Adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit auf Basis neuer Aktoren für aktive Führungssysteme
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung des Projektes war die Erarbeitung der theoretischen Grundlagen für eine adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit, die einen hohen Systemintegrationsgrad aufweist und sich flexibel an Führungsaufgaben anpassen lässt. Es wurde ein adaptronisches System entwickelt, das es ermöglicht, gezielt in die Regelung hydrostatischer Führungssysteme einzugreifen und damit sowohl Führungsbahnfehler als auch Prozess- und Störkräfte auszugleichen und somit eine Genauigkeitssteigerung von 3- und 4-achsigen Werkzeugmaschinen durch eine intelligente Niveauregulierung des Maschinenschlittens zu erzielen. Darüber hinaus stand die multifunktionale Nutzung von piezoelektrischen Wandlern im Fokus des Projektes. Der gleichzeitige Betrieb der piezoelektrischen Wandler als Sensor und als Aktor bietet den Vorteil, auf zusätzliche externe Messsysteme zur Erfassung der Spalthöhe verzichten zu können und somit einen hohen Grad an Funktions- und Systemintegration zu erreichen und die Kosten für das Gesamtsystem deutlich zu reduzieren. Ausgehend von der ersten prototypischen Realisierung der Drucktascheneinheit wurde das bekannte Konzept überarbeitet und für den Einsatz in einem beispielhaften Maschinenschlitten insbesondere hinsichtlich des Bauraumaspekts optimiert. Hier konnte der erforderliche Bauraum durch eine räumliche Trennung der hydraulischen/sensorisch-aktorischen Funktionseinheit und den Drucktaschen an den Führungsbahnen um 50% gegenüber der ersten prototypischen Realisierung gesenkt werden. Mit der in dem Projekt entwickelten Methodik zur Absenkung der Betriebsspannung piezoelektrischer Wandler ist es möglich, auf die Bedürfnisse der Sensor-Aktor-Integation zugeschnittene piezoelektrische Wandler auszulegen, die nur noch die Hälfte der bisher benötigten maximalen Betriebsspannung erfordern. Die Methode ist speziell auf die Integration der sensorischen und aktorischen Fähigkeiten der piezoelektrischen Wandler angepasst. Zur Simulation der adaptronischen Drucktascheneinheit sowie der Sensor-Aktor-Integation wurde ein Modell der Drucktasche aufgebaut, in dem insbesondere die Anbindung der Mechanik des Ventilkolbens an die piezoelektrischen Wandler berücksichtigt wurde. Zur optimalen Auslegung des Maschinenschlittens wurde im Lauf der Arbeiten auf die FEM-Simulation des gesamten Systems Schlitten - Drucktasche fokussiert. Daraus wurde die Durchbiegung des Schlittens im laufenden Betrieb ermittelt und Maßnahmen zur Versteifung des Maschinengestells abgeleitet, um die Konstruktion insgesamt möglichst steif zu machen. Im weiteren Verlauf der Arbeiten wurden die Ergebnisse der einzelnen Arbeitspakete benutzt, um einen am Institut vorhandener Vorschubachsen-Versuchsstand dahingehend zu modifizieren, dass ein hydrostatisch gelagerter Maschinenschlitten mit 4 Lagerstellen aufgebaut und in Betrieb genommen werden konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nach Abschluss der Arbeiten ein vollständig charakterisiertes, kompakt aufgebautes hydrostatisches Führungssystem vorliegt, dass im Vergleich zur ersten prototypischen Realisierung einen um 50% kleineren Bauraum benötigt. Belastungen kann das System mit einer Dynamik bis 3 Hz, Sollwertsprünge mit einer Dynamik bis 2 Hz ausregeln und Führungsbahnfehler mit einem Arbeitsbereich von ± 9 μm ausgleichen kann. Darüber hinaus ermöglicht das System große Kostenvorteile durch die multifunktionale Nutzung piezoelektrischer Wandler als Sensor und Aktor, da keine zusätzlichen Messsysteme zur Erfassung der Spalthöhe notwendig sind. Im Fokus des Projektes stand die multifunktionale Nutzung von piezoelektrischen Wandlern als Sensor und als gleichzeitig als Aktor. Aus den Arbeiten zu diesem Projekt geht hervor, dass das entwickelte Verfahren zur Sensor-Aktor-Integration sehr große Potentiale in Bezug auf die Regelungsdynamik aufweist. Die darstellbare Dynamik des integriert betriebenen Sensor-Aktor-Systems auf Basis piezoelektrischer Wandler wird jedoch im vorhandenen Versuchstand aufgrund der Totzeiten, die durch die Länge der Ölsäulen in den Hydraulikleitungen hervorgerufen werden, nicht komplett ausgereizt. Deshalb bietet es sich an, das entwickelte Verfahren zur Sensor-Aktor-Integration in nachfolgenden Arbeiten mit Hilfe von Simulationen weiter zu untersuchen und anhand der Simulationsergebnisse die Technik weiterhin zu optimieren. Es hat sich im Laufe der Arbeiten gezeigt, dass die für die Versorgung der piezoelektrischen Wandler eingesetzten Hochspannungsverstärker intensiv auf ihre Eignung für die Sensor-Aktor-Integration hin untersucht werden müssen. Im Projekt wurden vollständig marktübliche Verstärker eingesetzt, deren Einfluss auf die Sensor-Aktor-Integration bisher nicht bekannt ist, wobei die Eigenschaften dieser Elemente jedoch im Regelkreis der Systeme eine zentrale Rolle spielen. Mittels einer ganzheitlichen Simulation, die das Verhalten und die Arbeitsweise der Hochspannungsverstärker berücksichtigt, lässt sich eine optimale Abstimmung und Auslegung aller Komponenten eines solchen Sensor-Aktor-Systems ableiten. Darüber hinaus können mit der Simulation bisher nicht betrachtete Effekte wie beispielsweise der Einfluss der Temperatur auf die Sensor- Aktor-Integration genauer untersucht werden, um eine optimale Parametrierung des Systems zu erreichen. Weitere mögliche Anwendungen der Sensor-Aktor-Integration mit piezoelektrischen Wandlern finden sich in vielen Bereichen der Produktionstechnik, wo hochdynamische, geregelte Stellvorgänge im um-Bereich erfolgen müssen, beispielsweise in Ventilantrieben für die Fluidik.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit. In: wt Werkstatttechnik online Jahrgang 95 (2005), Heft 10, S. 809-814
Fleischer, J.; Munzinger, C.; Knödel, A.
- Einsatz der Adaptronik am Beispiel hydrostatischer Führungen. In: O&P, Heft 9/2005; S. 555-557
Fleischer, J.; Munzinger, C.; Knödel, A.
- Genauigkeitssteigerung von Werkzeugmaschinen durch adaptronische Maschinenkomponenten. In: wbk-topics, Heft 2/2005
Fleischer, J.; Munzinger, C.; Knödel, A.
- Active hydrostatic guiding system with adaptronical Sensor/Actuator Unit. 5th International Fluid Power Conference, Aachen, 2006
Fleischer, J.; Knödel, A.; Munzinger, C.
- Adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit für aktive hydrostatische Führungssysteme. Konferenzeinzelbericht, Adaptronic Congress, 31.05.06 - 01.06.2005, Göttingen
Fleischer, J.; Munzinger, C.; Knödel, A.
- Ansätze zur adaptronischen Kompensation geometrischer Maschinenfehler. Adaptronic Congress, 31.05.06 - 01.06.2005, Göttingen
Fleischer, J.; Munzinger, C.; Knödel, A.; Wauer J.; Rudolf C.
- Designing adaptronical components for static and quasistatic loads. In: Proceedings of IDETC/CIE 2006 ASME International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, September 10-13, Philadelphia, Pennsylvania USA
Munzinger, C.; Weis, M.; Herder, S.
- Entwicklungsbeispiele adaptronischer Komponenten für Werkzugmaschinen - Ausgleich niederfrequenter Verlagerungen. Adaptronic Congress in Göttingen, Mai 2006
Munzinger, C.; Weis, M.; Knödel, A.
- Dimensioning of Multifunctional Piezoelectric Transducers for Machine Tools. Adaptronic Congress in Göttingen 23.- 24. Mai 2007
Munzinger, C.; Weis, M.; Herder, S.
- Adaptronic hydrostatic guiding system for intelligent level control of machine tool slides. Adaptronic Congress in Berlin 20.-21. Mai 2008
Munzinger, C.; Weis, M.; Herder, S.
