Im Feld der Werkzeugmaschinen finden hydraulische Antriebe dort Verwendung, wo sie mit Ihren folgenden Eigenschaften vorteilhaft sind:

- Hohe Lebensdauer des Aktors
- Hohe Kraft- bzw. Leistungsdichte am Aktor
- Inhärente Überlastfestigkeit
- Hohe Prozesskräfte, vorzugsweise in linearen Bewegungen
- Hohe Dynamik bei gleichzeitiger hoher Genauigkeit

Dieser Beitrag betrachtet die heutige Stellung und den Ausblick für die hydraulischen Antriebe im Bereich der Stanz- und Umformmaschinen, im Wettbewerb zu elektromechanischen Antriebstechnik.
Jährlich werden weltweit mehrere tausend Stanz-Nibbelmaschinen hergestellt. Die gemeinsamen Merkmale dieser Maschinen werden zusammegefasst:

- Bearbeitung ebener Blechtafeln
- Blechdicken typisch bis 8 mm
- Werkzeugwechselsystem für flexible Bearbeitung
- Stanzen: für Löcher/Ausbrüche mit werkzeuggebundenen Geometrien
- Umformen: Herstellung von Sicken, Abkantungen, Gewinden, etc.

Die Blechtafel (Werkstück) wird auf einem X/Y-Koordinatentisch unter dem ortsfesten Werkzeug positioniert. Das Werkzeug wird durch den Stanzantrieb in der Z-Achse gegen das Werkstück geführt.

Besonders die gleichzeitige Darstellung der Prozesse Stanzen und Umformen ist problematisch. Beim Stanzen sind Kräfte von 200..300 kN bei höchster mechanischer Belastung erforderlich, während für die Genauigkeit einige 0,1 mm genügen. Dagegen sind die Kräfte beim Umformen meist geringer, allerdings bei Genauigkeiten von wenigen 0,01 mm.

Die ersten CNC gesteuerten Stanzmaschinen hatten weggebundene Z-Antriebe in Form von Exzenterantrieben. Gesteuert über eine Kupplungs-Brems-Kombination (KBK) wird die Energie eines Schwungrades auf den Exzenter übertragen. Oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT) des Arbeitshubes sind durch die Mechanik unveränderlich vorgegeben. Solche Maschinen werden, vor allem in Asien (China), heute noch hergestellt.

Die Forderung nach Programmierbarkeit für den Hubverlauf führte in den frühen 1980er Jahren zur Einführung der hydraulischen Stanzantriebe. Diese Antriebe definieren heute das technisch Machbare für Produktivität, Präzision und Zuverlässigkeit. Spezielle Hydraulikschaltungen ermöglichen einen energieeffizienten Betrieb:

- Speicherladung zur Eliminierung von Druckregelverlusten
- Betrieb mit mehreren Druckkreisen zur bedarfsgerechten Bereitstellung von Maximalkraft

Ende der 1990er Jahre erschienen erste Stanzmaschinen mit elektromechanischen Antrieben. Hier betätigt ein rotativer Servomotor ein Getriebe zur Umsetzung der drehenden Bewegung auf die lineare Betätigung des Werkzeuges in Z-Richtung. Für dieses Getriebe gibt es verschiedene maschinenbauliche Ansätze:

- Gewindetrieb mit direkter Werkzeugbetätigung
- Gewindetrieb mit Werkzeugbetätigung über Kulisse mit Rollenbetätigung (Prinzip „Schiefe Ebene“)
- Gewindetrieb mit Werkzeugbetätigung über Hebel oder Kniehebel
- Kurbelwelle mit Exzenterantrieb

Die Verwendung der elektromechanischen Antriebe ist hauptsächlich durch folgende Punkte motiviert:

- Vermeidung von hydraulischen Systemen („trockene“ Maschine)
- Steigerung der Energieeffizienz

Dieser Beitrag vergleicht den polulären servoelektrischen Ansatz der Kurbelwelle mit Exzenterantrieb mit eablierten hydraulischen Lösungen.

Der servoelektrische Antrieb wird mittels Simulation untersucht. Die Simulation bildet folgende Komponenten ab:

- Netzeinspeisung
- Zwischenkreis
- Servoumrichter
- Servomotor
- Kurbelwelle
- Exzenterantrieb

Die Simulationsergebnisse werden durch Messungen an einem Versuchsaufbau validiert.
Der hydraulische Antrieb wird durch Messungen an einem realen Antrieb mit Speicherladung und zwei Druckstufen untersucht.

Schließlich werden folgende Eigenschaften vergleichend dargestellt:

- Produktivität (Geschwindigkeit des Z-Antriebs)
- Genauigkeit
- Energieeffizienz
- Flexibilität und Einsatzspektrum
- Skalierbarkeit
- Netzbelastung
- Zielerreichung für „Ölfreie Maschine“

Fluidtechnische Systeme in Werkzeugmaschinen erfüllen neben der Werkzeug- und Werkstückspannung heute vor allem die Funktion der Temperierung. Sie ermöglichen die Kühlung und Vorwärmung sowohl einzelner Komponenten als auch gesamter Baugruppen, beispielsweise von Gestellbauteilen und –strukturen, Antriebsmotoren, Arbeitsspindeln und Werkzeugen. Folglich bilden Fluidsysteme ein wichtiges Stellelement zur Steuerung und Beherrschung des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Speziell unter dem Fokus der Genauigkeit in Verbindung mit einer energieeffizienten Fertigung sind fluidtechnische Systeme als integraler Bestandteil von Werkzeugmaschinen von Beginn an in die Untersuchungen zur Gestaltung dieser einzubeziehen. Die zunehmende Leistungsfähigkeit und Komplexität der fluidtechnischen Systeme bedingt grundsätzlich einen erhöhten Hilfsenergiebedarf, welcher sowohl aus betriebswirtschaftlicher als auch aus ökonomischer Sicht kritisch zu hinterfragen ist. Hieraus ergibt sich ein Optimierungsproblem, das angesichts der komplexen Systemstrukturen und fehlenden Grundsatzuntersuchungen sowie Auslegungskriterien heute nicht zufriedenstellend gelöst ist. Diesem Anliegen widmet sich das Institut für Fluidtechnik (IFD) innerhalb des SFB Transregio96 zur „Thermo-energetischen Gestaltung von Werkzeugmaschinen“. Unter ganzheitlicher Betrachtungsweise werden Modellierungsgrundlagen und Berechnungsmethoden für eine wissenschaftlich begründete Auslegung speziell mit dem Schwerpunkt eines optimalen thermischen Verhaltens bei minimalem Hilfsenergieeinsatz erarbeitet.
Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der experimentellen Analyse eines Fräsbearbeitungszentrums vorgestellt. Die hierbei untersuchten fluidtechnischen Systeme lassen sich anhand ihrer Funktion in folgende Teilsysteme gliedern: Hydraulik-, Getriebeschmierung-, Kühlschmierstoff- und Kühlsystem. An diesen Teilsystemen werden für unterschiedliche Betriebszustände der Maschine Analysen durchgeführt. Ausgehend von der Gesamtmaschinenanalyse und der Identifikation fluidischer Subsysteme können fluidtechnische Hauptkomponenten und deren Modellierungsanforderungen festgelegt werden. Die Arbeitsspindel stellt eine wichtige Hauptkomponente der Werkzeugmaschine dar. Hier auftretende Wärmeverluste können die Lagersteifigkeit verringern und thermische Verformungen hervorrufen, die eine Verlagerung des Tool Center Points (TCP) bedingen und somit die Fertigungsqualität negativ beeinflussen. Zur Charakterisierung des thermischen Verhaltens der Motorspindel wurde ein Versuchsstand entwickelt, der für verschiedene konstruktive Ausführungen der Statorkühlhülse eine gezielte Analyse der Temperaturverteilung erlaubt. Im Beitrag werden die experimentellen Analysen, sowie darauf basierende Simulationsmodelle vorgestellt.

Assistenzsystem zur Unterstützung der Inbetriebnahme hydraulischer Positionierantriebe


Wenn in der Hydraulik über Intelligenz gesprochen wird, so ist meist damit gemeint, dass eine Elektronik oder Sensoren vorhanden sind. Oder dass eine Funktion steuerbar / regelbar wurde.
Wir denken aber, dass eine intelligente Hydraulik etwas mehr können sollte.
Intelligenz fängt für uns da an, wo der Anwender von komplexen Aufgaben entlastet werden kann.
Das heißt, die Inbetriebnahme und Auslegung einer geregelten Achse ist sicherlich keine triviale Aufgabe. Mit unserem Assistenten zur Analyse und Parametrierung der hydraulischen Achse gehen wir den Schritt, dem Inbetriebnehmer ein Werkzeug zur Hand zu geben, mit dem die wichtigsten Kenndaten ermittelt werden und eine robuste Parametrierung ermöglicht wird.
Wir kennen alle Assistenzsysteme aus modernen Autos, die dem Fahrer helfen, kritische Situationen leichter zu beherrschen.
Was ist nun eine kritische Situation in der Hydraulik? Natürlich die Inbetriebnahme (insbesondere, wenn Achsen nicht vorab berechnet oder simuliert wurden). Mögliche Fehler vom falsch montierten Rückschlagventil, über Verrohrungs- bzw. Verkabelungsfehler und Fehlauslegung (nicht geeignete Komponenten für die Anwendung) bis hin zu den fehlenden Informationen über das dynamische Systemverhalten erlauben oft nur eine experimentelle Vorgehensweise. Dies ist dann sehr zeitintensiv.
Experimentieren kann eine Elektronik aber schneller und immer nach einem logischen Konzept. Das Softwaremodul, das hier vorgestellt werden soll, analysiert das Systemverhalten und trifft die entsprechenden Entscheidungen, die dann zu einem zuverlässigen Systemverhalten führen. Es geht dabei weniger um die mathematische Analyse des Systems (diese ist nur bei der Einstellung der Regelparameter notwendig) sondern vielmehr um die logischen Schritte bei der Inbetriebnahme und der Bewertung, wenn es zu einem unerwarteten Verhalten kommt.
Um das Ganze in einem akzeptablen Kostenrahmen zu realisieren, werden keine weiteren Sensoren benötigt, es werden nur die Informationen des Positionssensors ausgewertet. Im Optimierungsprozess werden die Polarität, die Geschwindigkeiten und die Kennliniencharakteristik, die Nullpunktdrift, die eventuelle positive Überdeckung und die Systemdynamik ermittelt. Ausgehend von diesen Daten werden die Systemparameter für die Regelung eingestellt.
Gleichzeitig soll dieser Assistent dem Nutzer die ermittelten Informationen zur Verfügung stellen. Bei einem funktionierenden System ist dies auch problemlos machbar, aber wenn der Assistent den Optimierungsprozess abbrechen muss, so ist eine möglichst genaue Analyse des Abbruchgrundes zur Fehlerbehebung notwendig.
Bei der Realisierung des Inbetriebnahme Assistenten hat sich dann herausgestellt, dass nicht die Qualität der dynamische Optimierung eine Maß für die Intelligenz ist, sondern es sind die eher profanen Punkte, die der Mensch mit einem Blick erfasst. So kann der Assistent nicht sehen, ob die Achse an einem Anschlag steht, ob ein falsches Ventil verwendet wird oder die Achse am Anschlag bei falscher Polarität und ungeeignetem Ventil steht.
Mit diesem Vortag wollen wir die Entwicklung zu diesem Assistenten vorstellen und praktische Ergebnisse präsentieren.

This paper focuses on the design and robust nonlinear controller synthesis based on the backstepping approach for force/position real-time control of a 50-kN hydraulic press. The main feature of the test system is its open hardware structure and easy programmability using different control devices and appropriate control strategies. A nonlinear dynamic model of the hydraulic system interacting with environment has been developed. The press contains a servo-solenoid pressure-control valve for regulating the pressure in the cylinder chamber. The press is equipped with a pressure transducer installed in the cylinder chamber for indirectly measuring the pressing force as well as with a load cell inserted between the piston rod and environment for directly measuring the applied force. This fact allows a more accurate procedure of the cylinder friction force parameterization. On the press is also possible to measure the position of the upper plate by using a micro-pulse linear transducer, which creates a precondition for the realization of a hybrid force/position-control algorithm. The article also discusses the case related to the velocity control of the hydraulic press up to the moment of contact with the work piece, and upon sensing a nonzero force value the algorithm switches to control the force of hydraulic actuator. The control algorithms and monitoring process are implemented on a real-time hardware board. The control programs are tested experimentally to verify their practical use and effectiveness. The experimental results are compared to those obtained with a classical linear controller to prove that the proposed approach can achieve better performance of the control system in terms of robustness and accuracy. Based on the experimental results it can be concluded that electrically actuated control components supported by appropriate control algorithms enable the realization of improved characteristics of hydraulic systems required in modern industrial plants.