Wohin mit der Bewegungsenergie?

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo,

ich will einen ca. 800kg schweren Schlitten, der sehr reibungsarm auf seinem Bett läuft, mit einer Kugelrollspindel bewegen. Die Spindel wird über einen Servomotor angetrieben. Als maximale Vorschubgeschwindigkeit sind 200mm pro Sekunde vorgesehen.

In der Beschleunigungsphase bekommt der Servoverstärker ein rampenförmiges Signal, genauso soll der Schlitten vor Erreichen des Zielpunkts auch wieder abgebremst werden.

Ich habe dabei folgende Frage: Wodurch wird die kinetische Energie des Schlittens beim Abbremsen aufgenommen? Eine Rückspeisung über den Motor wird nicht realisierbar sein, die Reibung zwischen Schlitten und Bett spielt auch keine große Rolle.
Was passiert im schlimmsten Fall, wenn die Servosteuerung im Störungsfall schlagartig die Motordrehzahl auf Null regelt?

Über eine Erklärung werde ich mich sehr freuen. Ich befürchte nämlich, dass Schäden an der Spindel auftreten werden.

Grüße,
Wepster

#2

Hallo,

Über eine Erklärung werde ich mich sehr freuen. Ich befürchte
nämlich, dass Schäden an der Spindel auftreten werden.

Genau.
Du wirst in der Endlage vermutlich den Schlitten gegen einen Hydraulischen Stoßdämpfer fahren müssen um die kin. Energie in Wärme umzuwandeln.
Allerdings übt dieser St. in der Endlage auch wohl eine gewisse Axialkraft (durch eingebaute Rückholfeder?) in der Gegenrichtung aus.

Vllt. sind auch Ringfedern möglich (wie bei Eisenbahnpuffern).

Gruß:
Manni

#3

Hallo Manni,

eine Abfederung am Ende des Maschinenbetts hilft mir nicht weiter, wenn der Schlitten an einer x-beliebigen Position abgebremst werden soll. Die Kraft beim Bremsvorgang geht auf die Spindel bzw. die Mutter oder die Lagerung der Spindel. Also würde auch dort die Energie freigesetzt.
Ich kann die Spindel nicht verschiebbar gegen Federdruck lagern, da ich eine sehr steife Lagerung brauche. Sonst leidet die Genauigkeit.

Ich dachte schon daran, den Schlitten mit einer Bremse auszurüsten und beim Bremsvorgang die Spindel synchron mitdrehen zu lassen, damit nichts klemmt. Wird aber schwer zu steuern sein. Die Spindel über ein Mutternschloss abzukoppeln bringt auch nichts, da die Position über Inkremente vom Motor berechnet wird.

Es muss eine Lösung geben, sonst würden die aktuellen großen Bearbeitungszentren nicht funktionieren. Wenn da der gesamte Schlitten im Eilgang zum Werkzeugwechsel fährt entsteht viel Wind.
Keine Ahnung, wie die das mit dem Abbremsen machen.

Grüße,
Wepster

#4

Hallo Wepster
Die BZ regeln das über die Spindeln, du musst dir mal diese Mords Trümmer mal ansehen.
Die Kräfte beim Beschleunigen im Eilvorgang sind ähnlich den Bremskräften, es gibt keine vernünftige Alternative als eine kräftige Spindel mit ausreichend dimensionierter Lagerung.
Es gibt auch das zweigliedrige Verfahren des Werkzeugträgers, einmal schnell mit Luft, dann weiter mit Spindel.
Die Wege werden üblicherweise linear gemessen, über Motorpulse ist hier nicht so angesagt.
Gruß
Rochus

#5

Hallo Rochus,

danke für die Antwort. Das bedeutet also, mit massivem Materialeinsatz die Kräfte aufzunehmen. Werde ich so machen.
Jetzt habe ich nur noch eine theoretische Frage: wie wird die Energie beim Bremsen abgebaut?

Grüße,
Wepster

#6

Geistesblitz
Ich denke, ich habe die Lösung gefunden:
Durch entsprechend massive Bauteile wird eine Verformung innerhalb der Maschine ausgeschlossen und die Energie bzw. der Impuls wird über das Fundament auf den Boden übertragen. Ich denke mal nicht, dass ich Schäden am Gebäude zu erwarten habe, werde aber trotzdem das Fundament der Anlage vom übrigen Gebäude trennen.

Wepster

#7

Hallo Wepster,
klar, Maschine und Fundamente sind ein mechanisch gekoppeltes Schwingungssystem.
Die kinetische Energie wird zunächst in Arbeit umgesetzt, nämlich dem Produkt aus Verformungsweg und Federkonstante. Ohne Dämfung (d.h. Kraftaufbau idR proportional zum Schwingweg) hättest du ein ewig schwingendes System.
Zum Glück haben die Werkstoffe der Maschine und der Fundamente ihre dämpfenden Eigenschaften, sie „verbraten“ die Dämpfungsleistung (Produkt aus Schwinggeschwindigkeit und Dämpfungskraft) in Form von Wärme, solange bis von der eingespeisten kinetischen Energie nichts mehr übrig ist.
Hat man erstmal die Daten des Schwingungssystems (Massen, Steifigkeiten, Dämfungseigenschaften), ist das als Mehrmassenschwinger zu berechnen. Aber das macht man nicht schnell mal zwischen 12 Uhr und Mittagessen.
Gruß
Karl

#8

Es muss eine Lösung geben, sonst würden die aktuellen großen
Bearbeitungszentren nicht funktionieren.

Hallo,

die arbeiten ausnahmslos mit 4-Quadranten-Antrieben. Der Motor wird z.B. mit einer positiven Spannung beschleunigt und mit einer negativen wieder abgebremst. Zusätzliche mechanische Bremsen gibt es höchstens für das sichere Halten im Stillstand.

Ob dabei die beim Bremsen freiwerdende elektrische Energie zurück in die Stromversorgung fliesst oder in Bremswiderständen vernichtet wird, ist eine andere Frage - beides hat seine Probleme.

Gruss Reinhard

#9

Hallo Wepster
Als direkte Bremselemente werden die Antribsmotoren oder auch direkte Bremsen eingesetzt.
Die Enrgie fließt zunächst über das Maschinen"bett" oder - Gestell.
Dessen Bauweise ist schon auf Schwingungsdämpfung bzw -vernichtung ausgelegt.
Für spezielle Systeme wurde mal die „Scheuerplatten“ Bauweise eingesetzt, bei der die Kräfte durch Reibung im Gestell gemindert wurden.
Gruß
Rochus