Die Drehzahlregelung von Maschinen spielt eine zentrale Rolle in der Metallbearbeitung und anderen technischen Bereichen. Ob es sich um Bohrmaschinen, Fräsmaschinen oder andere Werkzeuge handelt – die Art und Weise, wie die Drehzahl gesteuert wird, beeinflusst die Leistungsfähigkeit und das Ergebnis der Arbeit maßgeblich. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung wurde die mechanische Regelung zunehmend durch elektronische Systeme ersetzt. Doch nicht immer führt dieser Fortschritt zu besseren Ergebnissen, wie ein aktuelles Beispiel aus der CNC-Bearbeitung eindrucksvoll zeigt. Die Geschichte der mechanischen Drehzahlregelung ist lang und solider praktischer Erfahrung gewachsen.
Traditionelle Bohrpressen oder manuelle Fräsmaschinen verwenden eine Kombination aus Riemen und verschiedenen (meist starren) Riemenscheiben oder Zahnrädern, um die Drehzahl des Motors auf die für den Arbeitsprozess optimale Geschwindigkeit zu reduzieren. Obwohl dieses System heutzutage simpel und altmodisch erscheint, besitzt es entscheidende Vorteile, die in modernen elektronischen Steuerungen teilweise verloren gehen. Ein entscheidender Faktor dabei ist das Verhältnis von Drehzahl, Drehmoment und Leistung. Klassische mechanische Getriebe arbeiten mit dem Prinzip der Übersetzung: Die Motorwelle dreht sich mit einer hohen Geschwindigkeit, die über den Riemen auf eine langsamere, aber kraftvollere Drehung beim Werkzeug übertragen wird. Sollte beispielsweise der Motor mit 3600 Umdrehungen pro Minute (U/min) laufen, erlaubt die Übersetzung dem Bohrer, sich langsamer zu drehen, etwa mit 250 U/min, während gleichzeitig das Drehmoment, also die Kraft, mit der das Werkzeug rotiert, proportional zunimmt.
Da Leistung das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment ist, bleibt die Leistung im Idealfall gleich – nur die Verteilung zwischen Drehzahl und Kraft passt sich an die Anforderungen an. Diese hohe Verfügbarkeit von Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen macht mechanische Getriebesysteme besonders robust und leistungsfähig für anspruchsvolle Arbeiten wie das tiefe Bohren großer Stahlstücke. Gleichzeitig sind sie relativ einfach in Aufbau und Wartung, wenn auch der Umbau der Übersetzung für eine andere Drehzahl oft mit Aufwand verbunden ist, da die Riemen beispielsweise gelöst, umgelegt und neu gespannt werden müssen. Ein weiteres mechanisches System, das versucht, die Nachteile der festen Übersetzung zu mildern, ist der sogenannte stufenlose oder variable mechanische Geschwindigkeitskopf. Dieses komplexe System basiert ebenfalls auf Riemen und Abtrieben, jedoch in einer variablen Konfiguration, bei der durch Veränderung der Belagposition auf konischen Riemenscheiben kontinuierlich die Übersetzung angepasst werden kann.
Dies ermöglicht eine genauere und flexiblere Anpassung der Drehzahl, ohne auf eine fest eingestellte Übersetzung beschränkt zu sein. Solche Systeme erfreuen sich besonderer Beliebtheit bei manuellen Maschinen, auch wenn sie relativ schwer, wartungsintensiv und teils ungenau im Vergleich zu elektronischen Regelungen sind. Mit dem Siegeszug der computergestützten Steuerungen (CNC) und der zunehmenden Nachfrage nach präzisen, flexiblen und automatisierten Prozessen hat sich die elektronische Drehzahlregelung etabliert. Im Kern steht hier die variable Frequenzregelung (VFD) bei Wechselstrommotoren. Statt die Drehzahl mechanisch mittels Übersetzungen zu verändern, variiert ein Frequenzumrichter die Frequenz der elektrischen Versorgung, verändert somit direkt die Motordrehzahl und kann diese sehr exakt steuerbar machen.
Elektronische Drehzahlregelungen bieten viele Vorteile: Es ist keine Mechanik zum Umschalten von Übersetzungen mehr nötig, die Einstellungen lassen sich bequem über Software ändern, und die Drehzahl kann präzise auf die Anforderungen angepasst werden. Gerade bei CNC-Maschinen ist das ein unschätzbarer Fortschritt, der eine hohe Automatisierung ermöglicht. Doch diese Erfindung bringt auch neue Herausforderungen mit sich, die oft übersehen werden. Im Gegensatz zu mechanischen Übersetzungen ändert die elektronische Steuerung die Motordrehzahl, ohne das Drehmoment proportional anzupassen. Während beim mechanischen System die Drehzahl sinkt und das Drehmoment dadurch steigt, bleibt bei der frequenzgesteuerten Maschine das Drehmoment konstant, auch wenn die Drehzahl reduziert wird.
Dies bedeutet: Die Leistung sinkt proportional mit der Drehzahl. Im praktischen Beispiel bedeutet das, dass eine leistungsstarker 10-PS-Motor, dessen Drehzahl elektronisch auf etwa ein Vierzehntel seiner Maximaldrehzahl reduziert wurde, auch nur noch einen Bruchteil seiner Leistung zur Verfügung stellt – etwa 0,7 PS. Für das Bohren eines großen Lochs in dickem Stahl fehlt somit die notwendige Kraft trotz des ursprünglich hochmotorisierten Aggregats. Im Gegensatz dazu bringt die ältere Maschine mit mechanischer Übersetzung bei gleicher Ausgangsleistung auch bei niedrigen Drehzahlen die nötige Kraft auf das Werkzeug. Diese Tatsache führt dazu, dass CNC-Maschinen deutlich übermotorisiert sind, um trotz variabler Drehzahlen eine ausreichende Leistung auch bei langsamen Arbeitsgeschwindigkeiten bereitzustellen.
Die Motoren sind häufig viel größer dimensioniert als bei manuellen Maschinen – nicht, weil grundlegend mehr Leistung nötig wäre, sondern um die Drehmomentverluste der elektronischen Steuerung zu kompensieren. Dieses grundlegende Dilemma bei der elektronischen Geschwindigkeitsteuerung hat zudem Konsequenzen für die Auswahl von Werkzeugmaschinen. So sind variabel drehzahlregelbare Bohrmaschinen, die auf elektronischen Steuerungen basieren, im niedrigen Drehzahlbereich häufig deutlich leistungsschwächer als ihre mechanisch geregelten Pendants. Anwender, die beispielsweise große Bohrer oder Fräswerkzeuge bei geringen Drehzahlen mit ausreichend Drehmoment betreiben wollen, greifen deshalb oft bewusst auf bewährte mechanische Lösungen zurück. Ein weiterer Aspekt, der diesen Unterschied verdeutlicht, ist der Vergleich zu Gleichstrommotoren wie sie bei Handwerkzeugen verwendet werden, beispielsweise FlexShafts oder Nähmaschinen.
Hier wird die Geschwindigkeit typischerweise über eine Spannungsregelung gesteuert, wiederum reduziert sich die Motordrehzahl bei niedrigerer Spannung, ohne dass das Drehmoment erhöht wird. Das führt dazu, dass auch diese Geräte bei niedrigerer Geschwindigkeit weniger Leistung und somit Kraft abgeben – vergleichbar mit dem Effekt bei elektronischer Steuerung von Wechselstrommotoren. Die Erkenntnis daraus lautet, dass modernste Technik nicht automatisch eine bessere Lösung bedeutet. Die alte mechanische Drehzahlregelung besitzt nach wie vor valide Vorteile, die besonders bei schweren und langsamen Bohr- und Fräsarbeiten zur Geltung kommen. Die einfache Tatsache, dass bei mechanischer Übersetzung das Drehmoment bei reduzierter Drehzahl ansteigt und somit die Leistung konstant bleibt, ist ein physikalisch begründeter Vorteil.
Bei elektronischer Steuerung gilt dies jedoch nicht. Für Anwender in der Metallbearbeitung heißt das, dass sie im Auswahlprozess von Maschinen und Werkzeugen stets die Art der Drehzahlregelung und ihre physikalischen Konsequenzen berücksichtigen sollten. Ein zu stark übermotorisierter CNC-Fräser mit elektronischer Regelung mag auf dem Papier enorme Leistung bieten, kann jedoch in bestimmten Schnittsituationen mechanischen Konkurrenten unterlegen sein. Zudem ist bei der Planung von Werkstücken, Prozessparametern und Maschinenauslastung ein Verständnis für die zugrundeliegenden Regelungsprinzipien essenziell, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Abschließend zeigt dieses Thema eine wichtige Lektion über das Verhältnis von Fortschritt und Bewährtem: Innovationen bergen viele Vorteile, gehen aber stets mit Kompromissen einher.
Um optimale Lösungen zu finden, ist es daher ratsam, den Kontext, die Anwendung und die physikalischen Rahmenbedingungen genau zu verstehen, anstatt rein auf den neuesten technischen Trend zu setzen. Dies ist besonders in Branchen wie der Metallbearbeitung wahr, wo Leistung, Präzision und Zuverlässigkeit in hohem Maße auf technischen Details basieren. Der Vergleich zwischen mechanischer und elektronischer Drehzahlregelung illustriert darüber hinaus, wie unterschiedliche technische Ansätze zu ähnlichen Ergebnissen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen führen und wie ein tieferes technisches Verständnis zu besseren Entscheidungen bei der Maschinenauswahl und -bedienung beiträgt.
