Ausbruch aus dem Koordinatensystem

Das neue Stichwort im Werkzeugmaschinenbau heißt Hexapod. Hexa kommt aus dem Griechischen von der Zahl sechs und Hexapod steht für den Sechsfüßer. Was die neuen Maschinenkonzepte recht treffend beschreibt, wenn auch die alten Griechen mit Hexapod, Hexapode oder Hexapoden eher das Ungeziefer, die sechsfüßigen Insekten meinten. Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln, die nicht mehr fest in der Maschine verankert sind, sondern sich ¿ an sechs Stäben befestigt ¿ frei im Raum bewegen, sind noch ein gewöhnungsbedürftiger Anblick. Aber nicht mehr lange! Schon auf den Werkzeugmaschinen-Messen dieses Jahres werden Sie die Hexapoden, die Maschinen mit parallelen Kinematiken, in den verschiedensten Varianten auf einigen Ständen antreffen.

Die neuen Trends im Werkzeugmaschinenbau teilen die Fachwelt in zwei Lager. Auf der einen Seite stehen die Vor- und Weiterdenker, die an Dingen arbeiten, für die unser mechanisches Vorstellungsvermögen gerade noch ausreicht und auf der anderen Seite formiert sich die konservative Fraktion, die alle Nachteile der neuen Systeme ohne Stocken herunterleiern kann und kräftige Sprüche dazu parat hat.

Die zerspanenden Disziplinen gehen zur Zeit in Richtung Trockenbearbeitung oder Minimalmengenschmierung, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Fünfseitenbearbeitung. Darauf reagieren die Werkzeughersteller mit immer feinkörnigeren Hartmetallen, neuen Schneidstoffen und vor allem mit noch widerstandsfähigeren Beschichtungssystemen, bis hin zu Mehrlagenschichten, die sich in ihren Eigenschaften geradezu traumhaft ergänzen. Auch bei den Kühlschmierstoff-Spezialisten laufen die Entwickler zur Höchstform auf. Klasse statt Masse: Immer wieder erblicken neue Minimalmengenschmiersysteme das Licht der Technikwelt. Doch die absolute Spitzenposition nehmen die Werkzeugmaschinenbauer ein: Linear-Achsantriebe sollen die Maschinendynamik in Bereiche treiben, die vor fünf Jahren noch gar nicht vorstellbar waren. Parallelkinematiken, die Tri- oder Hexapoden, stellen die bisher gekannten Werkzeugmaschinenkonzepte vollständig in Frage.

Fast alle großen europäischen Technischen Hochschulen oder Universitäten beschäftigen sich, in Zusammenarbeit mit zahllosen Industrieunternehmen, mit neuen Maschinenkonzepten und neuer Bearbeitungstechnologie. Und es gibt schon schöne Erfolge: So ist zum Beispiel weltweit die Technologieführerschaft Deutschlands in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung anerkannt. Auf den Messen METAV und AMB können Sie viele (in Serie gebaute) HSC-Maschinen sehen und kaufen ¿ und auch darüber staunen, woran die Vordenker derzeit arbeiten. Und falls Sie dort eine Werkzeugmaschinenspindel, an langen Stäben aufgehängt, wie rasend durch den Raum huschen sehen, dann sollten Sie sich Zeit nehmen, denn dann stehen Sie vor dem, was in nächster Zeit auch einige Ihrer Werkzeugmaschinen in den Ruhestand schicken wird: Die Hexapoden kommen!

So viel Neues in so kurzer Zeit, das ruft auch die Skeptiker auf den Plan. Sie sprechen zum Beispiel gern von ¿Heizkraftwerken¿, wenn sie Werkzeugmaschinen mit Linearantrieben charakterisieren wollen. Und tatsächlich liegt in der Wärmentwicklung einer der dicken Knackpunkte dieser Technologie. Doch das Kühlen ist eigentlich der Standard, nicht etwa die Ausnahme ¿ nur eben bei Werkzeugmaschinen bisher noch nicht. Daran wird man sich gewöhnen müssen, genau wie bei den Autos, die wir alle fahren, und die inzwischen (fast) ausnahmslos auf die Wasserkühlung setzen. Das Lösen der Temperaturprobleme brachte aber noch einen anderen Effekt mit sich: Nämlich die Suche nach weniger temperaturanfälligen Werkstoffen für den Grundaufbau der Maschinenachsen. Wer auf den Werkzeugmaschinenmessen oder in den Labors der Technischen Universitäten mal genauer hinschaut, der findet an kritischen Stellen schon jetzt Werkstoffkombinationen, die noch vor wenigen Jahren dort undenkbar waren: Zum Beispiel Bearbeitungszentren, deren Z-Achse nicht nur aus Metall, sondern auch aus Kohle- und Glasfasern aufgebaut ist. Dazu noch mit dem Vorteil der Gewichtsreduzierung, was der erhöhten Dynamik zugute kommt.

Den anderen Vorwurf der ¿Ketzer¿ und ewig Gestrigen, Tri- und Hexapoden seien ein hochtechnisiertes und teures Mikadospiel für Wissenschaftler aus dem Elfenbeinturm, den hat die industrielle Realität schon entkräftet. Es geht nur noch darum, diese Systeme zum Standard zu erheben und weiter zu verfeinern.

Stäbe statt Achsen

Der Gedanke ist nicht neu. Um mehr Bewegungsfreiheit und höhere Geschwindigkeit für bewegte Massen zu erreichen, kam man schon früh vom Fahren auf X-, Y- und Z-Bahnen ab. Wenn man zum Beispiel irgendeine Plattform auf drei Stützen stellt, die in der Länge veränderbar sind, so ergibt dieses einfache Prinzip schon große Bewegungsvielfalt. Lässt man die drei Streben von oben kommen, führt sie unten zusammen, befestigt dort zum Beispiel einen Greifer, so hat man einen sehr beweglichen und schnellen ¿Portal¿-Roboter. Beides ist technisch eingeführt: Das Tripoden-System findet man bei Flugsimulatoren, hoch beweglichen Arbeitsplattformen, Verpackungsrobotern und auch bei der Laserbearbeitung.

Ihr Vormarsch ist nicht mehr aufzuhalten. Einfache Bauform, hohe Dynamik und sehr kostengünstige Ausführung sprechen unbedingt für diese Systeme. Doch will man den Tripoden eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindel in die Hand drücken, so stößt man unweigerlich auf Stabilitätsprobleme ¿ und vor allem auf gravierende Einschränkungen der Bewegungsfreiheit: Eine Fünfseitenbearbeitung ist so nicht zu machen! Trotzdem wird dieses System kommen, denn die vielen einfacheren Arbeiten in der Zerspanungstechnologie erfordern nicht immer den Kampf um jedes Tausendstel und auch nicht die Fünfseitenbearbeitung.

Sechs Stäbe plus Hauptspindel

Um den Markt der Bearbeitungszentren erschließen zu können, führt kein Weg an den ¿Sechsbeinern¿ vorbei. Die meisten bisher realisierten Prototypen basieren auf dem System der längenveränderlichen Stäbe. Auf den ersten Blick ist das eine sehr praktische Lösung. Sechs Stäbe, die am einen Ende gelenkig an der Hauptspindel befestigt sind und deren anderes Ende ebenfalls beweglich an einem Rahmen fest gemacht sind, die braucht man nur in ihrer Länge zu variieren, um fast jeden Punkt im Arbeitsraum anfahren zu können. Auch alle Dreh-, Schwenk- und Neigungsfreiheiten sind so weit vorhanden, bis sich die Stäbe ineinander verwurschteln würden. An Stabilitätsgrenzen stößt das System in den Arbeitspositionen, in denen einige Stäbe auf Maximallänge ausgefahren sind, und wenn diese dann hohe Bearbeitungskräfte aufnehmen müssen.

Und trotz dieser Einschränkungen überwiegen die Vorteile gegenüber konventionellen Systemen! Um dem Ganzen aber noch eines oben drauf zu setzen, geht man an der ETHZ, an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, einen etwas anderen Weg. Deren ¿Hexaglide-System¿ auf ¿Steward-Plattform¿ soll deshalb hier im Vordergrund stehen.

Natürlich nehmen die Schweizer auch sechs Stäbe. Diese verändern sie aber nicht in ihrer Länge. ¿Dann bewegt sich auch nichts mehr¿, werden Sie jetzt denken ¿ und sich an Ihre Statik-Vorlesungen erinnern (starres, statisch unbestimmtes System mit sechs Auflagern). Richtig! Es sei denn, man bewegt die Auflager... Genau so wird es gemacht: Kugelgelenke verbinden die Hauptspindel mit den sechs Stäben. Ebenfalls Kugelgelenke sind es, die die anderen Enden der Stäbe mit sechs Schlitten verbinden. Diese sechs Schlitten fahren auf drei parallel zu einander angeordneten Bahnen. Und schon hat man die gewünschte Bewegungsfreiheit, kann sogar einige systembedingte Vorteile für sich verbuchen.

1. Die Stäbe haben immer die gleiche Länge. Es kann also nicht der ungünstige Fall mit maximalen Zug- oder Druckbelastungen auf den gerade am längsten ausgefahrenen Teleskopstab eintreten.

2. Der starre Stab ist sehr viel preiswerter als der längenveränderliche, selbst dann noch, wenn es einmal solche Teleskopstäbe als Normteile zu kaufen geben sollte.

3. Für die sechs Schlitten auf den drei Führungsbahnen können Linear-Direktantriebe eingesetzt werden.

4. Die Führungsbahnen sind nicht nur einfacher zu fertigen als Gestellaufbauten, sondern auch für lange Werkstückbearbeitungen beliebig verlängerbar. Denkbar sind sogar mehrere Hexaglide-Mechanismen auf einer einzigen langen Führungsbahn oder gar die räumliche Anordnung der Führungsbahnen.

Aktueller Stand des Hexaglide-Projektes

Nach vielen Berechnungen und Optimierungen des möglichen Aufbaues einer solchen Maschine, wurde im IWF, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung, an der ETHZ der Prototyp gebaut. Er besteht im Grundaufbau aus drei parallel angeordneten Führungsbahnen der Firma Schneeberger mit drei Metern Länge. In diese Steward-Plattform wurden Linearmaßstäbe der Firma Heidenhain integriert. Für Bewegung auf den Linearachsen sorgen sechs Linearantriebe des Herstellers Etel mit jeweils 2500 Newton Maximalkraft. Um Fräsarbeiten durchführen zu können, setzt man dort eine Standard-HSC-Spindel mit 10 Kilowatt Antriebsleistung und einer Höchstdrehzahl von 42 000 Umdrehungen pro Minute von Mikron ein. Die Steuerung ist eine Eigenentwicklung des Institutes für Robotik, sie basiert auf einem Power-PC 604/300, der über ein Xoberon-Echtzeitsystem verfügt.

Auf dieser Anlage können einfache Testwerkstücke aus Aluminium bearbeitet werden, die dann intensiv hinsichtlich Form- und Lagetoleranz untersucht werden. Natürlich gibt es noch erheblichen Handlungsbedarf, um das gewünschte Arbeitsergebnis in reproduzierbarer Präzision erhalten zu können. Doch schon der Aufbau solch einer Versuchsmaschine zeigte das ungeheure Rationalisierungspotential, das in den Parallelkinematiken steckt: Mit wenigen Bauelementen, die alle für ein Baukastensystem geeignet sind, lässt sich die komplette Maschine montieren. Und wenn auch die Schweizer mit den Arbeitsergebnissen noch lange nicht zufrieden sind, so darf daraus aber keinesfalls ein falscher Eindruck entstehen. Die Positionsabweichungen des Werkzeuges im Arbeitsraum und die Winkelabweichungen beim Schwenken der Arbeitsspindel sind keinesfalls systembedingt, sondern mechanische Eigenheiten dieses Prototypen. Wobei der Bau von Kugelgelenken mit ¿Werkzeugmaschinenqualitäten¿ auch heute noch eine Herausforderung der ganz besonderen Art ist.

Das Konzept selbst, das stellt also niemand mehr ernsthaft in Frage. Weitere Arbeiten beschäftigen sich deshalb ausschließlich mit Kalibrierung und Optimierung. Und da die Universitäten schon seit Jahren eng mit der Industrie zusammen arbeiten, sind schon bald Studien mit Seriencharakter zu erwarten.

Mal sehen, was METAV und AMB schon zeigen... Und wenn Sie die Schweizer Studien mal näher kennen lernen möchten, dann empfehle ich das Internet: http://www.iwf.bepr.ethz.ch/projekte/hexa/home_dt/index_dt.html bringt Sie direkt zu Hexapoden.

Dieter Capelle / Juni 2000

Links: http://www.schneeberger-de.de, http://www.heidenhain.de, http://www.mikron-tg.com