Wenn die Achse zu schwer wird

Schnittmodell des Kompakt-Aggregats Typ MPN, in der Öffnung ist der Elektromotor zu sehen. Bild: HAWE

In Fräsmaschinen und anderen spanenden Werkzeugmaschinen erhalten Werkstücke ihre Form, indem ein Werkzeug an einem Werkstück entlanggeführt wird und dadurch Material abträgt. Es entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, der sogenannte Vorschub. Je nach Bauart der Werkzeugmaschine wird entweder die Spindel mit dem Werkzeug oder das Werkstück beschleunigt und in Bewegung gehalten. Abhängig von der Bewegungsrichtung wirken verschiedene Kräfte. Verläuft die Bewegung horizontal, sind das zusätzlich zur Vorschubkraft, die den Materialabtrag bewirkt, noch Reibungs- und Beschleunigungskräfte. Bei vertikalen Bewegungen ist zudem die Schwerkraft zu berücksichtigen, die, je nach Größe der zu bewegenden Masse, einen erheblichen Anteil ausmachen kann.

Der Antrieb für den Vorschub muss die Summe dieser Kräfte überwinden. Ob der Antrieb, wie bei modernen Bearbeitungszentren üblich, ein elektrischer Servomotor mit einer Kugelrollspindel oder ein Linearantrieb ist, es gilt in jedem Fall: Je größer die Kräfte sind, desto mehr Leistung muss der Antrieb aufbringen. Während sich die Kräfte für Materialabtrag, Reibung und Beschleunigung nur wenig beeinflussen lassen, gibt es eine sehr elegante und effiziente Methode, die Gewichtskraft vertikaler Achsen zu kompensieren: den hydraulischen Gewichtsausgleich.

Das Grundprinzip

Das Grundprinzip des hydraulischen Gewichtsausgleichs ist in der Skizze (Bild) dargestellt: Ein Hydraulikzylinder (1) leitet die Gewichtskraft in ein Hydrauliksystem ein, in dem noch ein Speicher (2) und ein Ventilblock (3) verbaut sind.

Bild 1 Skizze Gewichtsausgleich. Bild: HAWE

Der Hydraulikdruck in diesem System ist so eingestellt, dass er die Gewichtskraft ausgleicht, das heißt, für die Überwindung dieser Kraft ist keine elektrische Leistung erforderlich.

Fährt der Hydraulikzylinder wie in der Skizze dargestellt aus, verdrängt er das Medium aus dem Zylinder in den Speicher, die Gasblase des Speichers wird komprimiert und nimmt damit die Energie auf. Fährt der Zylinder ein, strömt das Medium aus dem Speicher in den Zylinder zurück.

Das Hydrauliksystem wird für den Betrieb der Anlage einmalig ent- sprechend des gewünschten Drucks vorgefüllt. Danach bleibt es geschlossen, es ist keine weitere Zufuhr von Energie erforderlich. Der hydraulische Gewichtsausgleich bietet damit nicht nur den Vorteil, dass die Antriebe kleiner gewählt werden können. Auch die Energieeffizienz der Maschine bessert sich, da keine elektrische Leistung erforderlich ist, um die Gewichtskraft zu überwinden.

Ein Punkt ist jedoch zu berücksichtigten: Je nach Position des Zylinders ist die Gasblase im Speicher mehr oder weniger komprimiert. Dadurch verändert sich der Druck im Speicher und damit auch die Ausgleichskraft des Zylinders. Dieser Effekt ist unerwünscht, da er die Qualität der spanenden Bearbeitung negativ beeinflussen kann.

Ein möglichst großes Verhältnis zwischen verdrängtem Volumen und Speichervolumen minimiert diese Druck- bzw. Kraftabweichung. Die Speichergröße ist aufgrund des begrenzten Bauraums und der Forderung minimaler Kosten begrenzt. Daher ist es günstig, den Durchmesser des Zylinders klein und den Druck möglichst hoch zu wählen. Drücke im Bereich von 150 bis 200 bar haben sich als vorteilhaft erwiesen. Sinnvoll ist in den meisten Fällen auch, die Last am Zylinder hängend anzubringen. Auf der Stangenseite des Zylinders ist die Fläche kleiner, es ergeben sich ein höherer Druck und damit ein kleineres Austauschvolumen. Zudem muss bei dem dann ziehenden Zylinder die Knicklänge nicht beachtet werden.

Wichtige Komponenten

Welche weiteren Komponenten sind in dem Hydrauliksystem erforderlich? Für den Hydraulikspeicher sind das nach Druckgeräterichtlinie ein bauteilgeprüftes Sicherheitsventil (4) und ein Ablassventil (5). Ein Manometer (6) ist ebenfalls unbedingt erforderlich. Wenn es anzeigt, dass das System drucklos ist, sind Service-Arbeiten ohne Gefährdung des Personals möglich. Mit dem Manometer kann auch der Druck überwacht werden, der am Druckregelventil (7) auf den gewünschten Wert eingestellt wird. Mit einem Druckschalter (8) oder einem Drucksensor überwacht die Steuerung den Speicherdruck. Für die Auswertung ist jedoch, wie oben beschrieben, die Zylinderposition zu berücksichtigen. Der kompakte Ventilverband Typ BA von HAWE Hydraulik enthält all diese Standardkomponenten. Zudem macht er die Verrohrung und Montage oder eine separate Blockkonstruktion überflüssig.

Richtig dimensioniertes Hydraulikaggregat

Selbstverständlich ist auch ein Hydraulikaggregat (9) erforderlich, um das System mit dem gewünschten Druck vorzuspannen. Eine geringe Förderleistung reicht dafür aus, da das Aggregat für den Betrieb des Systems nicht erforderlich ist. Es muss aber sichergestellt sein, dass der Behälter ausreichend dimensioniert ist, um das System einschließlich Speicher mit Hydrauliköl zu füllen und im Service-Fall das Volumen wieder aufzunehmen. Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Aggregat noch weitere Funktionen versorgt. Geeignet ist beispielsweise das Kompakt-Pumpenaggregat Typ MPN von HAWE Hydraulik, da es all diese Kriterien erfüllen kann.

Kompakt-Agggregate bieten Vorteile

Kompakt-Aggregate zeichnen sich durch eine vergleichsweise kleine Bauweise aus. Das Gehäuse ist gleichzeitig der Öltank. Der Elektromotor befindet sich unter Öl und wird von der Hydraulikflüssigkeit gekühlt. Dadurch kann er besonders klein dimensioniert werden. Die Motorwelle des Elektromotors fungiert auch als Pumpen- welle. Diese technischen Eigenheiten reduzieren nicht nur die Baumaße des Aggregats, sondern verringern auch die beschleunigte Masse. Das reduziert den Energiebedarf des Hydraulik- systems.

Wird die Vertikalachse mit Linearantrieben bewegt, so erfüllen die hydraulischen Gewichtsausgleichssysteme sogar noch einen zusätzlichen Sicherheitsaspekt: Fällt der Linearantrieb aus, kann der Absturz der Vertikal- achse verhindert werden. Ist ein sofortiger Stop gewünscht, kann dies durch eine ein-fache hydraulische Klemmung auf der Kolbenstange des Gewichtsausgleichszylinders erfolgen.