Werkzeugmaschinen 3: Mechatronische Systeme: Vorschubantriebe, Prozessdiagnose 6. Auflage (VDI-Buch)

Das Buch richtet sich sowohl an Studierende wie auch an den Anwender, der bei der Auswahl geeigneter Maschinen eines umfassenden ?berblicks ?ber die existierenden Systeme bedarf. Die sechste Auflage ist neu bearbeitet und hinsichtlich der graphischen Pr?sentation verbessert worden. Sie stellt die neuesten Entwicklungen rund um den geregelten Vorschubantrieb in allen Anwendungsbereichen dar. Das Kompendium Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme umfasst f?nf B?nde, die die immer komplexer werdende Materie des Werkzeugmaschinenbaus b?ndeln. Der Schwerpunkt von Band 3 liegt auf der Auslegung mechatronischer Komponenten, insbesondere den zur Erzeugung hochdynamischer Antriebsbewegungen verwendeten Vorschubantrieben von Werkzeugmaschinen. Vorschubantriebe z?hlen zu den wichtigsten Hauptkomponenten von Werkzeugmaschinen, an die hohe Anforderungen bez?glich ihrer dynamischen Eigenschaften gestellt werden. Gefordert werden gro?e Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei gleichzeitig geringen Bahnabweichungen. Vorgestellt werden Konstruktionshilfen bei der Auswahl und Auslegung wichtiger Maschinenkomponenten. Ein Schwerpunkt liegt auf der mechanischen und regelungstechnischen Auslegung von Vorschubantrieben mit direkten und konventionellen Antrieben, sowie den zur Positionserfassung ben?tigten Messsystemen. Ein weiterer Schwerpunkt widmet sich den Prozess- und Diagnoseeinrichtungen von Maschinen- und Prozesszust?nden. Neben einer ausf?hrlichen Schilderung der klassischen Prozess- und Maschinenzustands?berwachung basierend auf der Auswertung externer Sensoren, wird ausf?hrlich auf die sensorlose Prozess?bwachung auf Basis der Motorstr?me der Hauptspindel- und Vorschubmotoren eingegangen. Cover 6.Auflage ......Page 1 Werkzeugmaschinen 3......Page 4 ISBN 978-3-540-22506-5......Page 5 Vorwort zum Kompendium „Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme“......Page 6 Vorwort zum Band 3......Page 8 Inhaltsverzeichnis......Page 10 Großbuchstaben......Page 16 Kleinbuchstaben......Page 19 Griechische Buchstaben......Page 21 1.1 Begriffsbestimmung „mechatronische Systeme“......Page 23 1.2 Beispiele mechatronischer Produkte in Werkzeugmaschinen......Page 24 1.3 Weiterentwicklungen......Page 26 2 Aufbau einer Vorschubachse......Page 29 2.1.1 Anforderungen an die Antriebseinheiten......Page 30 2.1.2 Elektrische Antriebseinheiten......Page 31 2.1.2.1 Gleichstrommotoren......Page 32 2.1.2.2 Synchronmotoren......Page 37 2.1.2.3 Asynchronmotoren......Page 41 2.1.2.4 Vergleich Gleichstrom/ Drehstromservoantriebe......Page 45 2.1.2.5 Schrittmotoren......Page 47 2.1.2.6 Linearmotoren......Page 51 2.2.1 Grundlagen der Wegund Winkelmessung......Page 59 2.2.1.2 Messprinzipien und Messverfahren......Page 60 2.2.2.1 Photoelektrische Messverfahren......Page 65 2.2.2.2 Interferometrische Wegmesssysteme......Page 80 2.2.2.3 Elektromagnetische Aufnehmer......Page 84 2.2.2.4 Magnetische Aufnehmer......Page 90 2.2.3.1 Interpolation mit Hilfsphasen......Page 93 2.2.3.2 Digitale Interpolation......Page 96 2.2.3.4 Richtungserkennung......Page 97 2.2.4 Messgeräte Auswahl und Einbau......Page 98 2.2.4.1 Auswahl des Messgeräts......Page 99 2.2.4.2 Anbauort in der Anlage und Maschine......Page 100 2.2.4.3 Montagehinweise......Page 101 2.2.4.4 Elektrischer Anschluss......Page 102 2.3 Mechanische Übertragungselemente......Page 103 2.3.1.1 Gewindespindel-Mutter-Antrieb......Page 104 2.3.1.2 Ritzel-Zahnstange-Antrieb......Page 116 2.3.1.3 Schnecke-Zahnstange-Antrieb......Page 117 2.3.1.4 Zahnriemen-Antriebe......Page 118 2.3.2 Vorschubgetriebe......Page 120 2.3.2.1 Zahnradgetriebe......Page 121 2.3.2.2 Zahnriementriebe......Page 122 2.3.2.3 Sondervorschubgetriebe......Page 124 2.3.3 Kupplungen ......Page 130 2.3.3.1 Ausgleichskupplungen......Page 131 2.3.3.2 Sicherheitskupplungen zum Überlastschutz......Page 132 2.4 Umrichter für WZM-Vorschubachsen......Page 136 2.4.1 Aufbau von Umrichtersystemen......Page 137 2.4.2 Regelungselektronik in Umrichtern......Page 139 2.4.2.1 Analoge Regelung......Page 140 2.4.2.3 Zusätzliche Funktionen digitaler Antriebsregler......Page 141 2.4.3 Schnittstellen zur Steuerung......Page 144 2.4.3.2 Digitale Schnittstelle......Page 146 2.5 Hydraulische Antriebseinheiten......Page 152 2.5.1 Kolben-Zylinder-Antriebe......Page 153 2.5.2 Hydraulikmotoren......Page 155 2.5.3 Servo-, Proportionalregelund Piezoventile......Page 156 2.5.4 System Hydraulikmotor Servoventil......Page 161 2.5.5 Elektrohydraulischer Antrieb als Stellglied im Lageregelkreis......Page 164 2.5.6 Vergleich von Elektro-, Schrittund Hydraulikmotoren......Page 167 3 Dynamisches Verhalten von Vorschubachsen......Page 173 3.1 Regelungstechnische Grundlagen......Page 174 3.1.1.1 Zeitverhalten von Regelkreisgliedern......Page 177 3.1.1.2 Grundsysteme von Regelkreisgliedern und ihre Darstellung......Page 181 3.1.1.3 Aufbau eines Regelkreises......Page 184 3.1.1.4 Wirkungsplan (Blockschaltbild)......Page 185 3.1.1.5 Stabilität von Regelkreisen......Page 187 3.1.1.6 Einstellregeln für analog arbeitende Regler......Page 191 3.1.2.1 Darstellung zeitdiskreter Systeme......Page 193 3.1.2.2 z-Transformation......Page 195 3.1.2.3 Lineare Differenzengleichungen......Page 197 3.1.2.4 Einstellregeln für zeitdiskret arbeitende Regler......Page 198 3.1.2.5 z-Übertragungsfunktion......Page 199 3.1.3 Feedforward-Controller zur Schleppfehlerkorrektur......Page 201 3.1.4 Zustandsregelung......Page 205 3.1.4.1 Darstellung im Zustandsraum......Page 206 3.1.4.2 Entwurf des Zustandsreglers......Page 209 3.1.4.3 Zustandsbeobachter......Page 212 3.2.1 Vorschubantrieb als Regelkreis......Page 213 3.2.2 Berechnung von zeitkontinuierlichen Lageregelkreisen......Page 217 3.2.3 Übertragungsverhalten des linearen Lageregelkreises......Page 218 3.2.4 Simulation von Vorschubantrieben......Page 223 3.3 Übertragungsverhalten der Mechanik......Page 224 3.3.1 Physikalische Grenzen des mechanischen und elektrischen Systems......Page 225 3.3.2.1 Kinematisches Übertragungsverhalten......Page 227 3.3.2.2 Statisches Übertragungsverhalten......Page 228 3.3.2.3 Dynamisches Übertragungsverhalten......Page 230 3.3.3 Übertragungsverhalten linearer Direktantriebe......Page 233 3.4.1 Verhalten von elektromechanischen Achsen bei Regelung über indirektes und direktes Messsystem......Page 236 3.4.2 Ein.uss des Messsystems bei linearen Direktantrieben......Page 238 3.4.3 Verbesserung der Vorschubregelung durch Verwendung eines Ferraris-Sensors......Page 239 3.4.4 Kleinste verfahrbare Schrittweite......Page 243 3.5 Statische und dynamische Stei.gkeit von Vorschubachsen......Page 245 3.5.1.1 Statische Stei.gkeit elektromechanischer Antriebe (Gewindespindelantrieb)......Page 246 3.5.1.2 Statische Stei.gkeit beim elektrischen Lineardirektantrieb......Page 247 3.5.2 Dynamische Stei.gkeit......Page 248 3.5.2.1 Dynamische Stei.gkeit elektromechanischer Vorschubachsen (Gewindespindeltanrieb)......Page 250 3.5.2.2 Elektrischer Lineardirektantrieb......Page 251 4.1 Aufbau von Bahnsteuerungen......Page 257 4.2.1 Bahnfehler im Interpolator......Page 258 4.2.3 Auswirkungen der mechanischen Übertragungselemente......Page 259 4.2.4 Bestimmung der dynamischen Bahnabweichungen......Page 261 4.2.4.2 Kreisformund Durchmesserabweichung......Page 262 4.2.5 Einfluss des KV -Faktors auf die Bahnabweichungen......Page 265 4.3 Maßnahmen zur Verringerung der Bahnabweichungen......Page 268 5.1.1 Bestimmung der Anforderungen und Wahl des Antriebsprinzips......Page 271 5.1.2 Wahl und Auslegung der mechanischen Komponenten......Page 273 5.1.3 Auswahl und Auslegung des Antriebsmotors......Page 275 5.1.3.1 Statische Auslegung......Page 276 5.1.3.2 Dynamische Auslegung......Page 278 5.1.3.3 Optimales Übersetzungsverhältnis......Page 280 5.3.1 Manuelle Inbetriebnahme......Page 282 5.3.1.1 Einstellung des Drehzahlreglers......Page 284 5.3.1.2 Einstellung des Lagereglers......Page 287 5.3.2 Automatische Inbetriebnahme......Page 288 6.1.1 Hintergrund, Begriffe und Ziele......Page 289 6.1.2 Wirtschaftliche Bedeutung von Prozessüberwachung, Prozessregelung,Diagnose und Instandhaltungsmaßnahmen......Page 294 6.1.3 Ein.ussgrößen auf die Funktion der Fertigungsmittel und die Qualität der Produkte......Page 295 6.1.4.1 Strategien für Überwachungssysteme......Page 297 6.1.4.2 Die Struktur von Überwachungssystemen......Page 299 6.1.4.3 Zusammenhang und Abgrenzung zwischen Prozessüberwachung und Maschinendiagnose......Page 300 6.1.5 Prinzipien der Prozessregelung......Page 302 6.2.1 Dehnungsmessung......Page 304 6.2.2 Piezoelektrische Kraftmesselemente......Page 308 6.2.3 Körperschallund Beschleunigungssensoren......Page 312 6.2.4 Stromund Leistungsmessung......Page 315 6.2.5 Steuerungsinterne Informationen......Page 317 6.2.6 Temperatursensoren......Page 319 6.3 Signalverarbeitung und Mustererkennung......Page 321 6.3.1 Analoge Signalaufbereitung......Page 323 6.3.2 Digitale Vorverarbeitung......Page 327 6.3.3 Merkmalsextraktion......Page 328 6.3.4.1 Feste Grenzen......Page 330 6.3.4.2 Mitlaufende Schwellen......Page 331 6.3.4.3 Mehrdimensionale Klassi.kation......Page 332 6.4.1.1 Sensorsysteme zur Drehmoment- und Zerspankraftmessung......Page 336 6.4.1.2 Kraft-, Drehmomentund Leistungsregelung bei der Drehbearbeitung......Page 339 6.4.1.3 Automatische Schnittaufteilung für das Drehen......Page 344 6.4.1.4 Prozessüberwachung beim Drehen......Page 347 6.4.2 Fräsbearbeitung 6.4.2.1 Sensorsysteme und Verfahren zur Prozessüberwachung beim Fräsen......Page 351 6.4.2.2 Prozessüberwachung für die Fräsbearbeitung......Page 356 6.4.2.3 Prozessregelung für die Fräsbearbeitung......Page 361 6.4.2.4 Prozessregelung beim Gussputzen......Page 367 6.4.2.5 Automatische Ratterbeseitigung......Page 369 6.4.3.1 Prozessüberwachung beim Bohren und Tiefbohren......Page 377 6.4.3.2 Prozessregelung für das Tiefbohren......Page 383 6.4.4.1 Prozessregelung......Page 386 6.4.4.2 Abrichtüberwachung......Page 388 6.4.5 Funkenerosive Bearbeitung......Page 389 6.4.6 Kollisionsüberwachung......Page 397 6.5 Statistische Prozessregelung......Page 400 6.6 Instandhaltung und Maschinenzustandsüberwachung......Page 402 6.6.1 Verfahren der Instandhaltung und Wartung......Page 403 6.6.2 Maschinenzustandsüberwachung......Page 405 6.6.3 Diagnosemöglichkeiten......Page 412 6.6.4 Teleservice......Page 421 Literatur......Page 427 Index......Page 437 Das Buch wendet sich sowohl an Fachleute des Werkzeugmaschinenbaus als auch an Studierende der Produktionstechnik. Es gibt dem Konstrukteur Hilfen bei der Auswahl und Auslegung wichtiger Maschinenkomponenten. Band 3 des fünfbändigen Werkzeugmaschinen-Kompendiums legt den Schwerpunkt auf die mechanische und regelungstechnische Auslegung mechatronischer Komponenten wie den Vorschubantrieben zur Erzeugung hochdynamischer Antriebsbewegungen von Werkzeugmaschinen sowie die Diagnose von Maschinen- und Prozesszuständen. Vorschubantriebe zählen zu den wichtigsten Hauptkomponenten von Werkzeugmaschinen. Es werden hohe Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften gestellt. Große Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei gleichzeitig geringen Bahnabweichungen sind die Regel. TOC:Automatisierbare Funktionen der Fertigungseinrichtungen und ihre Realisierung.- Aufbau einer Vorschubachse.- Dynamisches Verhalten von Vorschubantrieben.- Vorschubantriebe zur Bahnerzeugung.- Auslegung von Vorschubantrieben.- Prozessüberwachung, Prozessregelung, Diagnose und Instandhaltung Neben einer ausfuhrlichen Schilderung der klassischen Prozess- und Maschinenzustandsuberwachung basierend auf der Auswertung externer Sensoren, wird ausfuhrlich auf die sensorlose Prozessubwachung auf Basis der Motorstroeme der Hauptspindel- und Vorschubmotoren eingegangen. Neben einer ausführlichen Schilderung der klassischen Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung basierend auf der Auswertung externer Sensoren, wird ausführlich auf die sensorlose Prozessübwachung auf Basis der Motorströme der Hauptspindel- und Vorschubmotoren eingegangen.