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| Seit der zweiten Hälfte der 80er Jahre konnten nach
und nach hochschnelle und hochpräzise Maschinen hergestellt werden. In
den ersten 10 Jahren dieser Phase konnten große Erfolge erzielt werden,
wobei das Hauptaugenmerk auf die Themen Vorschub, Vergrößerung des Hauptachsenmotors,
Erhöhung der Rotationsfrequenz, Technologie zur Ableitung der entstehenden
Wärme, Abstimmung auf die Geschwindigkeitssteigerung der NC-Maschinen
usw. gelegt wurde. Es hat jedoch den Anschein, als ob in den vergangenen
5 Jahren die technologische Forschung zur Realisierung von Hochschnelligkeit
und Hochpräzision
ihre Orientierung verloren hätte. Im Ergebnis ist man einerseits selbst
bei Steigerung der Geschwindigkeit mit der Verringerung der Bearbeitungszeit
nicht weit vorangekommen und andererseits musste
man in Zusammenhang mit der Forderung nach Präzision und Qualität in der
Oberflächenbearbeitung wiederum bei der Geschwindigkeit einen Kompromiss
schließen.
Der Antrieb im Schwerpunkt ist eine Technologie, die aus Überlegungen zur Dynamik der Bewegung der Maschine entstanden ist. Dass es besser ist, den Schwerpunkt hinunterzudrücken, war jedem Werkzeugmaschinenbauer bekannt. Aber darüber, inwiefern dieser Aspekt von Bedeutung, oder warum er wichtig ist, wurde bisher nicht ausreichend diskutiert. Für Mori Seiki stellt der Antrieb im Schwerpunkt eine Technologie dar, die hinsichtlich Bearbeitungszeit, Bearbeitungspräzision, Bearbeitungsqualität, Werkzeuglebensdauer wesentliche Verbesserungen ermöglicht. Das betrifft nicht nur das Bearbeitungszentrum alleine, sondern stellt eine Theorie dar, die für alle Werzeugmaschinen Gültigkeit besitzt, bei sich denen Werkzeug und Werkstück im Verhältnis zueinander bewegen. Die Maschinen von Mori Seiki, die mit einem Antrieb im Schwerpunkt ausgestattet wurden, können die angewiesenen Bewegungen exakt und ohne Nutzensverlust ausführen.
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| [Das Prinzip des " Antriebs im Schwerpunkt "] |
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| Wird auf die Kante eines Teils ein Druck ausgeübt, geht das Gleichgewicht verloren und es entstehen Schwingungen. | Erfolgt der Druck im Schwerpunkt, bewegt sich das Teil geradlinig ohne irgendwelche Schwingungen. | Maschinen halten Objekte oberhalb des Schwerpunkts, so dass es unmöglich ist, Sie im Schwerpunkt zu belasten. | Wird jedoch auf die gegenüberliegenden Kanten auf den Seiten des Schwerpunkts gedrückt, bewegt sich das Objekt geradlinig. |
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Der Antrieb im Schwerpunkt ist eine Technologie, die die Bearbeitungszeit verkürzt, den Präzisionsgrad der Kontur steigert und die Qualität der Oberflächenbearbeitung erhöht. Es ist allgemein bekannt, dass, wenn beim Drehen von Werkstücken sich diese nicht um den Schwerpunkt bewegen, die Bewegung dieser Objekte unsicher ist. " Also in das Zentrum rücken " ... lautet die einfache Theorie für den Antrieb im Schwerpunkt. (Abbildung 1) Bei Werkzeugmaschinen werden zur Bewegung von Werkzeugen und Werkstücken Kugelumlaufspindeln und Linearmotoren eingesetzt. Wenn diese in Ihren Schwerpunkt gerückt werden, besteht kein Problem. Dies jedoch ist normalerweise nicht möglich. Warum? Versuchen wir uns zum Beispiel einmal eine Achse vorzustellen, die die Hauptachse in einem stehenden Bearbeitungszentrum hinauf- und hin-abbewegt. Der Schwerpunkt der Hauptachse liegt in der Mitte der Hauptachse selbst. Dort kann keine Kugelumlaufspindel positioniert werden. Ferner liegt bei einer Achse, die den Tisch eines horizontalen Bearbeitungszentrums nach vorne und hinten bewegt, der Schwerpunkt im Fall, dass ein schweres Werkstück aufgelegt wurde, etwas über der Oberfläche des Tisches. D.h., es befindet sich im Inneren des Werkstückes. Natürlich kann an dieser Stelle keine Bohrung vorgenommen werden, um die Kugelumlaufspindel dort zu positionieren. Was kann in diesem Fall gemacht werden? Die Ingenieure von Mori Seiki haben sich überlegt, ob es nicht vorteilhaft wäre, den Schwerpunkt zwischen zwei Antriebspunkten zu legen. Es genügt, wenn die Mitte der Linie, die das Zentrum der beiden Kugelumlaufspindeln verbindet, mit dem Schwerpunkt des bewegten Gegenstandes übereinstimmt. (Abbildung 2)
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Was ist eigentlich der konkrete Vorteil bei einem Antrieb im Schwerpunkt? Der Vorteil besteht kurz gesagt in der Schwingungsreduktion. Das Diagramm (Abbildung 3) zeigt einen Vergleich von einer Maschine mit Antrieb im Schwerpunkt und einer Maschine ohne solchen Antrieb.  zeigt die Stärke der mit der Bewegung einhergehenden Schwingung im Fall einer NV4000 DCG ohne Antrieb im Schwerpunkt. zeigt den Fall der Maschine mit Antrieb im Schwerpunkt. Die Resultate sind deutlich erkennbar.
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Auf dem Diagramm (Abbildung 4) ist der Zustand der Schwingung im Verlauf der Zeit zu sehen. Im Gegensatz zu Maschinen mit Antrieb im Schwerpunkt, bei denen die Schwingung rasch nachlässt, halten die Schwingungen bei Maschinen, die nicht über einen solchen Antrieb verfügen, noch lange an. Am schwingenden Ende der Maschine, an der sich ein Werkzeug und ein Werkstück befinden, wird die Bearbeitung durchgeführt. Es ist klar, dass sich dabei die Qualität der Bearbeitungsoberfläche verschlechtert. Darüber hinaus wird die Spitze leicht abgenutzt, wenn das Werkzeug das Werkstück während der Schwingung einschneidet. Die Schwingung ist auch ein großer Feind für die Lebensdauer des Werkzeugs. Darüber hinaus gibt es noch ein anderes ernstes Problem. Wenn Schwingung entsteht, erkennt die NC-Maschine diese als Bewegungen, die sich außerhalb der angewiesenen Bewegungen befinden, und bewegt den Vorschubmotor, um sie zu korrigieren. Dies verstärkt in vielen Fällen die Schwingung erneut. Ingenieure kennen dieses Problem sehr gut. Wenn dies auftritt, nehmen sie für die Bewegung der NC-Maschine eine stumpfe Einstellung vor. D.h., auch wenn es zu gewissen Bewegungsabweichungen kommt, wird eine feine Einstellung vermieden. Als Ergebnis davon geht jedoch der Präzisionsgrad der Bewegung verloren, so dass beim Versuch, den Präzisionsgrad zu wahren, im Endeffekt die Geschwindigkeit zurückgeht. D.h., die Schwingung der Maschine ist ein Erzfeind sowohl für den Präzisionsgrad als auch für die Bearbeitungszeit.
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Wenn die Eigenschaften der Dynamik der Werkzeugmaschine besprochen werden, heißt es, dass der Einsatz von Linearmotoren wirksam ist. Das hat demzufolge seinen Grund darin, dass die Kugelumlaufspindel als Drehfeder funktioniert. Verhält sich es tatsächlich so? Was ist wichtiger, der Linearmotor oder der Antrieb im Schwerpunkt? Das Diagramm (Abbildung 5) zeigt das vorhergehende Diagramm (Abbildung 3) mit Hinzufügung von Linearmotorbeispielen.  ein nicht
im Schwerpunkt liegender Antrieb und ein Linearmotor  ein Antrieb
im Schwerpunkt und ein Linerarmotor. Beim Vergleich der Wirksamkeit mit
diesem Antrieb im Schwerpunkt zeigt der Linearmotor nur geringen Effekt.
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Der Antrieb im Schwerpunkt gilt als wirksam für die Steigerung der Qualität der Bearbeitungsoberfläche. Sehen wir uns das einmal etwas genauer an. Bei Stahlformen etc. ist es notwendig, auch gekrümmte Oberflächen zu bearbeiten. Man kann auf der gekrümmten Oberfläche die miteinander verbundenen feinen Wendelinien sehen. Mit jedem einzelnen Wendelinienwinkel ändert sich ein wenig die Richtung der Bewegung. Um bei diesem Richtungswechsel die Geschwindigkeit nicht herabfallen zu lassen, ist auch im Falle eines geringfügigen Richtungswechsels eine starke Beschleunigung erforderlich. Bei allen Stellen, an denen die Beschleunigung beginnt, tritt eine Rotationsschwingung auf, die in einem bestimmten Verhältnis zur Entfernung zwischen Antriebspunkt und Schwerpunkt steht. D.h., der taschenseitig herab bewegte Bearbeitungspunkt erreicht die Grundfläche und die Rotationsschwingung tritt im Fall einer raschen Änderung der Bewegungsrichtung etc. deutlich hervor. Im Schriftzug siehe Abbildung ist die bisherige Technologie gezeigt. Auf den Schnittspuren unmittelbar nach Richtungsänderung des Bearbeitungspunktes auf der Schnittfläche sind Unregelmäßigkeiten ersichtlich. Der Antrieb im Schwerpunkt ist eine Technologie, die die Ursachen der Verschlechterung in der Qualität der Bearbeitungsoberfläche im Wesentlichen beseitigt. Als ein weiteres Beispiel in Zusammenhang mit einer plötzlichen Richtungsänderung gibt es durch den Rückschlag beim Rundschneiden. D.h., das ist ein Problem des Einschneidens in einer Position von 0 °, 90 °, 180 ° oder 270 °. Wenn man die Bohrbearbeitung mit einer Profilierungsbearbeitung durch Fingerfräsung mit einfacher Durchmesserkorrektur zu ersetzen versucht, ist der genaue Rundheitsgrad wichtig. Auch hier besteht das Problem der mit der Änderung der Bewegungsrichtung einhergehenden Schwingung. Der Antrieb im Schwerpunkt erweist sich in diesem Fall als eine Technologie, die den genauen Rundheitsgrad des Rundschnitts verbessert. (Abbildung 6)
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Der Antrieb im Schwerpunkt trägt wesentlich zur Verkürzung der Bearbeitungszeit bei. Maschinen mit Antrieb im Schwerpunkt können bei Beginn der Beschleunigung, da bei ihnen nur geringe Schwingung entsteht, von Anfang an mit maximaler Kraft beschleunigen. Bei Maschinen, bei denen der Antrieb nicht im Schwerpunkt liegt, tritt zu Beginn der Beschleunigung Schwingung auf, so dass eine entsprechende Bearbeitung nur einhergehend mit einer allmählichen Steigerung der Beschleunigung erreicht werden kann. Das Diagramm (Abbildung 7) zeigt oben einen nicht im Schwerpunkt liegenden Antrieb, unten den Antrieb im Schwerpunkt. Daraus wird die Differenz der Zeit vom Beginn der Beschleunigung (Gelben Kurve) bis zur maximalen Beschleunigung und damit der große Zeitunterschied bis zur Erreichung der vollen Geschwindigkeit ersichtlich.
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Ist der Antrieb im Schwerpunkt immer und auf jeder Achse notwendig? Das Ziel des Antriebs im Schwerpunkt besteht in der Reduktion der bei Beginn der Achsenbewegung auftretenden Schwingung. Die Ursache für das Entstehen der Schwingung besteht in der Entfernung zwischen dem Ort des Auflegens des Werkstückes und dem Ort des Schwerpunkts. Ist der Antrieb im Schwerpunkt nicht notwendig, wenn die Entfernung klein ist? An dieser Stelle soll der " Nutzungsgrad " (gain) erläutert werden. " Nutzungsgrad " (gain) ist ein Parameter, der die Genauigkeit der Arbeit einer Maschine steuert. Wenn dieser " Nutzungsgrad " groß ist, versucht die Maschine, entsprechend der Anweisung genau zu arbeiten, aber je nach Maschine ist die Möglichkeit, der Anweisung getreu zu arbeiten, u.U. nicht gegeben. Es kommt auch vor, dass die Arbeit sehr unregelmäßig ausfällt. Die Planer der Maschinen wissen, dass die Maschinen, bei denen der " Nutzungsgrad " hoch einstellbar ist, gute Maschinen sind, und jene, bei denen das nicht möglich ist, schlechte Maschinen sind, und arbeiten daher an Methoden, diesen " Nutzungsgrad " zu steigern. Die Größe des " Nutzungsgrads " ist auch innerhalb einer Maschine je nach Bewegungsachse unterschiedlich. Auch bei hoher Einstellung des " Nutzungsgrads " gibt es Achsen, die dem entsprechen können, und solche, die dies nicht können. Der Auffassung der Ingenieure von Mori Seiki zufolge liegt dies an der Größe der Entfernung zwischen Schwerpunkt und Antriebspunkt. Bei Achsen, bei denen die Entfernung gering ist und der " Nutzungsgrad " grundsätzlich hoch einstellbar ist, besteht wohl kaum die Notwendigkeit, eine Kugelumlaufspindel hinzuzufügen, um das Achsenzentrum anzutreiben.
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