Mehr Effizienz bei der Holzbearbeitung - Tooldrives

Antriebstechnik fürs Hochgeschwindigkeitsbohren 

Mehr Effizienz bei der Holzbearbeitung

Holzbearbeitungsmaschinen zur Herstellung von Küchen, Fenstern, Möbeln oder Akustikplatten, haben eines gemeinsam: Es werden sehr viele exakte Bohrungen benötigt und die Bohrgeschwindigkeit entscheidet maßgeblich über die Durchlaufzeiten. Die meisten Bearbeitungsprozesse haben hier durchaus noch Luft nach oben. Mit neuen High-Speed-Drilling-Units lässt sich dieses Potential jetzt ausschöpfen. Leistungsfähige Antriebstechnik für High Power-CNC-Anwendungen hat dazu beigetragen.

Was Hochgeschwindigkeitsbohren mittlerweile leisten kann, hat der Antriebsspezialist ToolDrives im Frühsommer 2019 auf der Fachmesse LIGNA in Hannover gezeigt. In nur 17 Sekunden schafft es die High-Speed-Drilling-Unit, einhundert Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm und 6 mm Tiefe mit höchster Präzision in eine für den Küchenmöbelbau typische, beschichtete Verbundholzplatte zu bohren. Der Bohrer dreht sich dabei mit bis zu 18.000 Umdrehungen pro Minute. Er muss seine Kraft an die unterschiedlichen Schichten der Platte anpassen, damit die Schnittkanten und die Innenflächen der Löcher glatt und sauber sind. Es kommt also nicht nur auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit, sondern auch auf die Qualität der Bohrungen an.

„Wir haben deshalb den Bohrprozess genau untersucht, eine spezielle Vorschubspindel entwickelt und entsprechend leistungsfähige Motoren und Motionsteuerungen eingesetzt, um hohe Kräfte bei gleichzeitig feinfühliger Regelung zu erreichen“, erzählt Volker Meier, Geschäftsführer bei ToolDrives. Die Auswahl geeigneter Antriebskomponenten war deshalb keineswegs trivial. So muss der Frequenzumrichter für den leistungsstarken Bohrantrieb eine Ausgangsfrequenz von 1.000 Hz liefern können, wobei gleichzeitig eine feinfühlige Regelung des Bohr-Antriebs, einem PM-Motor, notwendig ist. „Das Kraftpaket muss schließlich kontrolliert werden“, ergänzt Meier schmunzelnd.

Den passenden Frequenzumrichter, der die Konstrukteure des Hochgeschwindigkeits-Bohrsystems überzeugte, fanden sie im Produktprogramm von Yaskawa. Der A1000, der an der auf der Messe ausgestellten Bohreinheit eingesetzt wurde, liefert die notwendige Ausgangsfrequenz von 1.000 Hz, arbeitet mit einer Leistung von 1,5 kW mit Open-Loop-Vectorsteuerung und kann kurzzeitig bis zu 150 % Nennleistung liefern. Ab Januar 2020 wird auch der neue GA500/1.000 Hz verfügbar sein und ist eine Option für diese Anwendungen. Für die Wahl sprachen aber nicht nur technische Gründe, wie Meier berichtet: „Mit Yaskawa haben wir einen Automatisierungsspezialisten im Boot, der international sehr gut aufgestellt ist, weltweiten Support garantieren kann und obendrein auch in der Holzbearbeitungsbranche viel Erfahrung hat. Durch das große Produktportfolio konnten wir für unsere Bohreinheit zudem auch viele weitere Bauteile aus einer Hand beziehen. Die Antriebskomponenten sind perfekt aufeinander abgestimmt und wir wurden kompetent beraten. So ließen sich unsere diffizilen Ansprüche an die Regelung präzise umsetzen.“

Leistungsfähige Antriebskomponenten aus einer Hand

Beim Messemodell stammen nicht nur der Umrichter, sondern auch die Grundachsen und die Steuerung von den Automatisierungsspezialisten. Die All-in-one-Maschinensteuerung der MP-Serie vereint auf einer Plattform alle für die Maschinenprozesse notwendigen Funktionen wie Motion- und PLC-Funktionalität, Ein- und Ausgänge sowie sequentielle Logik und Prozessalgorithmen. Die Controller-Integration senkt die Systemkosten, erhöht die Leistung, verringert den erforderlichen Platz im Schaltschrank und vereinheitlicht die Programmierung.
Die skalierbare Hardware für Motion-Anwendungen eignet sich für komplexe Anwendungen mit bis zu 64 Achsen. Bei der beschriebenen Applikation wurden die sollwerte für Bohrlöcher mit dem bewährten G-Code realisiert. Die Software MotionWorks IEC und die Yaskawa-Toolbox erleichtern die Programmierung der Maschinensteuerung. Sie vereinen die fünf Programmiermöglichkeiten Kontaktplan (KOP), Funktionsbausteinsprache (FUP), strukturierter Text, Anweisungsliste (AWL) und Ablaufsprache in einem Entwicklerpaket und bieten eine Bibliothek mit stetig wachsenden Anzahl verschiedener. Funktionsblöcke für Motion Control. Die Steuerungen verfügen zudem über einen integrierten Webserver und sind mit den internationalen Netzwerkprotokollen wie Profibus oder Ethernet kompatibel.

Hochgeschwindigkeits-Bohreinheit als Kompaktlösung

Die Zusammenarbeit zwischen den Experten für schnelles Bohren und den Automatisierungsspezialisten geht weiter und Anwender aus der Holzbearbeitung dürften sich über die Resultate freuen. ToolDrives bietet die schnelle Technik mittlerweile als kompakte Hochleistungs-Bohreinheit an, die sich nicht nur für den Einbau in neue Bearbeitungsmaschinen eignet, sondern auch in bestehenden Anlagen nachrüsten lässt. Der Bohrantrieb bei dieser High-Speed-Drilling-Unit ist in x-, y- und z-Richtung verschiebbar. Diese Aufgabe übernehmen je nach Aufbau Sigma-7-Servomotoren oder Linearmotoren mit den passenden Verstärkern. Die Servoantriebe eignen sich für anspruchsvolle Positionieraufgaben und können Vibrationen im Betrieb automatisch unterdrücken. Zudem sind sie für lange Lebensdauer ausgelegt und arbeiten bei Umgebungstemperaturen zwischen 0 und 55 °C ohne zusätzliche Kühlung. Vorschub- und Drehzahl des Bohrerantriebs werden ebenfalls über Verstärker der gleichen Serie geregelt. „Hier nutzen wir ein Sigma-7-Doppelachsmodul“, ergänzt Meier. Mit der Steuerung von zwei Motoren über nur einen Verstärker lassen sich Energieeinsparungen realisieren und der Platzbedarf sinkt.

Typische Einsatzbereiche für die schnelle Bohreinheit, die sich in praktisch jede Automatisierungsumgebung integrieren lässt, sieht Meier viele: „Holz- und Fensterbau können davon ebenso profitieren wie die Möbelindustrie. Die Hochleistungsantriebe lassen sich bei Bedarf z.B. auch zum Fräsen nutzen, was weitere Einsatzbereiche erschließen wird.“ Kürzere Produktionszyklen und hoher Durchsatz bei großer Präzision sind schließlich in vielen Branchen der Holzbearbeitung erwünscht. Die perfekt aufeinander abgestimmten Antriebskomponenten der Bohreinheiten leisten dazu einen wichtigen Beitrag.