I. Überblick Ein Servosystem ist ein elektrisches Antriebs- und Steuerungssystem, bestehend aus einem Antriebsgerät für mechanische Bewegungen, einem Motor als Regelobjekt, einer Steuerung als Kern und einem Leistungselektronik-Leistungswandler als Aktor. Es basiert auf der Regelungstechnik. Dieses System steuert Drehmoment, Drehzahl und Winkel des Motors und wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, um die Bewegungsanforderungen der Maschine zu erfüllen. Konkret empfängt das Servosystem in CNC-Werkzeugmaschinen Weg- und Drehzahlbefehle vom CNC-System, transformiert, verstärkt und justiert diese und treibt anschließend über den Motor und den mechanischen Getriebemechanismus die Koordinatenachsen und die Spindel der Werkzeugmaschine an. Dadurch werden der Arbeitstisch und der Werkzeughalter bewegt. Durch die Achsenverbindung führt das Werkzeug verschiedene komplexe mechanische Bewegungen relativ zum Werkstück aus und bearbeitet so Werkstücke mit den vom Anwender geforderten komplexen Formen. Als Aktor einer CNC-Werkzeugmaschine integriert das Servosystem Leistungselektronik, Steuerung, Antrieb und Schutz. Es hat sich von Schrittmotoren über Gleichstrommotoren zu Wechselstrommotoren weiterentwickelt, angetrieben durch Fortschritte in der digitalen Pulsweitenmodulation, der Entwicklung spezieller Motormaterialien, der Mikroelektronik und moderner Steuerungstechnik. Servosysteme in CNC-Werkzeugmaschinen sind vielfältig. Dieser Artikel analysiert ihre Struktur, bietet eine einfache Klassifizierung und erörtert kurz ihren aktuellen Stand der Technik sowie Entwicklungstrends. II. Struktur und Klassifizierung von Servosystemen . Aus struktureller Sicht besteht ein Servosystem im Wesentlichen aus drei Komponenten: einer Steuerung, einer Antriebseinheit, einer Rückkopplungseinheit und einem Motor (Abbildung 1). Die Steuerung passt die Stellgröße an die Differenz zwischen dem Sollwert des CNC-Systems und dem von der Rückkopplungseinheit erfassten Istwert an. Die Antriebseinheit, als Hauptregelkreis des Systems, speist den Motor entsprechend der Stellgröße mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz und passt so das Motordrehmoment an. Andererseits wandelt es die konstante Spannung und Frequenz der Netzstromversorgung in den vom Motor benötigten Wechsel- oder Gleichstrom um. Der Motor treibt dann die Maschine entsprechend der Stromversorgung an. Die Hauptkomponenten in Abbildung 1 variieren stark, und jede Abweichung in einem Teil kann unterschiedliche Servosysteme hervorbringen. Beispielsweise lassen sie sich anhand des Antriebsmotortyps in Gleichstrom- und Wechselstromservos unterteilen; anhand der verschiedenen Implementierungsmethoden des Reglers in analoge und digitale Servos; und anhand der Anzahl der Regelkreise im Regler in offene, einfache, doppelte und mehrfache Regelkreise. Im Hinblick auf die Anwendung von Servosystemen in CNC-Werkzeugmaschinen werden diese in diesem Beitrag zunächst anhand der unterschiedlichen Übertragungsmechanismen in Vorschubservos und Spindelservos unterteilt. Anschließend werden die technischen Merkmale der verschiedenen Servosysteme anhand weiterer Faktoren erörtert. III. Aktueller Stand und Perspektiven von Vorschubservosystemen: Vorschubservos steuern die Koordinaten der CNC-Werkzeugmaschine, um die Schnittbewegung zu erzeugen. Daher sind Vorschubservos erforderlich, um die Bewegungsgeschwindigkeit der Koordinatenachsen schnell anzupassen und die Position präzise zu steuern. Sie benötigen insbesondere einen großen Geschwindigkeitsbereich, hohe Positioniergenauigkeit, gute Stabilität und ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten. Je nach verwendetem Motor lassen sich Vorschubservos in Schrittmotor-, Gleichstrom-, Wechselstrom- und Linearservos unterteilen. (I) Schrittmotor-Servosystem: Ein Schrittmotor-Servo ist ein Steuerungssystem, das mit Impulssignalen arbeitet und diese in entsprechende Winkelverschiebungen umwandelt. Die Winkelverschiebung ist proportional zur Anzahl der Impulse, die Drehzahl proportional zur Impulsfrequenz. Die Motordrehzahl kann durch Ändern der Impulsfrequenz angepasst werden. Falls nach dem Stillstand der Maschine noch Wicklungen unter Spannung stehen, verfügt das System über eine Selbsthemmung. Schrittmotoren haben eine feste Schrittzahl pro Umdrehung, z. B. 500, 1000 oder 50.000 Schritte. Theoretisch akkumuliert sich kein Schrittfehler. Schrittmotorservos zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, der den Anforderungen der digitalen Systementwicklung gerecht wird. Allerdings weisen sie eine geringe Genauigkeit, einen hohen Energieverbrauch und eine niedrige Geschwindigkeit auf. Zudem sinkt die Bewegungsgeschwindigkeit mit steigender Leistung. Insbesondere neigen Schrittmotorservos zu Schrittverlusten, weshalb sie hauptsächlich in kostengünstigen CNC-Werkzeugmaschinen und bei der Modernisierung älterer Anlagen eingesetzt werden, wo die Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit nicht hoch sind. Die in den letzten Jahren entwickelten Technologien wie Konstant-Chopper-Ansteuerung, PWM-Ansteuerung, Mikroschritt-Ansteuerung, Ultra-Mikroschritt-Ansteuerung und Hybrid-Servo haben die Hoch- und Niederfrequenzeigenschaften von Schrittmotoren jedoch deutlich verbessert. Insbesondere mit der Entwicklung intelligenter Ultra-Mikroschritt-Ansteuerungstechnologie wird die Leistungsfähigkeit von Schrittmotorservos ein neues Niveau erreichen. (II) DC-Servosystem: Das Funktionsprinzip von DC-Servos basiert auf dem Gesetz der elektromagnetischen Kraft. Das elektromagnetische Drehmoment hängt von zwei unabhängigen Variablen ab: dem Hauptmagnetfluss und dem Ankerstrom. Durch deren Steuerung lassen sich Erregerstrom und Ankerstrom präzise regeln und somit Drehmoment und Geschwindigkeit komfortabel steuern. Andererseits handelt es sich bei der Regelung eines Gleichstrom-Servomotors aus Sicht der Regelungstechnik um ein SISO-Regelungssystem (Single Input Single Output Single Variable). Die klassische Regelungstechnik ist auf diesen Systemtyp voll anwendbar. Daher sind Gleichstrom-Servosysteme einfach zu regeln und weisen eine hervorragende Drehzahlregelung auf. Sie dominierten einst den Vorschubantrieb von CNC-Werkzeugmaschinen. Im praktischen Betrieb benötigen Gleichstrom-Servomotoren jedoch mechanische Kommutatoren. Diese sind kostspielig, störungsanfällig, wartungsintensiv und beeinträchtigen häufig die Produktion durch Funkenbildung an den Kohlebürsten. Zudem verursachen sie elektromagnetische Störungen an anderen Geräten. Gleichzeitig begrenzt die Kommutierungsfähigkeit des mechanischen Kommutators die Leistung und Drehzahl des Motors. Der Anker des Motors befindet sich auf dem Rotor, was den Motor ineffizient macht und die Wärmeableitung erschwert. Um die Kommutierungsfähigkeit zu verbessern und die Streuinduktivität des Ankers zu reduzieren, wird der Rotor kürzer und dicker, was die Dynamik des Systems beeinträchtigt. (III) AC-Servosystem: Um die Nachteile von Gleichstrommotoren zu beheben, wird deren Funktionsweise umgekehrt: Die elektrische Antriebswicklung wird auf dem Stator montiert, der Rotor besteht aus Permanentmagneten, und die Magnetpolposition wird mittels eines Encoders auf der Rotorwelle gemessen. So entsteht ein bürstenloser Permanentmagnetmotor. Durch die praktische Anwendung von Vektorregelungsverfahren weisen AC-Servosysteme gute Servoeigenschaften auf. Ihr großer Drehzahlbereich, die hohe Drehzahlstabilität, das schnelle dynamische Ansprechverhalten und der Vierquadrantenbetrieb machen ihre dynamischen und statischen Eigenschaften mit denen von DC-Servosystemen vergleichbar. Zudem ermöglicht es die Feldschwächung bei hohen Drehzahlen, erweitert den Drehzahlbereich des Systems und erfüllt die Anforderungen an Hochleistungs-Servoantriebe. Permanentmagnet-Synchron-AC-Servosysteme werden derzeit hauptsächlich in Werkzeugmaschinen-Vorschubservos eingesetzt. Es gibt drei Typen: analoge, digitale und softwarebasierte. Analoge Servos sind auf die Verarbeitung analoger Signale beschränkt; die Positionssteuerung erfolgt üblicherweise über einen Host-Computer. Digitale Servos hingegen ermöglichen vielfältige Anwendungen wie Drehzahl-, Drehmoment- und Positionssteuerung. Sie können analoge und Impulsbefehle empfangen, und alle Parameter werden digital eingestellt, was zu einer hohen Stabilität führt. Sie verfügen außerdem über umfangreiche Selbstdiagnose- und Alarmfunktionen. Software-Servos sind mikroprozessorgesteuerte, volldigitale Servosysteme. Sie implementieren die Überwachungsprogramme für verschiedene Steuerungsmethoden und Servomotoren unterschiedlicher Spezifikationen und Leistungen in Software. Während des Betriebs gibt der Benutzer den Code und die zugehörigen Daten ein, und das System wechselt automatisch in den Betriebszustand. Ausgestattet mit einer digitalen Schnittstelle, erfordert das Ändern des Betriebsmodus oder der Austausch der Motorspezifikationen lediglich das Zurücksetzen des Codes; daher wird es auch als Universal-Servo bezeichnet. AC-Servos dominieren den Bereich der Werkzeugmaschinen-Vorschubservos und verbessern sich mit der Entwicklung neuer Technologien kontinuierlich, insbesondere in drei Aspekten. Erstens entwickeln sich die Leistungselektronikgeräte in den Antriebssystemen stetig in Richtung höherer Frequenzen, und intelligente Leistungsmodule finden immer breitere Anwendung. Zweitens fördert die ausgereifte Technologie eingebetteter Mikroprozessorplattformen die Anwendung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen. Drittens ermöglicht die Förderung der vernetzten Fertigung und die ausgereifte Feldbustechnologie die netzwerkbasierte Servosteuerung. (IV) Lineares Servosystem: Das lineare Servosystem verwendet ein Direktantriebsverfahren. Im Vergleich zum herkömmlichen Drehantrieb besteht der größte Vorteil des Linearantriebs darin, dass er alle mechanischen Zwischenglieder zwischen Motor und Arbeitstisch eliminiert und somit die Vorschubkette der Werkzeugmaschine auf null reduziert. Dieses „übertragungsfreie“ Verfahren ermöglicht Leistungskennzahlen, die mit dem Drehantrieb nicht erreicht werden können, wie beispielsweise eine Beschleunigung von über 3 g, was dem 10- bis 20-Fachen herkömmlicher Antriebe entspricht, und eine 4- bis 5-fach höhere Vorschubgeschwindigkeit. Linearmotoren lassen sich hinsichtlich ihres Funktionsprinzips in verschiedene Typen unterteilen, darunter Gleichstrom-, Wechselstrom-, Schritt-, Permanentmagnet-, Elektromagnet-, Synchron- und Asynchronmotoren. Bauweise gibt es Drehspul-, Dreheisen-, Flachplatten- und Zylindermotoren. Aktuell werden in CNC-Werkzeugmaschinen hauptsächlich hochpräzise, ​​schnelllaufende Kurzhub-Linearmotoren sowie hochpräzise, ​​langhubige Linearmotoren mit hohem Schub verwendet. Lineare Servoantriebe sind die ideale Antriebsart für hochpräzise CNC-Werkzeugmaschinen mit hoher Geschwindigkeit und haben daher das Interesse der Werkzeugmaschinenhersteller geweckt, was zu einer rasanten technologischen Entwicklung geführt hat. Auf der Europäischen Werkzeugmaschinenausstellung 2001 präsentierten Dutzende von Unternehmen Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen mit Linearmotoren, die Eilganggeschwindigkeiten von 100–120 m/min und Beschleunigungen von 1,5–2 g erreichten. Besonders hervorzuheben sind die deutschen Hersteller DMG und MAZAK aus Japan. Bereits im Jahr 2000 bot DMG 28 Modelle mit Linearmotorantrieb an, von denen jährlich über 1.500 Einheiten produziert wurden – das entsprach etwa einem Drittel der Gesamtproduktion. Auch MAZAK wird in Kürze ein Überschall-Bearbeitungszentrum auf Basis eines linearen Servosystems vorstellen, das eine Schnittgeschwindigkeit von Mach 8, eine maximale Spindeldrehzahl von 80.000 U/min, eine Eilganggeschwindigkeit von 500 m/min und eine Beschleunigung von 6 g aufweist. All dies deutet darauf hin, dass die zweite Generation von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen, repräsentiert durch Linearmotorantriebe, die erste Generation, repräsentiert durch Kugelgewindetriebe, ablösen und deren Einsatz zunehmend dominieren wird. IV. Aktueller Stand und Perspektiven von Spindelservosystemen: Spindelservos liefern die für die Bearbeitung verschiedener Werkstücke benötigte Schneidleistung; daher sind lediglich Spindeldrehzahlregelung und Vorwärts-/Rückwärtslauf erforderlich. Sollen Werkzeugmaschinen jedoch Funktionen wie Gewindeschneiden, Quasi-Stopp und Bearbeitung mit konstanter Lineargeschwindigkeit ausführen, werden entsprechende Anforderungen an die Positionssteuerung der Spindel gestellt. Daher sind hohe Ausgangsleistung, Konstantdrehmoment- und Konstantleistungssegmente, Quasi-Stopp-Steuerung und eine Spindelvorschubanlenkung erforderlich. Ähnlich wie Vorschubservos haben sich Spindelservos von herkömmlichen Drehstrom-Asynchronmotorantrieben zu Gleichstrom-Spindelantrieben weiterentwickelt. Mit dem Fortschritt der Mikroprozessor- und Hochleistungstransistortechnologie sind wir nun im Zeitalter der Wechselstrom-Spindelservosysteme angekommen. (I) AC-Asynchron-Servosysteme: AC-Asynchron-Servos erzeugen in den Statorwicklungen eines Drehstrom-Asynchronmotors einen sinusförmigen Strom mit variabler Amplitude und Frequenz. Das von diesem Strom erzeugte rotierende Magnetfeld interagiert mit dem vom Motorrotor induzierten Strom und erzeugt so ein elektromagnetisches Drehmoment, das die Rotation des Motors bewirkt. Die Amplitude des sinusförmigen Stroms lässt sich als Vektorsumme des vorgegebenen oder einstellbaren Erregerstroms und des äquivalenten Rotordrehmomentstroms darstellen; die Frequenz des sinusförmigen Stroms kann zur Vektorisierung der Rotordrehzahl und des Schlupfs zerlegt werden. AC-Asynchron-Servos gibt es üblicherweise in zwei Ausführungen: analog und digital. Im Vergleich zu analogen Servos weisen digitale Servos eine nahezu lineare Beschleunigungskennlinie mit kurzer Ansprechzeit auf und verbessern die Steifigkeit und Genauigkeit des Systems bei der Spindelpositionierung. Sie sind einfach zu bedienen und werden hauptsächlich für Spindelantriebe in Werkzeugmaschinen eingesetzt. AC-Asynchron-Servomotoren weisen jedoch zwei Hauptprobleme auf: Erstens erhitzt sich der Rotor, was zu geringem Wirkungsgrad, niedriger Drehmomentdichte und großen Abmessungen führt; zweitens ist der Leistungsfaktor niedrig. Um einen großen Drehzahlregelbereich mit konstanter Leistung zu erzielen, ist daher eine hohe Umrichterleistung erforderlich. (II) AC-Synchron-Servosystem: In den letzten Jahren hat die Entwicklung hochenergetischer und kostengünstiger Permanentmagnete sowie deren kontinuierliche Leistungsverbesserung die Leistungsfähigkeit von AC-Synchron-Servosystemen mit Permanentmagnet-Synchronmotoren zur Drehzahlregelung deutlich verbessert und bietet Hoffnung auf eine Lösung der Probleme von AC-Asynchron-Servomotoren. Im Vergleich zu Asynchron-Servomotoren mit Vektorsteuerung zeichnen sich Permanentmagnet-Synchronmotoren durch niedrigere Rotortemperaturen, höhere axiale Positioniergenauigkeit, geringeren Kühlbedarf, geringere Auswirkungen auf die Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine und die Möglichkeit, extrem niedrige Drehzahlgrenzen leichter zu erreichen, aus. Selbst bei niedrigen Drehzahlen arbeiten sie mit konstantem Drehmoment und eignen sich daher besonders für die Schwerzerspanung. Gleichzeitig bieten sie eine hohe Drehmomentdichte, ein niedriges Trägheitsmoment und gute dynamische Ansprecheigenschaften, wodurch sie sich besonders für den Betrieb mit hoher Produktivität eignen. Sie erreichen problemlos sehr hohe Drehzahlverhältnisse, wodurch dieselbe Werkzeugmaschinenspindel vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten bietet. Sie ist in der Lage, sowohl Materialien mit geringer Härte wie Aluminium als auch sehr harte und spröde Legierungen zu bearbeiten und schafft so optimale Bedingungen für die Zerspanung an der Werkzeugmaschine. (III) Elektrische Spindel: Eine elektrische Spindel ist ein Produkt, das Elektromotor und Spindel integriert. Stator und Rotor des Spindelmotors sind direkt in der Spindelbaugruppe montiert, wobei der Rotor des Motors den rotierenden Teil der Spindel bildet. Durch den Wegfall des Getriebes und der Verbindung zum Motor wird eine integrierte und übertragungsfreie Spindelkonstruktion erreicht. Daher bietet sie Vorteile wie eine kompakte Bauweise, geringes Gewicht, niedrige Trägheit und gute dynamische Eigenschaften. Sie kann die dynamische Balance von Werkzeugmaschinen verbessern, Vibrationen und Geräusche vermeiden und wird daher häufig in Werkzeugmaschinen mit extrem hohen Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt. Theoretisch ist eine elektrische Spindel ein Hochgeschwindigkeits-Elektromotor, der entweder ein Asynchron-Wechselstrommotor oder ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein kann. Der Antrieb der elektrischen Spindel nutzt in der Regel Vektorregelung mittels Frequenzumwandlung, üblicherweise mit einem integrierten Impulsgeber zur Positionssteuerung und präzisen Abstimmung mit dem Vorschub. Aufgrund der extrem hohen Betriebsdrehzahl der elektrischen Spindel werden besondere Anforderungen an ihre Wärmeableitung, dynamische Auswuchtung und Schmierung gestellt. Diese müssen in der Anwendung adäquat berücksichtigt werden, um den Hochgeschwindigkeitsbetrieb und die Präzisionsbearbeitung der elektrischen Spindel zu gewährleisten. V. Fazit: Als wichtige Funktionskomponente von CNC-Werkzeugmaschinen sind die Eigenschaften des Servosystems seit jeher ein wichtiger Indikator für die Bearbeitungsleistung des Systems. In den letzten Jahren wurden verschiedene Servoantriebstechnologien entwickelt, um die dynamischen und statischen Eigenschaften von Servosystemen zu verbessern. Es ist absehbar, dass mit der Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie Ultrahochgeschwindigkeitsschneiden, Ultrapräzisionsbearbeitung und vernetzter Fertigung volldigitale Servosysteme mit Netzwerkschnittstellen, Linearmotoren und Hochgeschwindigkeitsspindeln in den Fokus der CNC-Werkzeugmaschinenindustrie rücken und die Entwicklungsrichtung von Servosystemen bestimmen werden.