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antriebstechnik 12/2019

antriebstechnik 12/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG HOHE PRÄZISION DURCH MAGNETISCH GEFÜHRTEN PLANARMOTOR Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Jonathan Fuchs Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird ein neuartiges Positioniersystem erforscht. Durch die Kombination einer reibungsfreien Magnetführung mit einem planaren Direktantrieb wird nicht nur Bauraum eingespart, sondern auch die Positioniergenauigkeit und Dynamik von Werkzeugmaschinen gesteigert. 40 antriebstechnik 2019/12 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Der Produktionswert der Präzisionswerkzeuge in Deutschland ist seit 2009 bis auf 10,8 Mrd. EUR in 2017 gestiegen [VDM19]. Der Anteil des Werkzeugbaus liegt dabei bei 50 %. Aufgrund der kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit und Bearbeitungszeiten, nehmen auch die Anforderungen an Vorschubachsen in Werkzeugmaschinen stetig zu. Für die Fertigung von präzisen Bauteilen z. B. Spritzgussformen ist mindestens eine dreiachsige Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück notwendig. Daraus resultiert, dass mindestens zwei Achsen entweder werkstück- oder werkzeugseitig gestapelt werden müssen. Dabei trägt und beschleunigt die unterlagerte Achse stets die auf ihr angeordnete Achse. Durch die unterschiedlichen bewegten Massen und Massenschwerpunkte unterscheidet sich sowohl das Beschleunigungsvermögen als auch das dynamische Verhalten der gekoppelten Achsen. Um in allen Vorschubrichtungen eine möglichst ähnliche Dynamik und damit hohe Fertigungsgenauigkeiten zu erzielen, wird die Dynamik aller Achsen auf die der langsamsten begrenzt. Weiterhin sind die Nachgiebigkeiten durch die serielle Verkettung der einzelnen Achsgruppen richtungsabhängig. Hieraus resultieren prozessabhängige Positionierfehler, die letztendlich zu Form- bzw. Maßfehlern am Werkstück führen. Diese prozessabhängigen Positionierfehler sind mit den in den Achsen integrierten linearen Positionsmesssystemen nicht messbar und können daher nur durch zusätzliche Sensorik kompensiert werden. Ein am IFW entwickeltes, magnetisch geführtes Mehrkoordinaten-Positioniersystem (MPS) für den Einsatz in Werkzeugmaschinen ermöglicht eine gegenüber seriellen Anordnungen gesteigerte Positioniergenauigkeit und Dynamik. Hierzu wurde ein System realisiert, bei dem beide Hauptachsen (X- und Z-Achse) durch einen synchronen permanentmagneterregten Planarmotor (SPMPM) angetrieben werden (Bild 01). Der SPMPM ermöglicht eine direkte Krafterzeugung entlang zweier Achsen und zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise und eine einfache Ansteuerbarkeit durch zwei industrieübliche Umrichter aus. Der B-Freiheitsgrad (FHG) wird derzeit noch durch eine mechanische Verdrehsperre blockiert. Drei weitere Freiheitsgrade (A, C und Y) werden von einer aktiv geregelten elektromagnetischen Flächenführung kontrolliert. Gegenüber konventionellen Führungen bieten Magnetführungen eine Vielzahl an Vorteilen, wie Verschleißfreiheit, Reibungs- und Geräuscharmut, eine sehr hohe statische Lagersteifigkeit sowie die Möglichkeit zur Messung der Lagerkräfte während des Betriebs. AUFBAU, AUSLEGUNG UND PROTOTYPISCHE UMSETZUNG Das Mehrkoordinaten-Positioniersystem ist grundsätzlich für alle Maschinentypen, in denen eine planare Bewegung erzeugt werden muss, geeignet. Zur Auslegung wurde ein Szenario in einem Drehbzw. Drehfräszentrum herangezogen. Daher sind die Bewegungsachsen des MPS die X- und die Z-Achse. Das in Bild 01 dargestellte MPS besteht aus einem feststehenden Gestell mit zwei parallelen Führungsflächen und einem beweglichen Schlitten. Unter dem Schlitten ist der in vier Module aufgeteilte SPMPM montiert. Durch den besonderen Aufbau der Planarmotor-Module ist die Vorschubkraft in beiden Bewegungsachsen identisch. Um dies messtechnisch zu validieren, wurden die Kraftkennlinien in X- und Z-Richtung in Abhängigkeit des Motorstroms über einen Kraftsensor ermittelt (Bild 02). Es ist zu sehen, dass beide Achsen mit 36,8 N/A exakt die gleiche Vorschubkraft erzeugen. Zusammen mit der Masse des Schlittens des MPS resultieren damit identische dynamische Eigenschaften und somit eine hohe Bewegungsdynamik bei gleichzeitig hoher Genauigkeit in beiden Achsen. Mit dem Spitzenstrom der verwendeten Umrichter von 36 A und der ermittelten Kraftkonstanten erreicht das MPS eine maximale Kraft von 1 320 N. Führungsflächen C Z Kraft F Y B 600 N 400 300 200 A 01 Aufbau des Mehrkoordinaten-Positioniersystem (MPS) Verdrehsperre X Gestell F X,int 36,81 N A I X Schlitten 750 mm Führungsmagnetpaar Planarmotor-Modul Sekundärteil F Z,int 36,82 N A I Z Wicklungen X-Achse F Z, Mess Fanglager Wicklung Magnetkern Luftspaltsensor Präzisionskühlung Wicklungen Z-Achse additiv gefertigte Wicklungskühlung Fu/82083 © IFW 100 F X, Mess 0 0 2,5 5,0 7,5 10,0 A 15,0 Sensor: Typ: HBM U9C Messbereich: 20 kN Genauigkeitsklasse: 0,2 02 Kraftkennlinie der X- und der Z-Achse des MPS Strom I Messverstärker: Y B Typ: HBM MGC AB12 Einschub: MC55 C Linearität: < 0,02 % Z X A Für die Messung der X- und Z-Position sowie des Verdrehwinkels des B-FHG ist mittig unter dem Schlitten ein Kreuzgittermesssystem LIK-2D der Firma Numerik Jena montiert. Die drei magnetisch geführten Freiheitsgrade A, C und Y werden über acht Wirbelstromsensoren vom Typ eddyNCDT 3010-U6 bestimmt. Diese Luftspaltsensoren messen den Abstand der Magneten zur Führungsfläche, die gleichzeitig als Messgegenfläche dient. Aus den Messwerten werden geometrisch mithilfe einer Jacobi-Matrix die Positionswerte der drei FHG errechnet. Durch die direkte Messung der Position des Schlittens werden Verlagerungen durch extern angreifenden Kräfte bestimmt und von der aktiven Regelung der Magnetführung kompensiert. Damit erreicht das Führungssystem eine sehr hohe statische Steifigkeit. Durch die Möglichkeit der Feinpositionierung sind die Anforderungen an die Formtoleranzen der Führungsflächen deutlich niedriger als bei anderen Führungssystemen. Zwar führen die positionsabhängigen Formabweichungen der Führungsflächen zu einer Verlagerung bzw. einer Verkippung des Schlittens, jedoch können diese systematischen Abweichungen einmalig eingemessen und von der Regelung kompensiert werden. Eine aufwändige Ausrichtung der Führungsflächen entfällt somit. Voraussetzung dafür ist, dass der Luftspalt zwischen Magnet und Führungsfläche ausreichend groß ist. Zur Auslegung des Luftspaltes des MPS wurden die zu erwartenden Abweichungen anhand der Dickentoleranz der Führungsflächen (DIN 59350) von + 0,05/– 0 mm abgeschätzt. Die maximal zu erwartenden Verlagerungen des Y-FHG resultieren Fu/82134 © IFW www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/12 41

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