Kombinierte Ultraschall-Levitations-Magnetführung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurde erstmals die Technologiekombination aus Ultraschall-Levitation und magnetischen Lagerungen für den Einsatz als Führungssystem in Werkzeugmaschinen qualifiziert. Verschiedene Varianten der kombinierten Aktorik wurden anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen untersucht und deren Verhalten anhand zweier Prototypen von Führungssystemen evaluiert. Die Prototypen zeigen die im Antrag genannten erwarteten Eigenschaften. Die Systeme sind selbst vorspannend, selbst stabilisierend, umgriff-, medien-, reibungs- und verschleißfrei. Für Systeme, welche die Wirklinien der beiden Technologiekombinationen in einem gemeinsamen Aktor kombinieren, lässt sich zudem die erwartete Einstellbarkeit der Lagersteifigkeit und damit der Strukturdynamik mit verhältnismäßig einfachen, empirisch eingestellten PID-Reglern erzeugen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden verschiedene Varianten von in fünf Freiheitsgraden einstellbaren Linearführungen untersucht. Die sehr geringen Arbeitsluftspalte der Ultraschallaktoren stellen hohe Anforderungen an die Form- und Lagetoleranzen der Aktoren und ihrer Gegenflächen. Die realisierte Variante b erfüllte die Anforderungen, insbesondere bezüglich der Struktursteifigkeit, am besten. Das realisierte Führungssystem verwendet in drei Achsen eine, analog zum Verhalten der Aktorkombination, selbststabilisierende Charakteristik. Die zwei weiteren Achsrichtungen sind von der Charakteristik konventioneller Magnetlager dominiert. Die dadurch erzeugte Vereinfachung der Fertigung, Verringerung der Schlittenmasse und damit Erhöhung der zusätzlichen Nutzlast wird von einer erhöhten Komplexität der zur Stabilisierung der Achse notwendigen Regelung erkauft. Dieser Zusammenhang ist auch in den zur jeweiligen Achsrichtung gehörenden Nachgiebigkeitsfrequenzgängen zu erkennen: Das Planarsystem und das Linearführungssystem besitzen in weiten Frequenzbereichen eine Nachgiebigkeit von 50 µm/kN und weniger (jeweils in z-Richtung). Dem gegenüber wird die Nachgiebigkeit der vorwiegend magnetisch gelagerten FHG von der Charakteristik des Regelungssystems geprägt. Es ist zu erwarten, dass sich die Steifigkeit für alle Achsen durch den Einsatz komplexerer Regelungsverfahren weiter steigern lässt. Darüber hinaus sind die Magnetaktoren für das Stellen von Kräften mit einer hohen Dynamik bis in einen Bereich von 4 kHz vorbereitet. Ein Schwerpunkt weiterer Arbeiten sollte daher in der Erforschung von Methoden liegen, welche die verfügbare Stelldynamik nutzen, um z.B. Struktur und Ratterschwingungen zu dämpfen und damit die Bearbeitungsgenauigkeit von Präzisionsmaschen weiter zu steigern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015) Model-based Feedback Control of an Ultrasonic Transducer for Ultrasonic Assisted Turning Using a Novel Digital Controller. Physics Procedia 70:63-67
Ille I, Twiefel J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.043) - (2016) Application of Combined Ultrasonic-Levitation-Magnetic-Actuators for Machine Guideways. 15th International Conference on New Actuators
Denkena B, Reiners J, Wallaschek J, Twiefel J, Ille I
- (2016) Investigation on the Dynamic Behavior of an Ultrasonic- Levitation Magnetic Guiding System. Advanced Material Research 1140:377-383
Denkena B, Reiners J
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.377) - (2016) Small- and Large-Signal Characterization Methods for Nonlinear High Power Ultrasonic Transducers. IWPMA & ECMD 2016
Twiefel J, Ille I
