08.07.2015

Casestudy: GIMA Machines moderniseert werktuigmachine met HPLS

Zeker wanneer het om speciale toepassingen gaat, rendeert het om oudere werktuigmachines te moderniseren en te upgraden. Zo nam GIMA Machines uit Aartselaar onlangs een oude Graffenstaden onder handen. De freesmachine werd omgevormd van een conventionele tot een CNC-machine en kreeg een compleet nieuwe aandrijving.

GIMA Machines is gespecialiseerd in retrofits van verspanende werktuigmachines. Daarbij worden bestaande, vaak gespecialiseerde machines gemoderniseerd en aangepast aan de hedendaagse stand van de techniek.

“In veel gevallen wil men de precisie van een machine verbeteren”, legt managing director Stef Bruynseels uit. “Een andere aanleiding kan zijn dat men de snelheid wil verhogen. Door de sturing, de aandrijving en mechanische delen te vernieuwen kan de performantie enorm verbeterd worden, aan een kost die vele malen lager ligt dan de aanschaf van een nieuwe machine.”

Dat verhaal speelde ook bij de Graffenstaden, een horizontale freesmachine bij een Franse gieterij met verspaningsmogelijkheden van zeer grote onderdelen tot 350 ton. De machine maakt tandwielen, trommels en andere mechanische componenten die in de mijnontginning gebruikt worden. Het is een verhaal van grote afmetingen: de Graffenstaden is een freesmachine van het floor type waarbij de X-as beweegt over een afstand van maar liefst 8 meter. De verticale Y-as heeft een lengte van 3,4 m en de Z-as is nog eens 1,2 m. De gereedschappen die in de machine gebruikt worden, hebben een ISO conus 60. Om de omvang daarvan in perspectief te plaatsen: de kracht waarmee de gereedschapshouder de frezen aantrekt, bedraagt maar liefst 3,4 ton. Het is een machine waarvan je niet zomaar eventjes een nieuw exemplaar koopt wanneer je de indruk hebt dat de performantie beter kan.

Van conventioneel naar CNC-gestuurd
“De oude machine werd nog volledig conventioneel bediend”, zegt Stef Bruynseels. “De operator had een reeks schakelaars waarmee elke lineaire beweging manueel gestart en gestopt werd. Er was één asynchrone motor en een hele mechaniek om daarmee alle bewegingen aan te drijven. In de retrofit heeft de machine een CNC-sturing gekregen en servomotoren op de verschillende assen. Hierdoor programmeert men nu contouren die vroeger niet gerealiseerd konden worden en werkt men ook veel efficiënter. Wanneer in het verleden een reeks gaten geboord moest worden in een cirkel, moesten alle coördinaten uitgerekend en manueel ingesteld worden. Nu kan de machine dit volledig autonoom afwerken.”

Een apart aspect hierbij is dat het operatorplatform van de machine aan de kolom bevestigd is en met de Y-as mee naar boven beweegt. Op deze manier kan de operator volgen wat er met de machine gebeurt. Het nadeel hiervan was dat de bewerking moest stoppen wanneer de operator de machine wou verlaten, omdat de Y-as daarvoor helemaal naar beneden moest. In de retrofit heeft de cabine een aparte hydraulische aandrijving gekregen zodat de freeskop en de cabine los van elkaar kunnen bewegen.

Master en moment-slave
Wat maakt echter het verschil in deze retrofit? Dit is de nieuwe aandrijving van de assen en de spindel. Voor de X-as werd gekozen voor een rondsel-tandheugel aandrijving van WITTENSTEIN, die dubbel uitgevoerd werd om een voorspanmoment te realiseren en dus een hogere precisie te bekomen. Dat wil zeggen dat er twee identieke vertragingskasten zijn die op dezelfde tandheugel werken, waarbij de sturing de ene als master en de andere als moment-slave behandelt. Het eerste rondsel zorgt voor de gewenste verplaatsing en positionering. Het tweede drukt in de andere richting, zodat de tandflankspeling steeds weggedrukt wordt. Op die manier kan men garanderen dat er geen speling optreedt die bij omkering van de richting tot fouten zou kunnen leiden. Wanneer de richting draait, wordt de slave, die al tegen een tand aan het drukken was, master en kan die zonder speling de beweging in de andere richting op gang brengen. Daarbovenop werd een lengtemeetsysteem geplaatst met een referentiemeting om de 40mm zodat de sturing constant feedback krijgt over de reële positionering van de kolom. Het hele concept zorgt ervoor dat de gewenste nauwkeurigheid van ≤0,02mm gehaald wordt, over een totale lengte van 8 meter.

Speling en stijfheid perfect beheerd
Tandheugel, rondsels en transmissie (RP080S-MA3-154-3K0) vormen in een dergelijke applicatie één geheel dat door WITTENSTEIN berekend wordt in functie van de gewenste specificaties voor de lineaire beweging. In dit geval werd een ijlgang gevraagd van 10m/min en een precisie van 2 honderdste. De gekozen componenten zijn zo op elkaar afgestemd dat speling, stijfheid en dergelijke perfect beheerd worden. Het is trouwens omwille van de gewenste stijfheid dat hier voor een aandrijving via tandheugel en rondsels gekozen werd. Met een kogelspindel zou het bijna onmogelijk zijn om tot dezelfde specificaties te komen, nog los van het feit dat een spindel van meer dan 10 meter nauwelijks te hanteren is.

De tandheugel is er een van module 8 met schuinvertanding. Die schuine tanden geven een iets groter contactoppervlak en zorgen er ook voor dat de aandrijving minder lawaai maakt. Dat bij de retrofit van een module 10 kon overgestapt worden op de iets lichtere module 8 is te danken aan de nieuwe productietechnieken van WITTENSTEIN waarbij de tandheugels in een koolstofrijke omgeving gehard worden. Hier komt ook bij dat het koppel van de aandrijving dankzij de moderne sturing begrensd kan worden.

Toch blijft module 8 een impressionant gegeven, wat ook nodig is om een kolom van meer dan 20 ton te verplaatsen. Omwille van de grote krachten die in deze toepassing nodig zijn werd er trouwens gekozen om de tandheugels die klassiek om de 125 mm vastgeschroefd worden, nu om de 62,5 mm vast te schroeven.

3 x 1 = 1 – Het systeem is meer dan de som van zijn onderdelen
De Graffenstaden machine draait op volle toeren dankzij een sterk staaltje lineaire technologie, nl. het High Performance Lineair Systeem (HPLS) van WITTENSTEIN. Dit lineair aandrijfsysteem bestaat uit drie elementen: een gestroomlijnde servo-vertragingskast, passend rondsel en case-hardened tandheugels. Ze vormen één geheel, waardoor geen van de afzonderlijke onderdelen een beperking geeft op de technische specificaties. Daar komt ook nog bij dat de gebruiker van meer ontwerpvrijheid geniet dankzij de geïntegreerde sleufgaten in de flens van de vertragingskast. Omslachtige en dure oplossingen zoals tussenplaten of excenteroplossingen behoren zo tot het verleden. GIMA Machines kon het volledige systeem bij één leverancier terugvinden met als voordeel de ondersteuning bij de berekeningen.

Efficiënter werken bij GIMA Machines
Het resultaat van de hele operatie is dat de machine van GIMA Machines nu aan een veel hogere snelheid werkt en een veel hogere precisie haalt dan voorheen. Door gebruik te maken van speciale olieluchtgesmeerde lagers werd ook de snelheid van de spindel opgedreven van 600 naar 1500 toeren/min. En er is het CNC-verhaal, waardoor men met contouren kan werken en een hogere efficiëntie haalt. Toch kon wat goed was ook behouden blijven, zoals de fundering en het frame van de machine en de ISO60 gereedschappen. De oude Graffenstaden is dankzij deze geslaagde retrofit aan zijn tweede jeugd begonnen.

Interesting Articles