Untersuchungen zu den Grenzwerten des Einsatzes adaptronischer Komponenten zur Impulsentkopplung von linearmotorgetriebenen Werkzeugmaschinenachsen unter veränderlichen strukturmechanischen Umgebungsbedingungen
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fortschrittliche Bearbeitungstechnologien, z.B. im Werkzeug- und Formenbau, basieren auf hochdynamischen Bewegungsprofilen. Besonders bei kurzen Verfahrbewegungen mit häufigem Richtungswechsel besitzen moderne Direktantriebe das Potenzial, die notwendigen Vortriebskräfte zur Änderung der Beschleunigung in sehr kurzer Zeit auf und abzubauen. Gleichzeitig muss aber die Maschinenstruktur in der Lage sein, die entstehenden dynamischen Reaktionskräfte aufzunehmen und nicht an tragende und genauigkeitsbestimmende Baugruppen weiterzuleiten. Die Verkopplung von Achsen in modernen Strukturkonzepten, z.B. im Gantry-Verbund oder bei Parallelstrukturen, führt bereits unabhängig von schwankenden Prozesszuständen zu veränderlichen strukturmechanischen Bedingungen während des Bewegungsvorgangs, die eine Adaptierung der Impulsentkopplung erfordern. Ein Lösungsansatz ist eine adaptronische Baugruppe mit selbstoptimierender Feder/Dämpfer-Charakteristik zur Entkopplung zwischen Antrieb und tragender Struktur. Zielstellung ist dabei ein kompakter Aufbau mit Verzicht auf zusätzliche Führungssysteme bei integrierter Sensor-Aktor-Funktion. Für diese Baugruppe werden konstruktive Lösungsmöglichkeiten, Einsatzparameter und Grenzwerte ermittelt. Die erreichbare Funktionalität wird mit einem alternativen Konzept, der adaptiven Parametrierung der Antriebsregelung, verglichen. Damit können die Grenzwerte für den Einsatz adaptronischer Komponenten zur Impulsentkopplung bestimmt werden. Im Hinblick auf die derzeit noch sehr hohen Kosten zur Umsetzung der Impulsentkopplung in Werkzeugmaschinen-Achsen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Dies betrifft beispielsweise die aufwändige Lagerung des Sekundärteilschlittens mittels Kugelumlaufeinheiten. Es gilt zu untersuchen wie sich dieses System insofern vereinfachen lässt, dass auf die aufwändigen Lagerungselemente verzichtet werden kann. Eine weitere Systemfunktionalität, welche sich negativ auf die Kosten auswirkt ist die Rotorlagenachführung, also die Verwendung eines Zusatzmesssystems zur Ermittlung der Relativposition von Primär- und Sekundärteil. Hierbei muss einerseits die Verwendung anderer Messprinzipien, wie Z.B Hall-Gebern untersucht werden und andererseits muss die Notwendigkeit des Zusatzmesssystems in Frage gestellt werden. Bei Synchronantrieben sind Rotorlagefehler von mehreren Grad (elektrisch) statthaft, ohne dass die Vorschubkraft wesentlich herabgesetzt wird. Dass heißt, dass Linearantriebe mit großen Polpaarweiten mitunter Sekundärteilverschiebungen von mehreren Millimetern verkraften ohne dass sich dies negativ auf die Dynamik auswirkt. Interessant ist dies vor allem für Antriebsachsen, deren Gestell-Eigenfrequenz im oberen Bereich (50-100 Hz) liegt, da die hierfür notwendige Entkopplungssteifigkeit sehr hoch ist und das Sekundärteil sich somit nur um wenige Millimeter verlagert. Die Systemkosten einer konsequent auf die Impulsentkopplung ausgelegten Linearachse könnten auf diesem Wege drastisch reduziert werden. Das Anwendungsfeld für impulsentkoppelte Antriebe umfasst nahezu alle Sparten der Direkten - Antriebstechnik. Neben Linearachsen Mit Lineardirektantrieben weisen auch Rundtisch oder Schwenkachsen ein hohes Potential zur Verringerung der Gestellschwingungen auf. Das Anwendungsfeld der adaptronischen Impulsentkopplung beschränkt sich auf Maschinenstrukturen deren strukturmechanischen Umgebungsbedingungen sich ändern und somit eine Änderung der Anbindungssteifigkeit erfordern. Beispiele hierfür wären Seitenständermaschinen und Portalmaschinen, sowohl für die Fräsbearbeitung, als auch für Laserschneidanlagen und Handlingeinrichtungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modellbasierte Auslegung von Koppelelementen. Antriebstechnik, Heft 11/2004, S.70-74
Neugebauer, R.; Riedel M.; Drossel, W.-G.
- Verringerung der Gestellanregung durch Lineardirektantriebe mittels Impulskompensation. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (2005), Nr. 11, Jahrgang 100
Großmann, K. ; Müller, J.
- Dynamikerhöhung durch Entkopplung von Direktantrieben - Anwendung und Optimierung von Entkoppelgliedern für direkt angetriebene Vorschubsysteme. Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, VDI-Berichte 1963, 27. und 28. September 2006, Böblingen
Koch, T.; Drossel, W.-G.
- Schutzrecht DE 102004057062 AI (22.06.2006)
Großmann, K. ; Müller, J. ; Jungnickel, G. ; Mühl, A.
- Numerische Simulation des Aktivierungsverhaltens von thermischen Formgedächtnislegierzungen. Model Based Design Forum; Darmstadt, 26.05.2009
Pagel, K.; Bucht, A., Jung, J.
- Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen. TU Dresden, Dissertation, 2009, ISBN 978-3-86780-109-6
Müller, J.
