Als entscheidende Funktionskomponente von CNC-Werkzeugmaschinen sind die Eigenschaften von Servosystemen seit jeher ein wichtiger Indikator für die Bearbeitungsleistung des Systems. Dieser Artikel stellt die verschiedenen Klassifizierungen von Vorschub- und Spindelservosystemen für CNC-Werkzeugmaschinen vor und erörtert deren Anwendungsmöglichkeiten. I. Überblick: Ein Servosystem ist ein elektrisches Antriebs- und Steuerungssystem, bestehend aus einem mechanischen Antriebselement, einem Motor als Regelobjekt, einer Steuerung als Kern und einem Leistungselektronik-Wandler als Aktor. Es basiert auf der Regelungstechnik. Dieses System steuert Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel 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. Nach Umwandlung, Verstärkung und Justierung treiben Motor und mechanisches Getriebe die Koordinatenachsen, die Spindel usw. der Werkzeugmaschine an und bewegen so den Arbeitstisch und den Werkzeughalter. Durch die Achsenverbindung führt das Werkzeug komplexe mechanische Bewegungen relativ zum Werkstück aus und bearbeitet so Werkstücke mit den vom Anwender geforderten komplexen Formen. Als Aktor in CNC-Werkzeugmaschinen integriert das Servosystem Leistungselektronik, Steuerung, Antrieb und Schutz. Dank Fortschritten in der digitalen Pulsweitenmodulation, der Entwicklung spezieller Motorwerkstoffe, der Mikroelektronik und moderner Steuerungstechnik hat es sich von Schrittmotoren über Gleichstrommotoren zu Wechselstrommotoren weiterentwickelt. In CNC-Werkzeugmaschinen kommen viele verschiedene Servosysteme zum Einsatz. Dieser Artikel analysiert deren Struktur, bietet eine einfache Klassifizierung und erörtert kurz den 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 entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert des CNC-Systems und dem von der Rückkopplungseinheit erfassten Istwert an. Die Antriebseinheit, als Hauptschaltung des Systems, speist den Motor entsprechend der Stellgröße mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz und regelt so das Motordrehmoment. 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 Änderung an einer Komponente kann zu unterschiedlichen Servosystemen führen. Je nach Antriebsmotortyp lassen sich Servosysteme in Gleichstrom- und Wechselstrom-Servos unterteilen; je nach Implementierungsmethode des Reglers in analoge und digitale Servos; und je nach 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 Vorschub- und Spindelservos unterteilt. Anschließend werden die technischen Merkmale der verschiedenen Servosysteme unter Berücksichtigung weiterer Faktoren diskutiert. III. Aktueller Stand und Perspektiven von Vorschubservos: Vorschubservos nutzen die Koordinaten der CNC-Werkzeugmaschine als Regelgröße, um die Schnittbewegung zu erzeugen. Aus diesem Grund muss der Vorschubservo die Bewegungsgeschwindigkeit der Koordinatenachse schnell anpassen und die Position präzise steuern können. Er muss insbesondere einen großen Geschwindigkeitsbereich, eine hohe Positionsgenauigkeit, gute Stabilität und ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten aufweisen. Je nach verwendetem Motor lassen sich Vorschubservosysteme in Schrittmotor-, Gleichstrom-, Wechselstrom- und Linearservos unterteilen. (I) Schrittmotorservosystem: Ein Schrittmotorservo 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 lässt sich durch Ändern der Impulsfrequenz anpassen. Falls nach dem Stillstand der Maschine noch Wicklungen unter Spannung stehen, verfügt das System über eine Selbsthemmung. Jede Umdrehung eines Schrittmotors hat eine feste Anzahl von Schritten, z. B. 500, 1000 oder 50.000 Schritte. Theoretisch akkumuliert sich der Schrittfehler nicht. Schrittmotorservos zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, der den Anforderungen digitaler 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. Zwei unabhängige Größen beeinflussen das elektromagnetische Drehmoment: der Hauptmagnetfluss und der Ankerstrom. Diese steuern den Erregerstrom bzw. den Ankerstrom und ermöglichen so die Drehmoment- und Drehzahlregelung. Aus regelungstechnischer Sicht handelt es sich bei der DC-Servoregelung um ein ISO-Regelungssystem (Single Input Single Output Single Variable). Die klassische Regelungstechnik ist auf dieses System voll anwendbar; daher sind DC-Servosysteme einfach zu steuern und weisen eine hervorragende Drehzahlregelung auf. Sie dominierten einst den Vorschubantrieb von CNC-Werkzeugmaschinen. In der Praxis erfordern DC-Servomotoren jedoch mechanische Kommutatoren. Diese sind kostspielig, störungsanfällig, wartungsintensiv und führen aufgrund von Funkenbildung an den Kohlebürsten häufig zu Produktionsunterbrechungen. Zudem verursachen sie elektromagnetische Störungen an anderen Geräten. Darüber hinaus begrenzt die Kommutierungsfähigkeit des mechanischen Kommutators die Leistung und Drehzahl des Motors. Der Anker befindet sich auf dem Rotor, was zu einem geringen Wirkungsgrad und schlechter Wärmeableitung führt. Um die Kommutierungsfähigkeit zu verbessern und die Ankerstreuinduktivität zu reduzieren, wird der Rotor kürzer und dicker, was die Dynamik des Systems beeinträchtigt. (III) AC-Servosysteme: Um die Nachteile von DC-Motoren zu beheben, können AC-Servosysteme modifiziert werden, indem die Antriebswicklungen in den Stator integriert und der Rotor als Permanentmagnet ausgeführt wird. Die Magnetpolpositionen werden mittels eines Encoders auf der Rotorwelle gemessen, wodurch ein Permanentmagnet-Bürstenlosmotor entsteht. Die praktische Anwendung von Vektorregelungsverfahren hat AC-Servosystemen zudem hervorragende Servoeigenschaften verliehen. Ihr großer Drehzahlbereich, ihre hohe Drehzahlstabilität, ihr schnelles dynamisches Ansprechverhalten und der Vierquadrantenbetrieb machen ihre dynamischen und statischen Eigenschaften mit denen von DC-Servosystemen vergleichbar. Sie ermöglichen außerdem Feldschwächung und Hochgeschwindigkeitsregelung, erweitern den Drehzahlbereich des Systems und erfüllen die Anforderungen von Hochleistungs-Servoantrieben. Permanentmagnet-Synchron-AC-Servosysteme werden derzeit hauptsächlich in Werkzeugmaschinen-Vorschubservos eingesetzt. Es gibt drei Typen: analoge, digitale und softwarebasierte. Analoge Servos sind auf eine einzige Funktion beschränkt und empfangen ausschließlich analoge Signale. Die Positionsregelung erfolgt typischerweise über einen Host-Computer. Digitale Servos können mehrere Funktionen ausführen, wie z. B. Drehzahl-, Drehmoment- und Positionsregelung. 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. Es implementiert die Überwachungsprogramme für verschiedene Steuerungsmethoden und Servomotoren unterschiedlicher Spezifikationen und Leistungen in Software. Im Betrieb kann der Benutzer den Code und die zugehörigen Daten einstellen, woraufhin das System automatisch in den Betriebszustand wechselt. Es ist mit einer digitalen Schnittstelle ausgestattet. Beim Wechsel des Betriebsmodus oder der Motorspezifikationen muss lediglich der Code zurückgesetzt werden; daher wird es auch als Universalservo bezeichnet. AC-Servos haben sich als dominierende Systeme für Werkzeugmaschinen-Vorschubservos etabliert und werden durch die Entwicklung neuer Technologien stetig verbessert. Dies zeigt sich insbesondere in drei Aspekten: Erstens entwickeln sich die Leistungselektronikbauteile in den Antriebssystemen kontinuierlich in Richtung höherer Frequenzen, und intelligente Leistungsmodule gewinnen an Bedeutung und Anwendung. Zweitens fördert die ausgereifte Technologie eingebetteter Mikroprozessorplattformen die Anwendung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen. Drittens ermöglicht die zunehmende Verbreitung vernetzter Fertigungsmodelle und die ausgereifte Feldbustechnologie die netzwerkbasierte Servosteuerung. (IV) Lineares Servosystem: Das lineare Servosystem arbeitet mit Direktantrieb. Im Vergleich zu herkömmlichen Drehantrieben besteht der größte Vorteil dieses Verfahrens darin, dass alle mechanischen Zwischenglieder zwischen Motor und Arbeitstisch entfallen. Dadurch wird die Vorschubkette der Werkzeugmaschine auf null reduziert. Dieses „übertragungsfreie“ Verfahren ermöglicht Leistungskennzahlen, die mit Drehantrieben 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. Ihre Bauform unterscheidet sich von der Ausführung mit 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 erfreuen sich daher zunehmender Beliebtheit bei Werkzeugmaschinenherstellern und einer rasanten technologischen Entwicklung. Auf der Europäischen Werkzeugmaschinenausstellung 2001 präsentierten Dutzende 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 und produzierte jährlich über 1.500 Einheiten, was etwa einem Drittel der Gesamtproduktion entsprach. Auch MAZAK steht kurz vor der Markteinführung eines Überschall-Bearbeitungszentrums mit linearem Servosystem, 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 Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetriebe, ablösen und sich nach und nach durchsetzen 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 Schnittgeschwindigkeit ausführen, werden auch 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 den Fortschritten in der Mikroprozessor- und Hochleistungstransistortechnologie sind wir nun im Zeitalter der Wechselstrom-Spindelservosysteme angekommen. (I) AC-Asynchron-Servosystem: AC-Asynchron-Servos erzeugen in den Statorwicklungen eines Drehstrom-Asynchronmotors einen sinusförmigen Strom mit variabler Amplitude und Frequenz. Das von diesem sinusförmigen Strom erzeugte rotierende Magnetfeld interagiert mit dem vom Motorrotor induzierten Strom und erzeugt so ein elektromagnetisches Drehmoment, wodurch die Motorrotation erreicht wird. Die Amplitude des sinusförmigen Stroms lässt sich in die Vektorsumme eines vorgegebenen oder einstellbaren Erregerstroms und des äquivalenten Rotordrehmomentstroms zerlegen; die Frequenz des sinusförmigen Stroms kann in die Summe aus Rotordrehzahl und Schlupf zerlegt werden, wodurch eine Vektorsteuerung ermöglicht wird. AC-Asynchron-Servos sind typischerweise in analoger und digitaler Ausführung erhältlich. Im Vergleich zu analogen Servos weisen digitale Servos nahezu lineare Beschleunigungskennlinien und kürzere Beschleunigungszeiten auf und können die Steifigkeit und Genauigkeit des Systems bei der Spindelpositionierung verbessern. Sie sind zudem einfach zu bedienen und stellen die Hauptantriebsform für Werkzeugmaschinenspindeln dar. AC-Asynchron-Servos weisen jedoch zwei Hauptprobleme auf: Erstens die Rotorerwärmung, die zu geringem Wirkungsgrad, niedriger Drehmomentdichte und großen Abmessungen führt; Zweitens, niedriger Leistungsfaktor. Um einen breiten Drehzahlbereich mit konstanter Leistung zu erzielen, ist daher eine hohe Wechselrichterleistung erforderlich. (II) AC-Synchron-Servosystem: In den letzten Jahren hat die Entwicklung und kontinuierliche Leistungsverbesserung von hochenergetischen und kostengünstigen Permanentmagneten die Leistungsfähigkeit von AC-Synchron-Servosystemen mit Permanentmagnet-Synchronmotoren zur Drehzahlregelung deutlich verbessert und bietet Hoffnung auf eine Lösung der Probleme von AC-Asynchron-Servos. Im Vergleich zu Asynchron-Servos mit Vektorsteuerung weisen Permanentmagnet-Synchronmotoren eine niedrigere Rotortemperatur, eine höhere axiale Positioniergenauigkeit, einen geringeren Kühlbedarf und eine geringere Auswirkung auf die Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine auf und erreichen problemlos extrem niedrige Drehzahlgrenzen. Selbst bei niedrigen Drehzahlen arbeiten sie mit konstantem Drehmoment und eignen sich daher besonders für die Zerspanung. Gleichzeitig zeichnen sie sich durch eine hohe Drehmomentdichte, ein niedriges Trägheitsmoment und gute dynamische Eigenschaften aus, wodurch sie sich besonders für den Betrieb mit hoher Produktivität eignen. Sie ermöglichen sehr hohe Drehzahlverhältnisse, sodass dieselbe Werkzeugmaschinenspindel vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten bietet. Sie können sowohl Werkstoffe mit geringer Härte wie Aluminium als auch sehr harte und spröde Legierungen bearbeiten und so optimale Bedingungen für die Zerspanung an der Werkzeugmaschine schaffen. (III) Elektrische Spindel: Eine elektrische Spindel ist ein Produkt, das einen Elektromotor und eine Spindel integriert. Stator und Rotor des Spindelmotors sind direkt in die Spindeleinheit integriert, wobei der Rotor des Motors den rotierenden Teil der Spindel bildet. Durch den Wegfall des Getriebes und dessen Verbindung zum Motor entsteht ein integriertes, „übertragungsfreies“ Spindelsystem. Dadurch bietet es Vorteile wie eine kompakte Bauweise, geringes Gewicht, niedrige Trägheit und gute dynamische Eigenschaften. Es verbessert außerdem die dynamische Balance der Werkzeugmaschine, vermeidet Vibrationen und Geräusche und wird häufig in Werkzeugmaschinen für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt. Theoretisch ist eine elektrische Spindel ein Hochgeschwindigkeits-Elektromotor, der entweder ein Asynchron-Wechselstrommotor oder ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein kann. Die elektrische Spindel wird in der Regel mittels Vektorregelung und Frequenzumrichtertechnik angesteuert, 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 deren Wärmeableitung, dynamische Auswuchtung und Schmierung gestellt. Diese müssen in der Anwendung adäquat berücksichtigt werden, um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und eine präzise Bearbeitung 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 zukünftige Richtung der Servosystementwicklung darstellen werden. (Informationsquelle: CONTROL ENGINEER CHINA)