponenten von Rexroth Mecman sowie Linearführungen und Kugelgewindetriebe von Rexroth Star.

Im dargestellten Modell einer Werkzeugmaschine sind alle verfügbaren Komponenten von der Mannesmann Rexroth AG farblich gekennzeichnet.