Table Of ContentForschungsberichte· Band 5
Berichte aus dem
Institut fUr Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
der Technischen Universitat MUnchen
Herausgeber: Prof.Or.·lng. J. Milberg
Walter Simon
Elektronische Vorschubantriebe
an NC·Systemen
Mit 141 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1986
Dipl.-Ing. Walter SImon
Instltut far Werkzeugmaschlnen und Betrlebswlssenschaften (Iwb), MOnchen
Dr.-Ing. J. Milberg
o. Professor an der Technlschen UnlversltAt MOnchen
Institut far Werkzeugmaschlnen und Betrlebswlssenschaften (Iwb), MOnchen
ISBN-13: 978-3-540-16693-1 e-ISBN-13: 978-3-642-82828-7
001: 10.1007/978-3-642-82828-7
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1986
Softcover reprint of the hardcover 1s l edition 1986
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Gesamtherstellung: Hieronymus Buchreproduktions GmbH, MOnchen
236213020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die Verbesserung von Fertigungsmaschinen, Fertigungsverfahren und Fertigungs
organisation im Hinblick auf die Steigerung der Produktivitat und die Verringe
rung der Fertigungskosten ist eine stiindige Aufgabe der Produktionstechnik.
Die Situation in der Produktionstechnik ist durch abnehmende Fertigungslos
grOBen und zunehmende Personalkosten sowie durch eine unzureichende Nutzung
der Produktionsanlagen gepragt. Neben den Forderungen nach einer Verbesserung
von Mengenleistung und Arbeitsgenauigkeit gewinnt die Steigerung der Flexibilitat
von Fertigungsmaschinen und Fertigungsablaufen immer mehr an Bedeutung.
In zunehmendem MaBe werden Programme, Einrichtungen und Anlagen fur rech
nergestutzte und f1exibel automatisierte Produktionsablliufe entwickelt.
Ziel der Forschungsarbeiten am Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebs
wissenschaften an der TU MGnchen (jwb) ist die weitere Verbesserung der Ferti
gungsmittel und Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine Optimierung von Ar
beitsgenauigkeit und Mengenleistung der Fertigungssysteme. Dabei stehen Fragen
der anforderungsgerechten Maschinenauslegung sowie der optimalen ProzeBfGhrung
im Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung fortgeschrittener
Produktionsstrukturen und die Erarbeitung von Konzepten fur die Automatisierung
des Auftragsdurchlaufs. Das Ziel ist eine Integration der technischen Auftrags
abwicklung von der Konstruktion bis zur Montage.
Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bande stammen thematisch aus
den Forschungsbereichen des iwb: Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen,
Fertigungs- und Montageautomatisierung, Betriebsplanung sowie Steuerungstechnik
und Informationsverarbeitung. In ihnen werden neue Ergebnisse und Erkenntnisse
aus der praxisnahen Forschung des iwb veroffentlicht. Diese Buchreihe soli
dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem An
wender in der Praxis zu verbessern.
Joachim Milberg
VORWORT
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als akademischer
Rat a.Z. am Lehrstuhl fUr Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der
Technischen Universitat Miinchen.
Herrn Professor Dr. -Ing. Karl G. MUller, dem ehemaligen Leiter des Instituts,
danke ich fUr die Anregung des Themas und seine UnterstUzung bei der Durch
fiihrung der Arbeit.
Danken mOchte ich Herrn Professor Dr. -Ing. Joachim Milberg fUr die konti
nuierliche und wohlwollende FOrderung meiner Forschungsaktivitaten und fUr
seine wertvollen Hinweise, die wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetra
gen haben.
Ebenso gilt mein Dank Herrn Professor Dr. -Ing. G. Duelen fUr die Ubernahme
des Korreferats und das Interesse, das er dieser Arbeit entgegengebracht hat.
Bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls, die mich bei meiner
Arbeit in vielfaltiger Weise unterstUtzt haben, bedanke ich mich recht herzlich.
Des weiteren gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. -Ing. R. D. MUller fUr die Durch
sicht der Arbeit und seine wertvollen Anregungen.
Kempten, im Marz 1986
Walter Simon
- I -
Inhaltsverzeichnis
Seite
o Formelzeichen und AbkUrzungen
EinfUhrung
1.1 Allgemeine Problembeschreibung 1
1.2 Unterschiedliche Antriebskonzepte 3
1.3 Anforderungen an Servoantriebe von NC-Systemen 4
1.4 Aufgabenstellung und Arbeitsschwerpunkte 6
2 Untersuchungsobjekte - Theoretische Ableitungen 8
und Vorversuche
2.1 Elektrische Antriebskonzepte 8
2.1.1 Permanenterregter Gleichstrommotor 9
2.1.1.1 Linearverstarker 12
2.1.1.2 Gleichstromsteller 12
2.1.1.3 NetzgefUhrte Stromrichter 18
2.1.2 BGrstenlose Antriebe 28
2.1.2.1 Der bUrstenlose Gleichstrommotor 28
2.1.2.2 Der Synchronmotor mit rotorwinkelabhangiger 40
Speisung
2.1.2.3 Der Asynchronmotor 44
2.1.3 Tachogeneratoren 48
2.2 Mechanische Baugruppen 49
2.2.1 Zahnriemen 50
2.2.2 Kugelgewindespindeln 56
2.2.3 FUhrungen 63
- II -
3 Modellbildung elektrischer Vorschubantriebe 67
3.1 Numerische Verfahren zur Berechnung der Eigen 68
schaften von Vorschubantrieben
3.1.1 Berechnung linearer, zeitinvarianter Systeme 69
im Zeit- und Frequenzbereich
3.1.2 Digitale Simulationsverfahren 71
3.1.3 Berechnung des mechanischen Eigenschwingungs 71j.
verhaltens
3.2 Beschreibung elektrischer Antriebsstrukten mit 81j.
starrer Mechanik
3.3 Mathematische Modelle fUr mechanische Uber 94
tragungsglieder von Vorschubantrieben
3.3.1 Aufstellen eines linearen mechanischen Ersatz 95
modells
3.3.2 Betrachtung nichtlinearer Systeme im Zeit bereich 100
3.4 Beschreibung elektrischer Antriebsstrukuren mit 104
schwingungsfiihiger Mechanik
4 Experimentelle Untersuchungen 111
4.1 Versuchsstande 111
4.1.1 MotorenprUfstand 111
4.1.2 NC-Drehmaschinentisch als Versuchsstand 116
4.1.3 Zahnriemenversuchsstand 117
1j..2 MeBtechnik 120
4.2.1 Erfassung von Zeitverlaufen 120
1j..2.2 Frequenzgangmessung 120
1j..2.3 LasermeBtechnik zur Weg-, Geschwindigkeits 123
und Schwingungsmessung
- III -
4.3 Versuchsergebnisse 132
4.3.1 Elektrische Antriebe 132
4.3.1.1 Konventionelle Gleichstromantriebe 133
4.3.1.2 BUrstenlose Gleichstrommotoren 142
4.3.1.3 Synchronmotor mit rotorwinkelabhangiger 151
Speisung
4.3.1.4 Asynchronmotor 154
4.3.2 Ergebnisse am Drehmaschinenversuchstisch 157
4.3.3. Ergebnisse der Zahnriemenuntersuchungen 161
4.3.3.1 Statische Untersuchungen 161
4.3.3.2 Dynamische Untersuchungen 164
5 Analyse der Eigenschaften und Auswirkungen 169
elektrischer Antriebe an einer NC-Maschine
5.1 Analytische Ermittlung der Eigenschaften 169
des Vorschubantriebs
5.2 Experimentelle Betrachtung der Auswirkungen 173
unterschiedlicher elektrischer Antriebs-
konzepte an einer NC-Frasmaschine
6 Zusam menfassung 181
7 Literatur 185
- IV -
FORMEL VERZEICHNIS
Grol3buchstaben
2
A Querschnittsf lache m
Am mittlere Strombelagsamplitude AIm
B Breite m
B magnetische Induktion T=Vs/m2
Bm Mittelwert der magnetischen Induktion T
Bl,B2 Breite von Tei! 1,2 m
B Vektor der magnetischen Feldstarke T
CJ Four ier -Koeffizient
C1,C2 Konstanten
o Ourchmesser m
o Durchschaltanteil
° Lehr 'sches Oampfungsmal3
°a Aul3endurchmesser m
Innendurchmesser m
°i
modale Oampfung der Eigenschwingungen
°i
Om Oampfung des Motors
Spindelaul3endurchmesser m
°s
Spindelkerndurchmesser m
°sk
Ow Wellendurchmesser m
E Elastizitatsmodul N/m2
F Kraft N
F(jw) Amplitude des Frequenzganges dB
Fax axiale Komponente der Kraft N
FGL Gleitreibkraft N
FHR Haftreibkraft N
FL Kraft auf einen Leiter N
FM Mel3kraft N
FN Kraft in Zugstrangrichtung N
F Normalkraft N
n
Fnt tangentialer Anteil der Normalkraft N
FR Reibkraft N
Fr Kraft in radialer Richtung N
F ri Radialkraft eines Einzelkugelpaares N
- V -
F. Radialkraft eines Einzelkugelpaares in N
nu
Richtung von u
Kraft in Umfangsrichtung N
Vorspannkraft N
Ubertragungsfunktion
Vektor der Kraft N
Kraft auf einen stromdurchflossenen Lei N
ter im Magnetfeld
G Gleitmodul N/m2
IT Vektor der magnetischen Feldstarke AIm
1 Strom A
lA Ankerstrom A
i Amplitude der Stromoberschwingung A
10 Gleichanteil des Stromes A
Jp polares Flachentragheitsmoment m4
L Induktivitat H
LA Ankerinduktivitat H
LC Kommutierungsinduktivitat H
LG Glattungsinduktivitat H
LK Kreisstromdrossel H
Lsp axialbelastete Spindellange m
LspT tordierte SpindeUange m
M Moment Nm
MB Beschleunigungsmoment Nm
MM konstantes Motormoment Nm
MW konstantes Widerstandsmoment Nm
Mo konstantes Moment Nm
Mo Dauerstillstandsdrehmoment Nm
N magnetischer Nordpol
N Nachgiebigkeit m/N,l/Nm
N Kenn-Nachgiebigkeits-Wurzeln an der im/N,illNm
Em,n
Stelle m,n
Drehzahl der MotorweUe lIs
Polynomkoeffizient
Widerstand
Ankerwiderstand
Realteil
magnetischer Siidpol
