Im Momemt besitzt unsere Maschine einem starres Magazin mit – immerhin – 10 Plätzen. Das wäre für gleichartige / wiederkehrende Werkstücke auch locker ausreichend, für unsere abwechselnden Materialien und Projekte jedoch immer mit viel Bestückungsarbeit verbunden. Und wehe, das falsche Werkzeug wird geladen und die Längenkorrektur passt nicht…

An Aufnahmen mangelt es jedenfalls nicht, mittlerweile haben sich ca. 40 Stück angesammelt und die Quelle ist noch nicht versiegt.

Aktuell arbeiten wir noch am finalen CAD Modell und ein paar Lösungen sind noch in Arbeit. Das ist auch der Grund wieso wir nicht die vollständige Kette im Magazin zeigen – es lässt sich einfach komfortabler daran arbeiten.

Und hier noch einmal von oben und von der Seite.

Idee

Ein sehr ähnliches Projekt hat sich unser Bekannter Siggi vor einigen Jahren gebaut. Damals hatten mich schon das CAD Modell begeistert, „live“ nach Fertigstellung war die Begeisterung aber noch um ein vielfaches größer. So etwas wollten wir auch – und jetzt wird es realität.

Der Plan

• Mindestens 20 Plätzen für unsere SK30 Aufnahmen
• Statisch montiert auf dem hinteren Tischbereich zur direkten Entnahme durch die Spindel
• Überwachung durch Sensoren, damit eine Fehlbedienung ausgeschlossen ist
• Eigene Logik

Kettenglieder

Die Kettenglieder bestehen aus 15mm Alu, der Montageflansch hat 12mm. Um das Gewicht ein wenig zu reduzieren gibt es eine Aussparung im Material.

Für eine reibungslose Bewegung sorgen Igus Gleitlager GFM-1012-10 aus iglidur® G. Diese laufen trocken, sind damit dauerhaft Wartungsfrei und sehr preisgünstig. Nebenbei sind die Lager super bei staubigen Umgebungen.

Antriebsräder

Auf insgesamt 4 Rädern aus PE1000 laufen die Ketten, geführt durch Miniaturkugellager. Angetrieben wird nur eine Seite.

Antrieb

Wer mag schon gerne warten… Als Antrieb kommt ein 750W AC Servo-Set zum Einsatz (T6 von Stepper-Online / Baugleich mit Leadshine EL6). Durch die Untersetzung von ca. 1:2 erhalten wir damit ein Spitzendrehmoment von 14 Nm.

Angetrieben wir über einen HTD Zahnriemen. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Taper-Buchsen nicht eingezeichnet.

Rahmen

Die gesamte Konstruktion besteht auf 15mm Alu, voraussichtlich fein gefrästes EN AW-5083. Insgesamt keine spektakuläre Bearbeitung, aber aufgrund der Fasen dann doch wieder Zwei-Seiten.

Wer das Material (Gleich GAL 250) noch nicht kennt: Die beidseitig feingefrästen Platten aus gegossenem Aluminium weisen ein Ra von 0,4 μm auf und haben eine +/- 0,1mm Dickentolleranz bei < 0,13mm Ebenheitsabweichung auf 1m. Diese Eigenschaften erleichtern den Bau dieses Projekts ungemein, da viele Flächen nicht mehr bearbeitet werden müssen.

Wieso Kunststoff?

Bei den Antriebsrädern und den Führungsflächen haben wir uns für POM bzw. PE1000 entschieden. Das macht die Konstruktion erstens etwas leichter und zweitens hat das Material gute Gleiteigenschaften. Insgesamt sollte das Magazin dadurch leiser laufen.

BOM (Bill of Materials)

Danach werden wir bei unseren Projekten häufiger gefragt, daher hier gleich mal eine vollständige Liste an Teilen. Insgesamt wird das Projekt 1.300 EUR an Material kosten. Interessanterweise ist der teuerste Posten nach Servo, Aluminium und Kunststoff die Passschauben.

Wie geht es weiter?

Aktuell befinden sich Teile und Material im Zulauf, bis wir Zeit finden mit dem Projekt zu starten wird es noch ein paar Wochen dauern. Und dann ist ja auch schon wieder Weihnachten dazwischen…

Da wir in Zwischenzeit Zuwachs bekommen haben (DMU 50T), bietet es sich an die Teile mit der neuen Maschine zu bearbeiten. Es wird also doppelt spannend

Dieser Beitrag soll auch den Entwicklungsprozess darstellen. Daher werden Änderungen unten am Beitrag angehangen, d.h. für den aktuellen Stand ganz runter scrollen.

Konzept

• Antrieb
  • Über externen 3 bis 4KW Servomotor
  • Eventuell zunächst Antrieb über vorhandene 2.2kW Frässpindel
  • Als Direktantrieb oder über Zahnriemen
• Spindel
  • Vierfach gelagert Update: Dreifach gelagert, Kostengründe und geringe Kräfte
  • Evtl. Sperrluft
• Werkzeugwechsel
  • Aufnahmen/Kegelgröße SK30 nach DIN 69871 / Zugbolzen nach DIN 69872
  • Spannung über Feder, Spannkraft ~ 1300N
  • Pneumatischer Werkzeugwechsel über doppelwirkenden Zylinder
  • (Pneumatische Kegelreinigung)
• Überwachung
  • Werkzeugwechsel überwacht über Endlagen der Einzugstange (Kegel „Leer“ und „Voll“)
  • Positionsüberwachung des Ausdrückzylinders
  • Temperaturüberwachung der beiden unteren Spindellager
  • Stillstandsüberwachung (Eventuell über Frequenzumrichter / Sicherer Halt)

Aufbau

Erster Entwurf:

• Blau: Grundkörper
• Grün: Hauptspindel
• Gelb: Riemenkasten

Gegen das eindringen von Staub und anderem Schmutz gibt es eine einfache Labyrinthdichtung mit etwa 0,1mm Spaltmaß. Über Sperrluft denken wir noch nach. Hierbei sorgt ein leichter Überdruck im inneren der Spindel für noch mehr Schutz gegen das Eindringen von Staub.

Lagerung

Als Lager kommen insgesamt 3 Hochgeschwindigkeits-Spindellager Bauform 71910/71909 in Präzisionsklasse P4A von FAG/SKF zum Einsatz.

Antrieb

Für den Antrieb gibt es momentan noch 3 verschiedene Ansätze.

1. Verwendung der vorhandenen 2,2KW HF Spindel, welche über einen Riemenantrieb mit Untersetzung die Spindel antreibt
2. Einbau eines 3 bis 4KW starken Servomotors, gekoppelt ebenfalls durch einen untersetzten Riemenantrieb
3. Einbau des Servos mit Direktantrieb aber dafür über ein Getriebe

Bei Lösung 1 und 2 ist die Geschwindigkeit hauptsächlich durch den Riemen beschränkt. Im Hochgeschwindigkeitsbereich sind das etwa 50m/s Umlaufgeschwindigkeit.

Lösung 3 muss dafür um ein Ölbad erweitert werden, damit das Getriebe nicht übermäßig verschleißt.

Lösungen 2 und 3 haben den großen Vorteil von Positioniergenauigkeit sowie einer elektrischen Bremse. Somit sind indizierte Werkzeuge für z.B. Sonderanwendungen (Einwechselbares Tangentialmesser) oder sogar Gewindeschneiden möglich. Letzteres hängt allerdings auch am Drehmoment des Motors im unteren Drezhalbereich.

Zwischenstand Juli 2016:

Die Anzahl der Lager wurde von Anfangs vier auf jetzt drei reduziert. Die obere Lagerstelle hat eher stützende Wirkung, daher ist hier ein Lager völlig ausreichend um alle Kräfte aufzunehmen. Positiver Nebeneffekt ist das Einsparen eines Präzisionslagers, welche alles andere als günstig sind.

Für die ersten Tests wird die vorhandene Spindel adaptiert und die Verbindung über HTD-Zahnriemen ausgeführt. Bei Drehzahlen bis knapp 18.000 U/min kommen die Riemen an ihre Grenzen. Hier sollten Umlaufgeschwindigkeiten von über 50 m/s vermieden werden oder es kommt zu frühzeitigem Verschleiß und starker Geräuschbildung.

Hier noch ein paar neue Bilder vom aktuellen (aber noch nicht finalen) Stand:

Zwischenstand August 2016

Bei beiden Lagern kommt die UL-Version zum Einsatz, d.h. Universallager, leicht vorgespannt. Diese können direkt gegeneinander montiert werden und haben dann eine definierte Vorspannung. Um im unteren Lagerbereich etwas mehr Steifigkeit zu bekommen habe ich mich für Distanzhülsen entschieden. Diese werden später gemeinsam überschliffen, damit sie ein identisches Höhenmaß erhalten um die Vorspannung der Lager nicht zu verändern.

Außerdem wurde der Wechsler insgesamt nochmal deutlich verkürzt um Gewicht und Einbauraum zu sparen.

Mit montiertem Antrieb (erstmal über die bereits vorhandene 2,2KW HF Spindel):

Das obere Lager wird mit Hilfe einer Wellfeder vorgespannt, wodurch eventuelle thermische Längenänderungen kompensiert werden können.

Die Riemenscheibe wird gemeinsam mit einem Reduzierstück auf das obere Wellenende aufgeschraubt. Konstruktiv ist das nicht die schönste Lösung, aber Fertigungstechnisch einfach herzustellen.

Auf der Vorderseite befinden sich jetzt zusätzlich noch zwei Bohrungen in Höhe der Lagersitze. In diese werden Temperatursensoren montiert, welche eine Überwachung der Lagertemperatur ermöglichen. Auf eine Kühlung der Lager wird bewusst verzichtet, da bei korrekter Vorspannung und Einbau der Lager keine starke Reibung und somit Temperaturerhöhung auftreten darf. Ein Temperaturanstieg über eine gewisse Arbeitstemperatur (ca. 40°C werden erwartet) deutet auf ein Problem mit der Vorspannung der Lager oder der Schmierung hin. Generell ist es sehr wichtig den vom Hersteller angegebenen Einlaufzyklus einzuhalten. Dieser sorgt für eine gleichmäßige Fettverteilung im Lager wodurch stabile Betriebszustände erst ermöglicht werden.

Das Federpaket wurde auch nochmals überarbeitet. Die Verbauten Tellerfedern haben bei eingespannter Werkzeugaufnahme eine Einzugskraft von ca. 1300N. Zum erreichen der Auswurfposition (ca. 8mm Verfahrweg)  ist eine Kraft von ca. 2200N auf die Ausrückstange nötig. Der Pneumatikzylinder erreicht bei 6 bar Betriebsdruck eine Kraft von ca. 2650N.

Seitlich sind Gewinde angebracht, um den Halter für den Antriebsmotor zu montieren.

Auch über die Zustandsüberwachung haben wir uns Gedanken gemacht, damit Maschine und Werkzeugwechsler bei einem Fehler keinen Schaden nehmen. Hierfür werden zwei bis drei kleine induktive Näherungssensoren verbaut, welche die Position der Ausrückstange überwachen. Abgegriffen werden somit die Zustände

• „Leer“, d.h. kein Werkzeug eingezogen
• „Voll“, d.h. Werkzeug eingezogen
• Stillstand: Werden wir wahrscheinlich nach EN 60204 SS1 über den Frequenzumrichter ausführen. Alternativ ließe sich ein Hallsensor an der Spindel dafür verwenden.

Schema der Zustandsüberwachung: