Elastomerkupplungen

Wider der Schwingung an Werkzeugmaschinen

CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen sind anspruchsvoll, geht es um die Gleichlaufeigenschaft und Positioniergenauigkeit sowie um das statische und dynamische Verhalten. Um dem gerecht zu werden, muss das Gesamtsystem  ideal aufeinander abgestimmt sein. Welche Rolle Wellenkupplungen dabei spielen, weiß Johannes Deister, Produktmanager bei KTR.

Darstellung der Einbausituation einer drehelastischen Klauenkupplung in einem Kugelgewindetrieb (KGT) mit Festlager. (Bild: KTR)

Wo sich etwas dreht, sind elastische und massenbehaftete Bauteile immer Problembringer. So können ungünstige Massen- und Steifigkeitsverteilungen zu Torsionseigen-frequenzen im Betriebsbereich führen, die sich in Wechselwirkung mit den Regelkreisen sogar noch verstärken können. De facto bedeutet das für das zu fertigende Werkstück, dass – bekommt der Konstrukteur die kritischen Resonanzen nicht in den Griff – die Oberflächenqualität extrem leidet. „Zur Dämpfung dieser kritischen Resonanz sind prinzipiell zwei Wege möglich: der elektrische und der konstruktive“, erklärt KTR-Produktmanager Johannes Deister. Bei der elektrischen Variante werden die Amplituden der Schwingung gedämpft, was jedoch eine Phasenverzögerung mit sich zieht und dadurch die Regelung verlangsamt. Somit kann eine Dynamikverbesserung bei derartigen Frequenzen nicht erreicht werden.

Um die kritische Resonanz konstruktiv zu ändern, müssen die Trägheitsmomente und Steifigkeiten von An- und Abtriebsstrang komplett betrachtet werden, da die Gesamtsteifigkeit der Positioniereinheit durch die Reihenschaltung der einzelnen Elemente gegeben ist. „In dieser Anordnung wird die Steifigkeit allein durch das schwächste Glied in der Kette bestimmt – durch die Axialsteifigkeit der Kugelrollspindel“, weiß Deister. Das heißt, ist die Drehfedersteifigkeit der Kupplung zu hoch, wie zum Beispiel bei Ganzmetallkupplungen, werden Schwingungen, die die Drehzahlregeldynamik begrenzen, begünstigt. Zudem haben diese Kupplungen ein ungünstig hohes Trägheitsmoment, was sich negativ auf die Gleichlaufeigenschaft und Positioniergenauigkeit sowie auf das statische und dynamische Verhalten auswirkt.

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Ist dagegen das Trägheitsmoment der Kupplung möglichst gering, benötigt der Motor beim Beschleunigungsvorgang weniger Moment und damit weniger Leistung. Für die Auslegung gilt, dass die Steifigkeit der Kupplung nur höher sein muss als die geringste Steifigkeit der Achse. Zudem sollte sie gute Dämpfungseigenschaften besitzen. Daher empfiehlt der Produktmanager spielfreie Elastomerkupplungen als bevorzugtes Verbindungselement für den Einsatz in lagegeregelten Servoantrieben.

Resonanzverschiebungen und Veränderung der Schwingungsamplituden sind innerhalb einer Kupplungsgröße ohne Massenänderung durch Austausch der Zahnkranz-Shorehärten möglich. (Bild: KTR)

Mit der Rotex GS hat KTR ein Kupplungssystem am Markt, das nicht nur sehr gute Ergebnisse an üblich ausgelegten Werkzeugmaschinenvorschubantrieben erzielt. Auch in anspruchsvollen Antrieben hat sie sich unter extremen Bedingungen als einfache und hochdynamische Lösung bewährt. Der Kupplungstyp zeichnet sich durch ein geringes Trägheitsmoment und eine angepasste Steifigkeit aus, die zwei- bis dreimal höher sein soll als die eines Riementriebes. „Damit erreicht die Kupplung eine Entkopplung höherfrequenter und störender Eigenfrequenzen, zum Beispiel Spindeltorsion, und bewirkt ein gutes Regelverhalten des gesamten Systems“, erläutert Johannes Deister. Drehsteifigkeit und Dämpfung der Kupplung lassen sich durch die Wahl des geeigneten Zahnkranzes dem Einsatzfall anpassen – dafür stehen fünf verschiedene Zahnkranzhärten zur Verfügung. Bei herkömmlichen spielfreien Ganzmetallkupplungen ist dies nur durch Veränderung ihrer Masse oder der Stegstruktur möglich.

Einfache Montage und hohe Leistungsdichte
Ist der geeignete Zahnkranz gewählt, kann die Rotex GS durch axiales Ineinanderschieben von An- und Abtriebsseite montiert werden. So wird eine Verbindung in einem geschlossenen Gehäuse geschaffen, ohne dass nachträglich Nabensicherungen vorgenommen werden müssen. Die verhältnismäßig große Zahnkranzbreite ermög- licht Axialverschiebungen mit Aufnahme von Winkel- und Radialverlagerungen infolge von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten. So erlaubt die Elastomerkupplung je nach Größe eine Axialverlagerung von 1 bis 2 mm ohne Leistungsminderung und Standzeitverkürzung. „Ein weiterer Vorteil der spielfreien Servokupplung ist ihre Durchschlagsicherheit, die gerade hinsichtlich der sicherheitsrelevanten Aspekte in Vertikalachsen von besonderer Bedeutung ist“, fügt Deister an. Konkret bedeutet das: Die Nockengeometrie der Kupplung ist so widerstandsfähig ausgelegt, dass selbst im Falle eines unerwarteten Verschleißes des Elastomers das Drehmoment weiterhin formschlüssig übertragen wird. Je nach Gefährdungspotenzial des Antriebs und Auslegung der Kupplung wird die Rotex GS in Aluminium oder, bei höheren Anforderungen, in Stahl gefertigt. Ist auf der An- und Abtriebsseite keine Passfeder vorhanden, empfiehlt der Experte bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die Kombination mit Spannringnaben. Sie gelten als montagesicher, da sie auf der Welle mithilfe von mindestens vier Schrauben verspannt werden.

Generell, so erklärt es der Produktmanager, verlangen die immer weiter verfeinerten Baugruppen von Werkzeugmaschinen aufgrund der fortschreitenden Automatisierung ein Kupplungssystem, das der Antriebsdynamik funktionsgerecht angepasst werden kann. Die erheblich erhöhten, hochdynamischen Antriebsbedingungen stellen somit zunehmend steigende Qualitätsansprüche an die Kupplung.

Wie wichtig ein anpassbares Kupplungssystem ist, erklärt der KTR-Produktmanager mit den immer weiter verfeinerten Baugruppen von Werkzeugmaschinen in Verbindung mit der fortschreitenden Automatisierung. „Aufgrund der erheblich erhöhten, hochdynamischen Antriebsbedingungen wachsen damit die Qualitätsansprüche an die Kupplung“, erläutert Deister und resümiert: „Durch die nach DIN EN ISO 13849 geregelten Sicherheitsfunktionen steigen hierbei auch die Anforderungen in Sachen Maschinensicherheit.“ cs

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