Aktive Kompensation der Bewegungsunge­nauigkeit von Vorschubachsen mit Profilschienen­wälzführungen auf Basis hochdynamischer Piezoaktorik

Wichtige Daten im Überblick

© Hanffaser Uckermark eG

Zielstellung

Motivation

Profilschienenführungen sind Standardkomponente des Maschinenbaus. Durch niedrige Herstellungs- und Betriebskosten bei gleichzeitig großem Leistungsvermögen haben sie sich in fast allen Bereichen des Maschinenbaus gegenüber Gleitführungen, hydro/aero-statischen, hydrodynamischen und Magnetführungen durchgesetzt. Allerdings werden bei Hochpräzisionsanwendungen hydrostatische und magnetische Führungssysteme Profilschienenführungen vorgezogen. Profilschienenführungen sind aufgrund der prinzipbedingten Mikrobewegungen nur bedingt verwendbar. Bei dem Vorhaben sollten ein aktives Verfahren für Profilschienenführungen entwickelt werden, damit die Bewegungsgenauigkeit von Profilschienenführungen verbessert wird.

Lösungsansatz

Das Forschungsprojekt will neue grundlegende Erkenntnisse zur zentralen Fragestellung liefern, wie die Bewegungsgenauigkeit von Vorschubachsen mit Profilschienenführungen aktiv verbessert werden kann, um sie bei Hochpräzisionsanwendungen mit Genauigkeitsanforderungen im unteren einstelligen Mikrometerbereich beziehungsweise Submikrometerbereich einsetzen zu können und mit hydrostatischen und Magnetführungen vergleichbar zu machen.

Herausforderungen

Das Defizit bei Profilschienenführungen besteht darin, dass die nichtlineare Steifigkeit von den Verhältnissen im Wälzkontaktbereich dominiert wird und sich diese zyklisch, aufgrund des dynamischen Wälzkörperumlaufes, ändern. Die Verlagerungen von Profilschienenführungen setzen sich aus

• statischen Verlagerungen in Abhängigkeit der Hertzschen Pressung der Wälzkörper, der Wagengeometrie, der Wälzkörperpositionen und der angreifenden statischen oder niederfrequenten Last,
• geschwindigkeitsproportionalen dynamischen Nachgiebigkeiten aufgrund der zyklischen Selbstanregung des schwingungsfähigen Systems bei Bewegung der Profilschienenführung und
• dynamischen Nachgiebigkeiten durch zyklische externe Kraftanregung (z. B. Fräsprozess)

zusammen. Die Summe der Verlagerungsanteile führt in Vorschubachsen mit Profilschienenführungen zu Ungenauigkeiten, die bei Hochpräzisionsanwendungen unerwünscht sind.

Lösungsweg

Zur Erreichung der Zielstellung werden die vorhandenen theoretischen Erkenntnisse der dynamischen Beschreibung von Profilschienenführungen mit einem Schwingungs-Ersatzsystem sowie dem statischen Kraft-Verlagerung-Modell, basierend auf der Hertzschen Verlagerung im Wälzkontakt und der elastischen Verformung des Wagens und der Schiene, mit neuen Erkenntnissen über tatsächliche Wälzkörper-, Führungswagen- und Aufbaudynamiken kombiniert. Darauf aufbauend wird ein echtzeitfähiges System zur aktiven modellbasierten Verlagerungskompensation auf der Basis von Piezoaktoren entwickelt. Auf der Abbildung 1 ist das Konzept des Teilversuchsstandes geschildet.

Ergebnisse

Die erzielten Projektergebnisse sowie die während der Durchführung gesammelten Erfahrungen sollen auf vielfältige Weise genutzt und verwertet werden. Für die wirtschaftliche Verwertung soll der im Zuge des Projektes aufgebaute Prototyp im Anschluss durch den Projektpartner Hanffaser Uckermark eG bis zur industriellen Reife weiterentwickelt und in die Produktionsanlage integriert werden, um die vorhandene und weiter steigende Nachfrage nach hochwertigen biobasierten Ausgangsrohstoffen zur Herstellung von naturfaserbasierten, hoch belastbaren Leichtbauprodukten bedienen zu können.

Für das LWM kommt es durch das Vorhaben zu einer Steigerung der Kompetenzen im Bereich der Verarbeitung von Naturstoffen. Außerdem werden die Stärken im Bereich der Prozessanalyse und der darauf aufbauenden datengetriebenen Optimierung von Prozesssteuerungen ausgebaut.

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