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

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Fügetechnik und Trenntechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499035309

Bisher werden bei Hochpräzisionsanwendungen hydrostatische und magnetische Führungssysteme Profilschienenführungen vorgezogen, da sich diese Führungsarten durch eine hohe Ablaufgenauigkeit, ein hohes Dämpfungsvermögen, eine hohe Steifigkeit, Stick-Slip-Freiheit und Verschleißfreiheit auszeichnen. Profilschienenführungen sind hingegen relativ einfach aufgebaut, benötigen keine Zusatzaggregate zur Erfüllung der Führungsaufgabe und sind daher kostengünstig einsetzbar. 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 Summe verschiedener Verlagerungsanteile der Profilschienenführungen führt in Vorschubachsen zu Ungenauigkeiten. Insbesondere der Anteil der dynamischen Nachgiebigkeit durch Selbst- und Fremdanregung kann bis zu 171-fach höher als die statische Nachgiebigkeit sein, auch weil die Dämpfung von Profilschienenführungen mit einem Dämpfungsfaktor von d=0,001 bis 0,01 gering ist. Der Anteil zyklischer Bewegungsungenauigkeiten ohne Fremderregung (Hubpulsation) kann bis zu 1 µm betragen. Profilschienenführungen werden in Präzisionsanwendungen nur als Spezialanfertigung (geometrisch optimierte und auf die spezielle Anwendung angepasste Einlaufbereiche) mit Kugelketten und zusätzlichen Dämpfungswagen verwendet, um so die Schwingungsanregung und die Hubpulsation zu verringern. Das Problem der statischen und dynamischen Verlagerungen kann damit aber nicht vollständig und vor allem nicht für veränderliche Prozessparameter gelöst werden, da geschwindigkeits- und, aufgrund der ausgeprägten nichtlinearen Steifigkeit im Hertzschen Wälzkontakt, lastabhängige Effekte wirken. Für Profilschienenführungen als gut erforschte und vielseitig anzuwendende Standardkomponente des Maschinenbaus mit zahlreichen Anwendungsvorteilen besteht kein aktives Verfahren zur Kompensation von Bewegungsungenauigkeiten.Das beantragte 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. Dazu 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen