Aufrufe
vor 1 Jahr

antriebstechnik 3/2018

antriebstechnik 3/2018

Potenziale von

Potenziale von Zahnstange-Ritzel-Antriebssystemen Moderne Produktionsanlagen stellen immer höhere Forderungen an die Fertigungsgüte und Dynamik der eingesetzten Antriebssysteme. Dieser Artikel betrachtet zentrale Eigenschaften von Zahnstange- Ritzel-Antriebssystemen und beschreibt Maßnahmen zur Steigerung dieser Eigenschaften. Es wird gezeigt, dass sich elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel- Antriebssysteme in Bezug auf Positioniergenauigkeit und Steifigkeitsverhalten für den Einsatz in High-Performance-Werkzeugmaschinen auszeichnen. M.Sc. Tim Engelberth ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Prof.-Dr. Alexander Verl ist Institutsleiter, beide am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen an der Universität Stuttgart; M.Sc. Marco Heckmann ist Experte für Entwicklung mechanischer Antriebssysteme bei der Wittenstein Alpha GmbH in Igersheim Die Fertigungsgüte und Dynamik moderner Produktionsanlagen wird vor allem durch das eingesetzte Antriebssystem beeinflusst. Dieses definiert die erreichbare Antriebskraft und Beschleunigung, die Positioniergenauigkeit und die statische und dynamische Steifigkeit der Maschinenachse [1]. Die verbreitetsten Antriebssysteme sind Kugelgewindetriebe (KGT), Zahnstange-Ritzel-Antriebe (ZRA) und Lineardirektantriebe (LDA). Die Auswahl hängt hauptsächlich vom Anwendungsfall und den damit verbundenen Kosten ab. ZRA zeichnen sich für den Einsatz in Werkzeugmaschinen (WZM) insbesondere dadurch aus, dass ihre Steifigkeit, im Gegensatz zu den ansonsten etablierten KGT [2], unabhängig von der Verfahrlänge ist [3, 4]. Die Steifigkeit von KGT hängt hingegen von der Verfahrlänge, dem Spindeldurchmesser und der aktuellen Position des Maschinentischs ab [5]. Um eine ausreichende Steifigkeit bei wachsender Verfahrlänge zu gewährleisten, muss der Spindeldurchmesser vergrößert werden. Dies führt zu einer Verringerung der Antriebsdynamik aufgrund des anwachsenden Spindelträgheitsmoments, sodass KGT hier nicht effizient betrieben werden können. LDA zeichnen sich ebenfalls für den Einsatz in WZM aus. Hier wirken sich vor allem der hohe Energiebedarf und die über den gesamten Verfahrweg benötigten Sekundärteile im Vergleich zum ZRA nachteilig auf die Kosten aus [1]. Ein zentrales Problem elektromechanischer Antriebssysteme ist die Umkehrspanne im Antriebsstrang. Bei ZRA wird die Umkehrspanne durch die Verzahnung und Lagerung im Getriebe sowie den Zahnstange-Ritzel-Übergang verursacht. Sie beeinflusst die erreichbare Positioniergenauigkeit und die Regelgüte des Antriebs- 52 antriebstechnik 3/2018

LINEARTECHNIK systems aufgrund ihrer Nichtlinearität. Um den Forderungen moderner Produktionsanlagen gerecht zu werden, ist eine Reduzierung der Umkehrspanne notwendig. Durch das Verspannen zweier parallel angeordneter Ritzel kann die Umkehrspanne im Antriebsstrang eliminiert werden. Die Literatur nennt verschiedene mechanische und elektrische Ansätze zur Erzeugung der Verspannung [1–3, 6–9]. Der Einfluss der Verspannung auf die Umkehrspanne, die Reibung sowie die statische und dynamische Steifigkeit wurde bereits eingehend betrachtet [10] und wird in diesem Artikel nicht weiter vertieft. In den folgenden Kapiteln wird aufgezeigt, welche Positioniergenauigkeiten und Steifigkeitseigenschaften mit einem einzelnen ZRA der Firma Wittenstein Alpha GmbH erreicht werden können. Zudem werden Maßnahmen zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit genannt und experimentell validiert. Des Weiteren wird ein Vergleich zum elektrisch verspannten ZRA vorgenommen und ein Ausblick auf aktuelle Forschungsarbeiten zur Anpassung der Verspannung während des Betriebs und zur Steigerung der Bahngenauigkeit gegeben. Versuchsaufbau Die in diesem Artikel vorgestellten Untersuchungen wurden an dem in Bild 01 dargestellten Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des ISW der Universität Stuttgart durchgeführt. Der Maschinentisch des Versuchsstands hat eine Gesamtmasse von 420 kg und wird von zwei parallel angeordneten, elektrisch verspannten ZRA angetrieben. Zusätzlich steht ein LDA zur Verfügung, über den Störkräfte aufgebracht werden können. Der Verfahrweg beträgt 2,7 m. Die Position des Maschinentischs wird über die vier in der Abbildung gezeigten direkten Messsysteme erfasst. Es sind jeweils zwei Messsysteme unterschiedlicher Hersteller entlang der gleichen Achse montiert, sodass die Messwerte validiert werden können. Die Rotation der Motoren wird über die Motorencoder gemessen. Die eingesetzten Komponenten sind in Tabelle 01 zusammengefasst. Die elektrische Verspannung zwischen den beiden Motoren wird anhand der in Bild 02 dargestellten Regelungsstruktur erzeugt. Diese in industriellen Steuerungen bzw. Antriebsverstärkern etablierte Struktur wird als Momentenausgleichsregelung bezeichnet. Beide Motoren werden jeweils über einen Standard-Kaskadenregler geregelt. Die Verspannung wird im Drehzahlregelkreis generiert, indem ein Drehzahloffset v V in Abhängigkeit von der aktuellen Differenz der Drehmomentsollwerte M 1,soll und M 2,soll und dem geforderten Verspannungsmoment M V erzeugt wird. Anhand des Drehzahloffsets v V wird der vom Lageregler erzeugte Drehzahlsollwert v soll modifiziert, sodass die Verspannung zwischen den beiden Motoren aufrechterhalten bleibt. Werden die so erzeugten Momente M 1 und M 2 der einzelnen Motoren über dem geforderten Gesamt-Sollmoment M soll aufgetragen, so ergibt sich das in Bild 03 dargestellte Diagramm der elektrischen Verspannung. Es ist zu erkennen, dass das geforderte Verspannungsmoment M V eine Verschiebung der Kennlinien M 1 und M 2 in positive bzw. negative Richtung der y-Achse verursacht, sodass die Verspannung über den gesamten Betriebsbereich konstant bleibt. Das maximal erreichbare Gesamtmoment M ges,max ergibt sich anhand von Gl. (1). Es wird durch das Verspannungsmoment M V reduziert. 01 1 2 3 02 01 2 1 6 4 3 5 5 ZRA1 ZRA2 LDA Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des ISW der Universität Stuttgart 4 5 6 6 Zahnstange Linearführung mit integriertem Messsystem Interferometer 1 2 4 5 3 6 6 Regelungsstruktur zur Erzeugung der elektrischen Verspannung Verbaute Komponenten Aktorik 2x Synchronmotoren Siemens 1FT7086 (ZRA1, ZRA2) Direktantrieb (LDA) Siemens 1FN3300 Mechanik Getriebe Wittenstein Alpha RP040S Ritzel Wittenstein Alpha RMT400 Zahnstange Wittenstein Alpha ZST400 Sensorik 2x magnetoresistive Schneeberger AMSABS 3B Linearmesssysteme 2x Interferometer Attocube IDS3010 2x Drive-Cliq- Motor geber Siemens AM24 5 antriebstechnik 3/2018 53

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe