Anwendungspotenzial gelenkig gekoppelter Antriebs- und Führungselemente zur Steigerung von Bewegungsdynamik und -genauigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269296582

Bei spanenden Werkzeugmaschinen führt der Trend zur Dynamiksteigerung sowohl bei konventionellen Vorschubachsen als auch bei Maschinen zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) zu im Verhältnis zu den Prozesskräften deutlich höheren Trägheitskräften infolge der gesteigerten Dynamik. Einen Lösungsansatz für diese Dynamiksteigerung stellt die Verwendung mehrerer Antriebe pro Achsrichtung (Parallelisierung) dar. Profilschienenführungen und Kugelgewindetriebe haben sich als standardisierte Maschi-nenelemente in vielen Bereichen des Maschinenbaus, insbesondere des Werkzeug-maschinenbaus, als Standardlösung für Führung und Antrieb an Linearachsen etabliert. Sie sind so konstruiert, dass sie nur Bewegungen in Führungsrichtung bzw. in Vorschubrichtung und um die Vorschubachse zulassen. Bei ihrer Kombination zu einer Vorschubachse tritt somit bereits bei kleinen Form- und/oder Lageabweichungen der Elemente zueinander eine mechanische Verspannung auf. Um eine hohe Bewegungsqualität zu sichern und Verspannungen infolge der mechanischen Überbestimmung zu mindern, sind sehr enge Fertigungs- und Montagetoleranzen einzuhalten. Der Eingrenzung dieser Fertigungs- und Montagetoleranzen sind jedoch physikalisch-technische und/oder wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zur Verringerung der Bewegungsfehler besteht die Möglichkeit der steuerungsseitigen Korrektur, für die parallelisierte Antriebsachsen gezielt eingesetzt werden können. Voraussetzung hierfür ist eine gelenkige Strukturanbindung der Antriebs- und Führungselemente. Bei Maschinen mit parallelisierten Antrieben, wie beispielsweise bei Servospindelpressen mit mehreren Spindeln oder Werkzeugmaschinen mit Gantry-Antrieben, tritt eine mechanische Überbestimmung zusätzlich auch in Bewegungsrichtung auf. Eine mögliche Lösung für dieses Problem stellt auch hier die Einbringung gelenkiger Koppelstellen in die Struktur dar. Gegenstand des beantragten Forschungsprojektes ist daher die grundlegende und systematische Untersuchung des Potentials von Parallelantrieben mit gelenkiger Anbindung der Antriebs- und Führungselemente zur Dynamiksteigerung durch mechanische Entkopplung der parallelen Antriebsachsen sowie zur Genauigkeitssteigerung durch Korrektur von Bewegungsfehlern. Dazu werden in der digitalen Blocksimulation parametrische Maschinenmodelle mit Parallelantrieben für repräsentative Achskonfigurationen sowie Strukturdimensionen erstellt. Mittels dieser Modelle, bestehend aus Antrieben, Reglern und elastischen Strukturbaugruppen, erfolgt unter systematischer Variation der Haupteinflussgrößen eine simulative Analyse mit dem Ziel, die Anforderungen und Grenzen des Einsatzes von Parallelantrieben mit einer gelenkigen Anbindung der Antriebs- und Führungselemente zur Entkopplung und Korrektur zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Jens Müller