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Nach nur einem Jahr Entwicklungszeit wurde die neue Leiterplattenbohr- und -fräsmaschine DRB 610 1+1 auf der Productronica 2013 präsentiert.
Absolutes Längenmessgerät LIC 4100 in offener Bauform zeichnet sich neben der absoluten Positionserfassung durch eine hohe Auflösung aus.
Uwe Lenz (rechts) betont im Gespräch mit den Heidenhain-Mitarbeitern Markus Hanelt (links) und Reinhard Kuhn, dass „die Leiterplattenplattenbearbeitung immer mehr 3D wird“.
Innenraum der DRB 610 1+1: Rechts sind die beiden Spindeln zu sehen, links mittig der Stator des Linearmotors sowie das zugehörige Band des Messgeräts LIC 4100 für die x-Achse.
Luftgelagerte Spindel mit seitlich angebautem Messgerät LIC 4100 für die Z-Achse.

Einer der Technologietreiber bei Leiterplattenbohr- und -fräsmaschinen ist Ernst Lenz Maschinenbau. Der Hersteller setzte als Erster erfolgreich Linearmotoren bei Leiterplattenbohrmaschinen ein – das war im Jahr 1994. Im Jahr 1996 erfolgte die Umstellung von geschlossenen Messgeräten auf offene Messgeräte von Heidenhain. Die Linearmotoren sorgen bei der Leiterplattenbohr- und -fräsmaschine DRB 610 1+1 für das hochdynamische Verfahren der zwei Spindeln. Für die präzise Erfassung der Position und Regelung der Verfahrgeschwindigkeit baut der Maschinenbauer dabei auf die offenen absoluten Längenmessgeräte LIC 4100 von Heidenhain.

Maschinendynamik mittels offenem Längenmessgerät

Die komplett neu entwickelte DRB 610 1+1 zeichnet dabei einen sehr kleinen Aufstellungsbereich von 1410 mm x 1620 mm bei einem Arbeitsbereich von 610 mm x 650 mm aus. Ein weiterer Vorteil der Maschine ist der große, seitlich in die Maschine integrierte Werkzeugriemen mit 2400 Werkzeugen. Der Werkzeugwechsel erfolgt mittels eines separaten Riemenantriebs. Die vielen Werkzeuge werden somit nicht mehr wie bisher mit der x-Achse verfahren, die Achse somit stark entlastet. Hierdurch konnten ein kleinerer Antrieb und somit eine kompaktere Maschine realisiert werden. „Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bearbeiter Werkzeuge ersetzen kann, während die Maschine arbeitet“, erläutert Uwe Lenz, Geschäftsführer von Lenz. Der mit zwei verschiedenen Spindeln arbeitende Vollautomat (die Leiterplatten werden automatisch zu- und abgeführt) beherrscht alle heute gängigen Varianten des Tiefenbohrens und -fräsens.

Für höchste Produktivität beim Bohren kommen luftgelagerte Spindeln mit Drehzahlen von bis zu 300.000 min-1 zum Einsatz. Dadurch ist es möglich, Bohrungen von bis zu 50 µm in der Tiefe bei einer Positioniergenauigkeit von ±3 µm durchzuführen. Mit der wälzgelagerten Spindel werden die größeren Bohrungen von 1,5 bis 6,35 mm sowie die Fräsarbeiten realisiert. Auch beim Fräsen werden dabei hohe Genauigkeiten von ± 10 µm in der Tiefe realisiert. Uwe Lenz ergänzt: „Die Spindeln arbeiten dabei nicht unabhängig voneinander, sondern nacheinander. Daher auch der Namenszusatz 1+1.“

Aber nicht allein die Drehzahlen der Spindeln beeindrucken, auch die Beschleunigungen für die X-, Y- und Z-Achse sind im sehr hohen Bereich angesiedelt. „Um die bis zu 1.000 Bohrungen pro Minute zu realisieren, werden die X- und Y-Achse mit nahezu 2 g und die Z-Achse sogar über 3 g beschleunigt“, betont Uwe Lenz. Damit bei diesen hohen Beschleunigungen die Linearmotoren noch genau verfahren werden können, benötigt die eingesetzte CNC 84.00 von Sieb & Meyer exakte, schnell zur Verfügung gestellte Positionswerte. Für das hochgenaue Positionieren der X-, Y- und Z-Achse kommt daher das Absolutmessgerät LIC 4100 von Heidenhain zum Einsatz. Die CNC 84.00 wurde speziell zur Steuerung von Bohrmaschinen in der Leiterplattenindustrie entwickelt. Die leistungsstarke Soft- und Hardware ermöglicht höchste Genauigkeit, Produktivität sowie Verfügbarkeit der Bohrmaschine in der Produktion.

Betriebssicherheit durch optimierte Abtastung

Für eine hohe Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen sind Längenmessgeräte zur Lagerückmeldung unerlässlich. Sie erfassen den Verfahrweg der Vorschubachse direkt und unmittelbar. Das Messgerät LIC 4100 in offener Bauform zeichnet sich neben der absoluten Positionserfassung durch die hohe Auflösung von 1 nm und die schnelle, rein serielle Schnittstelle EnDat 2.2 aus. Der Einsatz absoluter Messgeräte, bei denen die aktuelle Position unmittelbar nach dem Einschalten zur Verfügung steht, bietet eine hohe technologische Sicherheit, da auf das sonst übliche Referenzfahren verzichtet werden kann. Besonders für den Einsatz an Direktantrieben sind absolute Messgeräte vorteilhaft. Beim Einschalten ist mit der aktuellen Position auch der Kommutierungsoffset sofort bekannt und der Motor kann umgehend normal bestromt und im Regelkreis gehalten werden. Kritische Betriebszustände, wie beim Einschalten einer direktangetriebenen Vertikalachse oder bei Freifahren nach Not-Aus, werden sicher beherrscht. Die sehr hohe Qualität der Messsignale verbessert dabei die Geschwindigkeitsregelung und die Positionierung in hochdynamischen Anwendungen.

„Die Messgeräte sind dank spezieller Abtasttechnologien verschmutzungsunempfindlich und stellen somit eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicher sowie eine hohe Verfahrgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Auflösung bis 1 nm“, erläutert Markus Hanelt, Verkaufsleiter Region West bei Heidenhain. Um diese extrem kleinen Messschritte zu erzielen, werden die Messsignale der Inkrementalspur sehr hoch interpoliert und mit der Absolutspur zu einer absoluten Positionsinformation verknüpft. Die hohe Auflösung ermöglicht hohe Regelkreisverstärkungen im Antriebsverstärker und somit eine exakte Regelung und Positionierung auch bei sehr geringen Verfahrgeschwindigkeiten. „Ein weiterer Vorteil der LIC 4100 ist der hohe zulässige Temperaturbereich von -10 bis +70 °C“, ergänzt Markus Hanelt. Die Messgeräte stehen in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung: Für höchste Temperaturstabilität mit Zerodur-Glaskeramik, über Glas bis hin zu Bandlösungen bis 28.440 mm.

Das neu entwickelte Abtastverfahren bietet eine hohe Betriebssicherheit. Die quasi planar ausgeführte Teilungsstruktur, die im Heidenhain-Metallur-Verfahren aufgebracht wird, ist darüber hinaus sehr tolerant gegen Verschmutzungen und trägt somit wesentlich zur Zuverlässigkeit der Messgeräte bei. Die hohe Kantenschärfe und die Homogenität der Teilung haben nur kleinste Interpolationsabweichungen im Nanometerbereich zur Folge und ermöglichen ein gutes Betriebsverhalten und hohe Regelverstärkungen des Linearantriebs. Auch an die Nachrüstung wurde bei der Konzeption des Messgeräts gedacht. „So entsprechen die Abmessungen des LIC 4100 dem seit Langem am Markt erfolgreich etablierten inkrementalen Längenmessgerät Lida 400 aus unserem Haus“, erläutert Reinhard Kuhn, Senior Produkt Manager von Heidenhain.