„Anforderungen und Optimierungsmaßnahmen an den Vorschubübertragungsmechanismus von CNC-Werkzeugmaschinen“
In der modernen Fertigung sind CNC-Werkzeugmaschinen aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Präzision, hoher Effizienz und hohem Automatisierungsgrad zu wichtigen Bearbeitungsmaschinen geworden. Das Vorschubgetriebe von CNC-Werkzeugmaschinen arbeitet üblicherweise mit einem Servo-Vorschubsystem, das eine entscheidende Rolle spielt. Entsprechend den vom CNC-System übermittelten Befehlsnachrichten verstärkt und steuert es die Bewegung der Antriebskomponenten. Dabei muss nicht nur die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung präzise gesteuert werden, sondern auch die Bewegungsposition und Bewegungsbahn des Werkzeugs relativ zum Werkstück.
Ein typisches geregeltes Vorschubsystem einer CNC-Werkzeugmaschine besteht im Wesentlichen aus mehreren Komponenten wie Positionsvergleich, Verstärkungskomponenten, Antriebseinheiten, mechanischen Vorschubübertragungsmechanismen und Detektionsrückmeldeelementen. Der mechanische Vorschubübertragungsmechanismus umfasst die gesamte mechanische Übertragungskette, die die Drehbewegung des Servomotors in die lineare Vorschubbewegung von Arbeitstisch und Werkzeughalter umwandelt, einschließlich Untersetzungsgetriebe, Leitspindel-Mutter-Paare, Führungskomponenten und deren Trägerteile. Als wichtiges Bindeglied im Servosystem muss der Vorschubmechanismus von CNC-Werkzeugmaschinen nicht nur eine hohe Positioniergenauigkeit, sondern auch ein gutes dynamisches Ansprechverhalten aufweisen. Das System sollte schnell auf Spurführungssignale reagieren und eine hohe Stabilität gewährleisten.
Um die Übertragungsgenauigkeit, Systemstabilität und das dynamische Ansprechverhalten des Vorschubsystems vertikaler Bearbeitungszentren sicherzustellen, werden eine Reihe strenger Anforderungen an den Vorschubmechanismus gestellt:
I. Lückenfreiheitserfordernis
Ein Getriebespalt führt zu einem umgekehrten Totzonenfehler und beeinträchtigt die Verarbeitungsgenauigkeit. Um den Getriebespalt so weit wie möglich zu minimieren, können Methoden wie der Einsatz einer Verbindungswelle mit Spalteliminierung und Getriebepaare mit Spalteliminierungsmaßnahmen eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einem Gewindespindel-Mutter-Paar die Doppelmutter-Vorspannung verwendet werden, um den Spalt durch Anpassen der relativen Position zwischen den beiden Muttern zu eliminieren. Gleichzeitig können bei Teilen wie Zahnradgetrieben auch Methoden wie das Einstellen von Unterlegscheiben oder elastischen Elementen verwendet werden, um den Spalt zu eliminieren und so die Übertragungsgenauigkeit zu gewährleisten.
Ein Getriebespalt führt zu einem umgekehrten Totzonenfehler und beeinträchtigt die Verarbeitungsgenauigkeit. Um den Getriebespalt so weit wie möglich zu minimieren, können Methoden wie der Einsatz einer Verbindungswelle mit Spalteliminierung und Getriebepaare mit Spalteliminierungsmaßnahmen eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einem Gewindespindel-Mutter-Paar die Doppelmutter-Vorspannung verwendet werden, um den Spalt durch Anpassen der relativen Position zwischen den beiden Muttern zu eliminieren. Gleichzeitig können bei Teilen wie Zahnradgetrieben auch Methoden wie das Einstellen von Unterlegscheiben oder elastischen Elementen verwendet werden, um den Spalt zu eliminieren und so die Übertragungsgenauigkeit zu gewährleisten.
II. Anforderung an geringe Reibung
Durch die Verwendung einer reibungsarmen Übertragungsmethode können Energieverluste reduziert, die Übertragungseffizienz verbessert und die Reaktionsgeschwindigkeit und Genauigkeit des Systems verbessert werden. Gängige reibungsarme Übertragungsmethoden sind hydrostatische Führungen, Wälzführungen und Kugelumlaufspindeln.
Durch die Verwendung einer reibungsarmen Übertragungsmethode können Energieverluste reduziert, die Übertragungseffizienz verbessert und die Reaktionsgeschwindigkeit und Genauigkeit des Systems verbessert werden. Gängige reibungsarme Übertragungsmethoden sind hydrostatische Führungen, Wälzführungen und Kugelumlaufspindeln.
Hydrostatische Führungen bilden einen Druckölfilm zwischen den Führungsflächen und ermöglichen so berührungsloses Gleiten mit extrem geringer Reibung. Wälzführungen ersetzen das Gleiten durch das Rollen von Wälzkörpern auf den Führungsschienen und reduzieren so die Reibung deutlich. Kugelumlaufspindeln sind wichtige Komponenten, die Drehbewegungen in Linearbewegungen umwandeln. Die Kugeln rollen mit niedrigem Reibungskoeffizienten und hoher Übertragungseffizienz zwischen Leitspindel und Mutter. Diese reibungsarmen Übertragungskomponenten können den Widerstand des Vorschubmechanismus während der Bewegung effektiv reduzieren und die Leistung des Systems verbessern.
III. Anforderung an geringe Trägheit
Um die Auflösung der Werkzeugmaschine zu verbessern und den Arbeitstisch zur Erreichung der Befehlsverfolgung so weit wie möglich zu beschleunigen, sollte das vom System auf die Antriebswelle übertragene Trägheitsmoment möglichst gering sein. Diese Anforderung lässt sich durch die Wahl eines optimalen Übersetzungsverhältnisses erreichen. Durch eine sinnvolle Wahl des Übersetzungsverhältnisses lässt sich das Trägheitsmoment des Systems reduzieren und gleichzeitig die Anforderungen an Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung des Arbeitstisches erfüllen. Beispielsweise kann bei der Konstruktion eines Untersetzungsgetriebes je nach Bedarf ein geeignetes Übersetzungsverhältnis oder eine Riemenscheibenübersetzung gewählt werden, um die Ausgangsdrehzahl des Servomotors an die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches anzupassen und gleichzeitig das Trägheitsmoment zu reduzieren.
Um die Auflösung der Werkzeugmaschine zu verbessern und den Arbeitstisch zur Erreichung der Befehlsverfolgung so weit wie möglich zu beschleunigen, sollte das vom System auf die Antriebswelle übertragene Trägheitsmoment möglichst gering sein. Diese Anforderung lässt sich durch die Wahl eines optimalen Übersetzungsverhältnisses erreichen. Durch eine sinnvolle Wahl des Übersetzungsverhältnisses lässt sich das Trägheitsmoment des Systems reduzieren und gleichzeitig die Anforderungen an Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung des Arbeitstisches erfüllen. Beispielsweise kann bei der Konstruktion eines Untersetzungsgetriebes je nach Bedarf ein geeignetes Übersetzungsverhältnis oder eine Riemenscheibenübersetzung gewählt werden, um die Ausgangsdrehzahl des Servomotors an die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches anzupassen und gleichzeitig das Trägheitsmoment zu reduzieren.
Darüber hinaus kann ein Leichtbaukonzept umgesetzt und leichtere Materialien für die Herstellung von Getriebekomponenten ausgewählt werden. So kann beispielsweise die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminiumlegierungen für die Herstellung von Gewindespindeln und Muttern sowie Führungskomponenten die Gesamtträgheit des Systems verringern.
IV. Anforderung an hohe Steifigkeit
Ein hochsteifes Übertragungssystem gewährleistet die Beständigkeit gegen externe Störungen während des Verarbeitungsprozesses und sorgt für eine stabile Verarbeitungsgenauigkeit. Um die Steifigkeit des Übertragungssystems zu verbessern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
Verkürzung der Antriebskette: Durch die Reduzierung der Antriebsglieder kann die elastische Verformung des Systems verringert und die Steifigkeit verbessert werden. Beispielsweise spart die Methode des direkten Antriebs der Leitspindel durch den Motor die Zwischengetriebeglieder ein, reduziert Übertragungsfehler und elastische Verformungen und verbessert die Steifigkeit des Systems.
Verbessern Sie die Steifigkeit des Übertragungssystems durch Vorspannung: Bei Wälzführungen und Kugelumlaufspindeln kann eine Vorspannung zwischen den Wälzkörpern und den Führungsschienen bzw. Leitspindeln erzeugt werden, um die Steifigkeit des Systems zu verbessern. Die Leitspindelhalterung ist beidseitig fixiert und kann eine vorgespannte Struktur aufweisen. Durch Anlegen einer Vorspannung an die Leitspindel kann der Axialkraft im Betrieb entgegengewirkt und die Steifigkeit der Leitspindel verbessert werden.
Ein hochsteifes Übertragungssystem gewährleistet die Beständigkeit gegen externe Störungen während des Verarbeitungsprozesses und sorgt für eine stabile Verarbeitungsgenauigkeit. Um die Steifigkeit des Übertragungssystems zu verbessern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
Verkürzung der Antriebskette: Durch die Reduzierung der Antriebsglieder kann die elastische Verformung des Systems verringert und die Steifigkeit verbessert werden. Beispielsweise spart die Methode des direkten Antriebs der Leitspindel durch den Motor die Zwischengetriebeglieder ein, reduziert Übertragungsfehler und elastische Verformungen und verbessert die Steifigkeit des Systems.
Verbessern Sie die Steifigkeit des Übertragungssystems durch Vorspannung: Bei Wälzführungen und Kugelumlaufspindeln kann eine Vorspannung zwischen den Wälzkörpern und den Führungsschienen bzw. Leitspindeln erzeugt werden, um die Steifigkeit des Systems zu verbessern. Die Leitspindelhalterung ist beidseitig fixiert und kann eine vorgespannte Struktur aufweisen. Durch Anlegen einer Vorspannung an die Leitspindel kann der Axialkraft im Betrieb entgegengewirkt und die Steifigkeit der Leitspindel verbessert werden.
V. Anforderung einer hohen Resonanzfrequenz
Eine hohe Resonanzfrequenz bedeutet, dass das System bei externen Störungen schnell in einen stabilen Zustand zurückkehren kann und eine gute Vibrationsbeständigkeit aufweist. Um die Resonanzfrequenz des Systems zu verbessern, können folgende Aspekte berücksichtigt werden:
Optimieren Sie die Konstruktion von Getriebekomponenten: Gestalten Sie Form und Größe von Getriebekomponenten wie Leitspindeln und Führungsschienen sinnvoll, um deren Eigenfrequenzen zu verbessern. Beispielsweise kann die Verwendung einer hohlen Leitspindel das Gewicht reduzieren und die Eigenfrequenz verbessern.
Wählen Sie geeignete Materialien: Wählen Sie Materialien mit hohem Elastizitätsmodul und geringer Dichte, wie z. B. Titanlegierungen usw., die die Steifigkeit und Eigenfrequenz von Getriebekomponenten verbessern können.
Erhöhte Dämpfung: Eine entsprechende Erhöhung der Dämpfung im System kann Schwingungsenergie verbrauchen, die Resonanzspitze reduzieren und die Stabilität des Systems verbessern. Die Dämpfung des Systems kann durch den Einsatz von Dämpfungsmaterialien und den Einbau von Dämpfern erhöht werden.
Eine hohe Resonanzfrequenz bedeutet, dass das System bei externen Störungen schnell in einen stabilen Zustand zurückkehren kann und eine gute Vibrationsbeständigkeit aufweist. Um die Resonanzfrequenz des Systems zu verbessern, können folgende Aspekte berücksichtigt werden:
Optimieren Sie die Konstruktion von Getriebekomponenten: Gestalten Sie Form und Größe von Getriebekomponenten wie Leitspindeln und Führungsschienen sinnvoll, um deren Eigenfrequenzen zu verbessern. Beispielsweise kann die Verwendung einer hohlen Leitspindel das Gewicht reduzieren und die Eigenfrequenz verbessern.
Wählen Sie geeignete Materialien: Wählen Sie Materialien mit hohem Elastizitätsmodul und geringer Dichte, wie z. B. Titanlegierungen usw., die die Steifigkeit und Eigenfrequenz von Getriebekomponenten verbessern können.
Erhöhte Dämpfung: Eine entsprechende Erhöhung der Dämpfung im System kann Schwingungsenergie verbrauchen, die Resonanzspitze reduzieren und die Stabilität des Systems verbessern. Die Dämpfung des Systems kann durch den Einsatz von Dämpfungsmaterialien und den Einbau von Dämpfern erhöht werden.
VI. Anforderung an ein angemessenes Dämpfungsverhältnis
Ein geeignetes Dämpfungsverhältnis kann dazu führen, dass sich das System nach einer Störung schnell stabilisiert, ohne dass die Schwingung übermäßig gedämpft wird. Um ein geeignetes Dämpfungsverhältnis zu erreichen, kann die Steuerung des Dämpfungsverhältnisses durch Anpassen von Systemparametern wie den Parametern des Dämpfers und dem Reibungskoeffizienten der Getriebekomponenten erreicht werden.
Ein geeignetes Dämpfungsverhältnis kann dazu führen, dass sich das System nach einer Störung schnell stabilisiert, ohne dass die Schwingung übermäßig gedämpft wird. Um ein geeignetes Dämpfungsverhältnis zu erreichen, kann die Steuerung des Dämpfungsverhältnisses durch Anpassen von Systemparametern wie den Parametern des Dämpfers und dem Reibungskoeffizienten der Getriebekomponenten erreicht werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zur Erfüllung der strengen Anforderungen an CNC-Werkzeugmaschinen hinsichtlich der Vorschubübertragungsmechanismen eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen erforderlich sind. Diese Maßnahmen können nicht nur die Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz von Werkzeugmaschinen verbessern, sondern auch deren Stabilität und Zuverlässigkeit erhöhen und so die Entwicklung moderner Fertigungsverfahren nachhaltig unterstützen.
In der Praxis ist es zudem notwendig, verschiedene Faktoren entsprechend den spezifischen Bearbeitungsanforderungen und Werkzeugmaschineneigenschaften umfassend zu berücksichtigen und den am besten geeigneten Vorschubmechanismus sowie die passenden Optimierungsmaßnahmen auszuwählen. Gleichzeitig entstehen mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technik ständig neue Materialien, Technologien und Designkonzepte, was viel Raum für die weitere Leistungssteigerung der Vorschubmechanismen von CNC-Werkzeugmaschinen bietet. Zukünftig wird sich der Vorschubmechanismus von CNC-Werkzeugmaschinen in Richtung höherer Präzision, höherer Geschwindigkeit und höherer Zuverlässigkeit weiterentwickeln.