Präzise mit und ohne Motor

10/2015
www.konstruktion.de
Einzelpreis 30,- €
Oktober 2015
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Das Zukunftsmagazin für den Maschinen- und Anlagenbau
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Förder
Spezial Landmaschinen
mit Vorbericht Agritechnica
ab Seite 62
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Titelthema
Präzise mit und ohne Motor
Neue Winkelmessmodule von Heidenhain
Antreiben, Führen und Messen: All das bieten die neuen motorisierten Winkelmessmodule von Heidenhain. Was die Messgeräte genau können, hat die ke-NEXT-Redaktion für Sie herausgefunden.
Die Ansprüche an Messtechnik steigen und immer mehr Kunden schätzen es, bereits komplett aufeinander abgestimmte Systemkomponenten zu erhalten. Der Traunreuter Messgeräte-Hersteller Heidenhain hat
daher zusammen mit seiner hundertprozentigen Schweizer Tochterfirma Etel einen Torque-Motor entwickelt, der ein ausgesprochen geringes
Rastmoment aufweist, welches nur knapp über der technischen Messbarkeit liegen. Zero-Cogging nennen die Entwickler das. Ziel war es, den
Rotor und Stator so mit einem Winkelmessmodul zu verschmelzen, dass
ein kompaktes Bauteil entsteht, das bezüglich thermischer und geometrischer Gestaltung eine möglichst gleichmäßige und präzise Bewe-
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gungsführung ermöglicht. Im Falle des ersten Serienmodells SRP 5080
mit einem Innendurchmesser von 35 Millimeter bedeutet das, dass der
Torque-Motor außen um das Winkelmessmodul herum gebaut wurde,
um ein möglichst kleines Volumen und zugleich eine geringe Bauhöhe
zu erreichen.
Zudem erlaubten die Techniker bei Heidenhain der ke-NEXT-Redaktion
einen Blick auf das aufwendige Messverfahren, mit dem die Führungsgenauigkeit der Winkelmessmodule überprüft wird. Lesen Sie mehr
über die Innovationen im Bereich der hochpräzisen Winkelmesstechnik
in unserer Titelgeschichte ab Seite 80.
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Neben bestmöglicher Führungsgenauigkeit sind
die Winkelmessmodule, hier das MRP 5080, auch
auf geringen Platzbedarf und für einen großen
Innendurchmesser hin entwickelt.
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Auf der vergangenen Fachmesse Control stellte
Heidenhain mit dem MRP 6010 ein Winkelmessmodul für höhere Lasten und besonders große
Innendurchmesser (180 mm) vor.
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Wenn eine höhere Schutzart nötig ist: Die beiden
mittleren Baugrößen (35 und 100 mm) sind
auch als IP-40-Version verfügbar, etwa für rauere
Anwendungen wie Laserbearbeitung.
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Ganz neu ist ein Winkelmessmodul mit
integriertem Torque-Motor, das SRP 5080. Das
Besondere ist die Zero-Cogging-Technologie
sowie die besonders flache Bauweise.
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Str. 5
83301 Traunreut
Tel.: +49 8669 31-0
[email protected]
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Komponente & System • Messtechnik
Präzise mit
und ohne Motor
Neue Winkelmessmodule von Heidenhain
Antreiben, Führen und Messen: All das bieten die neuen motorisierten Winkelmessmodule von Heidenhain. Was die integrierten Messgeräte genau können und wie der
Hersteller die hohe Präzision prüft und dokumentiert, hat die ke-NEXT-Redaktion für Sie
herausgefunden.
A
nspruchsvolle Kunden gibt es genug.
Im Laborbereich, in der Halbleiterindustrie, in der Laserbearbeitung, in der
Qualitätssicherung. Besonders anspruchsvoll ist beispielsweise die hochpräzise Vermessung von Zahnflanken eines Zahnrades. Da sich die Kontur ständig ändert, muss die
Drehgeschwindigkeit stetig nachgeführt werden, damit ein taktiler Messtaster nicht elastisch verformt
wird – was das Messergebnis verfälschen würde. Das
exakte Zusammenspiel zwischen Antriebseinheit, Lagerung und Winkelmesseinheit ist hier essenziell.
Wie schön wäre es für einen Maschinenhersteller in
so einem Fall, bereits komplett aufeinander abgestimmte Systemkomponenten zu erhalten. Vor zwei
Jahren, in der ke NEXT 7-8/2013, berichteten wir erstmals über Heidenhains Winkelmessmodule mit integrierter Wälzkörperlagerung. Schon diese nehmen dem
Kunden viel Arbeit ab, weil Lager und Messeinrichtung aus einer Hand kommen. Den 2013 vorgestellten
Modulen mit 35 und 100 Millimeter Innendurchmesser wurden mittlerweile ein kleineres mit zehn und ein
großes mit 180 Millimeter Durchmesser zur Seite gestellt. Als Zukunftsvision stand damals ein geplantes
Modul mit eingebautem Motor im Raum. Und siehe
da: Es ist fertig. Ein Messsystem, bei dem die optische
Messeinrichtung nicht nur mit einem PräzisionsWälzlager, sondern auch mit einem Torque-Motor zu
einem einzigen Bauteil verschmolzen ist.
Ein Drehmoment-Motor ohne Nebenwirkungen
Ein Torque-Motor ist üblicherweise ein auf hohe Drehmomente optimierter Servomotor mit Hohlwelle. Die
Hohlwelle ist dort vorteilhaft, wo Daten- oder Medienleitungen durch das Zentrum geführt werden müssen
oder sogar optische Strahlengänge durch die Drehachse verlaufen. Was sich allerdings als hinderlich erweist
ist das, was dem Torque-Motor seinen Namen verschafft hat: sein Drehmoment bzw. dessen unerwünschte Nebenerscheinungen. Denn zum Einen führen die starken Magnetkräfte, falls der Motor nicht in
idealer Weise symmetrisch aufgebaut ist, zu sehr starken seitlichen Kräften und damit Kippmomenten auf
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die Lagerung – bei Messungen im Nanometerbereich
sehr ungünstig. Und zum Anderen haben drehmomentstarke Motoren ein ausgeprägtes Rastmoment,
was zu unerwünschten Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen der Achse führt und regelungstechnisch nur sehr schwer in den Griff zu bekommen ist.
Da trifft es sich gut, dass Heidenhain mit der hundertprozentigen Tochterfirma Etel einen ausgewiesenen Motor-Spezialisten im Verbund hat. Die
Schweizer Firma fertigt Linear- und
Torque-Motoren samt zugehöriger Controller für den
Highend-Bereich. Zusammen mit den eidgenössischen Technikern wurde nun
ein Torque-Motor entwickelt,
der ein ausgesprochen geringes Rastmoment
aufweist,
welches nur knapp
über der technischen Messbarkeit
liegt. Zero-Cogging
nennen die Entwickler
das.
Ziel war es nicht, nur einen für High-End Applikationen
geeigneten Motor zu erhalten. Sondern
Rotor und Stator sollten so mit dem Lager und der
Messeinheit verschmelzen, dass ein kompaktes Bauteil
entsteht, das bezüglich thermischer und geometrischer
Gestaltung eine möglichst gleichmäße und präzise Bewegungsführung ermöglicht. Im Falle des ersten Serienmodells SRP 5080 mit einem Innendurchmesser von
35 Millimeter bedeutet das, dass der Torque-Motor
außen um das Lager herum gebaut wurde, um ein
möglichst kleines Volumen und zugleich eine geringe
Bauhöhe zu erreichen.
Doch was nutzen schöne Worte, wenn man sich der
Präzision nicht sicher sein kann? Also muss das Mess-
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Komponente
& System • Messtechnik
1 Ganz neu ist ein Winkelmessmodul mit integriertem Torque-Motor, das SRP 5080. Das Besondere
ist die
Zero-Cogging-Technologie sowie die besonders flache Bauweise.
2 Wenn eine höhere Schutzart nötig ist: Die beiden mittleren Baugrößen (35 und 100 mm) sind auch als
IP-40-Version verfügbar, etwa für rauere Anwendungen wie Laserbearbeitung.
3 Auf der vergangenen Fachmesse Control stellte Heidenhain mit dem MRP 6010 ein Winkelmessmodul für
höhere Lasten und besonders große Innendurchmesser vor.
4 Am Winkelmessmodul MRP 5080 sieht man die feine optische Teilung der Messeinheit. Neben bestmöglicher
Führungsgenauigkeit sind die Module auch auf geringen Platzbedarf und große Innendurchmesser hin
entwickelt.
Bilder: Heidenhain
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Nm
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Versuchsanordnung zur
Genauigkeitsmessung
bei Kippbelastung.
Unterhalb (nicht
sichtbar) befindet sich
eine hochgenaue
Winkelmessmaschine,
mit der die Genauigkeit
des Winkelmessmoduls
vermessen wird.
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180
Position
[0] [°]
Position
der zwei Präzisionskugeln in unterschiedlicher Höhe
über dem Lager angeordnet werden. Mit zwei rechtwinklig angeordneten Messtastern wird die Translation in X- und Y-Richtung bestimmt. Schließlich kann
es sein, dass die Translation in eine Richtung größer ist
als in die andere. Durch die zwei unterschiedlich hohen Kugeln wird zudem die Verkippung gemessen. Um
auch noch Informationen über die axiale Bewegung zu
erhalten, gibt es einen fünften Taster, der oben auf der
Spitze die Z-Bewegungen aufnimmt.
Natürlich lassen sich alle Winkelmessmodule, ob
mit oder ohne Motor, kundenspezifisch anpassen. Höhere Lasten, Steifigkeiten oder Drehzahlen, geringere
Reibmomente oder elektrische Isolation – neben Anpassungen der Geometrie sind Wälzkörper aus Keramik und angepasste Schmierstoffe die Mittel der Wahl,
um möglichst vielen Anwendungen gerecht werden zu
können. Nachfragen lohnt sich also.
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Wolfgang Kräußlich
Der ke-NEXT-Chefredakteur ist auch
auf Youtube zu sehen:
www.youtube.com/user/keNEXTtv
Planlauf
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Rundlauf
Rundlauf
Rundlauf
Führungsgenauigkeit
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Lagerebene
in Lagerebene
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gerät vermessen werden. Leider gibt es für die Vermessung von Rundachsen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich keine passende Norm. Die meisten
Vermessungen beruhen auf Rund- oder Planlaufmessungen. Allerdings ist es hier oft schwer zu unterscheiden, ob ein Fehler auf das Lager, das Prüfteil oder den
Aufbau zurückzuführen ist. Schließlich können Lager
Führungsfehler in fünf Dimensionen aufweisen:
Translation in drei Richtungen sowie ein Verkippen in
zwei Richtungen. Diese Fehler müssen für Messtechnik-Anwendungen voneinander separiert und quantifiziert werden. Zudem muss der reproduzierbare Anteil der Fehler von dem nichtreproduzierbaren Anteil
getrennt werden. Gerade in Metrologie-Applikationen
ist es oft so, dass der reproduzierbare Anteil weniger
stört, der nicht reproduzierbare aber als Messunsicherheit direkt in die Messung eingeht. Deshalb hat Heidenhain eine spezielle Messapparatur erfunden, bei
Die Messmethode von
Heidenhain erlaubt, die
reproduzierbaren von den
nicht reproduzierbaren
Fehlern zu separieren. Ein
Messprotokoll belegt die
Führungsgenauigkeit.
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Für viele Anwendungen ist ein sehr
gleichmäßiges und oft
auch ein geringes
Reibmoment der
Lagerungen wichtig.
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Komponente & System • Messtechnik
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Komponente & System • Messtechnik
Interview mit Andreas Hager, Heidenhain
„Das ist schon ziemlich herausragend“
Der Trend zu immer kompakteren Maschinen und Apparaten führt dazu, dass auf Messeinrichtungen
heute höhere Anforderungen zukommen. ke NEXT sprach mit dem Senior Product Manager Encoders bei
Heidenhain über Marktanforderungen und darüber, was bei motorisierten Messmodulen künftig zu
erwarten ist.
Für Ihre Winkelmessmodule haben Sie ja ein recht aufwendiges
Messverfahren entwickelt. Testen Sie auf diese Weise jedes
Modul oder machen Sie Stichproben?
Gerade in den Metrologie-Anwendungen ist es natürlich wichtig,
dass der Kunde tatsächlich bei jedem einzelnen Lager weiß, wie es
sich verhält. Deswegen wird auch jedes Winkelmessmodul auf
Führungsgenauigkeit und Taumel vermessen und jedes kriegt ein
Protokoll dazu. Für axiale Belastung oder Kipplasten führen wir so
genannte Typtests durch, die dann als Spezifikationswerte im Katalog mit eingetragen werden.
Axiale und Kipplasten? Ihr Lager ist ja Teil eines Messsystems
und kein Lastlager. Wie stark kann man Ihre Lager denn
belasten, bevor die Messgenauigkeit leidet?
Da muss ich vielleicht ein bisschen ausholen. Wir spezifizieren
eine axiale und radiale Last und eine Kipplast, unterhalb der wir
die Systemgenauigkeit garantieren. Der Punkt ist aber: Die Lebensdauerbetrachtung, die wir machen, ist sehr, sehr konservativ.
Das heißt, es gibt einen gewissen Grenzwert, und wenn man den
unterschreitet, dann ist das Lager rein rechnerisch dauerfest.
Wenn der Kunde unter dieser Last bleibt, muss er sich keine Sorgen machen, dass es ein Problem mit der Lebensdauer gibt oder
die Genauigkeit sich signifikant verändert. Dies definiert im Wesentlichen unsere spezifizierten Lasten. Allerdings: Fast die Hälfte
unserer Kunden fragt nach höheren Lasten, nach höheren Kippmomenten. Das ist natürlich auch möglich, aber dann muss man
zusammen mit dem Kunden die Randbedingungen genau bestimmen und darauf hin über die Einsatzbedingungen bzgl. errechneter Lebensdauer, Systemgenauigkeit, Drehzahl usw. sprechen.
Grundsätzlich kann man die spezifizierten Lasten deutlich überschreiten, ohne dass es ernsthafte Auswirkungen mit der Lagerung
und Genauigkeit gäbe. Aber das erfolgt dann praktisch immer individuell mit dem Kunden. Da gehen wir dann in die Berechnung,
machen Simulationen und Messungen, und erst dann können wir
das für den Kunden so freigeben.
Bei Ihrem neuen Winkelmessmodul mit integriertem TorqueMotor sprechen Sie von Zero-Cogging. Lässt sich das Rastmoment aus einem solchen Motor tatsächlich gänzlich eliminieren?
Also gänzlich eliminieren, da muss man schon fragen, was heißt
eliminieren? Wann ist ein Rastmoment ganz weg? Wir sind mit
unserem Motor in dem Bereich, wo wir das Restcogging kaum
noch erfassen können. Da sind wir schon an der Auslastungsgrenze der Sensoren, die wir momentan einsetzen. Aktuell sind wir
kleiner als ein halbes Prozent vom Nenndrehmoment. Das ist,
würde ich mal sagen, schon ziemlich herausragend.
„Unsere Lebensdauerbetrachtung ist sehr
konservativ. Grundsätzlich kann man die
spezifizierten Lasten durchaus um den Faktor
3 überschreiten, ohne dass es ernsthafte
Probleme mit der Lagerung gäbe.“
Andreas Hager, Heidenhain
Sie bieten das Winkelmessmodul mit Motor derzeit mit einem
Innendurchmesser von 35 mm an. Sind weitere Modelle
geplant?
Wir arbeiten derzeit an der nächsten Baugröße, also mit 100er-Innendurchmesser. Die ist im Prototypenstadium. Hier wird der Motor wohl über dem Lager sitzen, denn wenn wir ihn wie beim 35er
außen integrieren, wäre das Modul zwar wahnsinnig flach, hätte
aber einen sehr großen Außendurchmesser. Generell ist es unser
Anspruch, das Ganze möglichst kompakt zu bauen. Denn nur bei
kompakter Bauweise kann ich die hohe Steifigkeit der Lagerung
tatsächlich nutzen.
Ab wann sind die Motormodule denn verfügbar?
Das kleinere Modul kann man aktuell bestellen, das können wir in
diesem Jahr schon liefern. Der größere Motor wird wohl noch bis
nächstes Jahr brauchen. Bei der Größe muss neben dem zu reduzierenden Rastmoment auch die entstehende Temperatur ideal in
die Struktur abgeleitet werden, das ist schon eine ziemlich anspruchsvolle Aufgabe. Aber da wir ohnehin immer kundenspezifisch optimieren, freuen wir uns auch hier über Anfragen.
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