antriebstechnik 9/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ECKENFAHRT DURCH SCHLAGARTIGE BESCHLEUNIGUNG Ein trägheitsbasierter Impulsaktor für unstetige Geschwindigkeitsprofile von Vorschubachsen kann eine Alternative zur kontinuierlichen Beschleunigung sein. Ein Forschungsteam der Uni Stuttgart stellt dazu seine ersten Versuchsergebnisse vor. Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird ein Ansatz untersucht, bei dem die Impulsübertragung bei mechanischen Stößen genutzt wird, um eine Vorschubachse sprungartig zu beschleunigen. Der Maschinentisch wird hierfür mit einem zusätzlichen Aktor ausgestattet, der die Impulsmasse antreibt. Das Ergebnis ist, dass mit diesem Konzept nahezu keine Beschleunigungs- und Bremswege notwendig sind und so z. B. Ecken einer Kontur mit konstanter Bahngeschwindigkeit durchfahren werden können. Neben einem einachsigen Versuchsstand für experimentelle Untersuchungen wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Potential für einen mehrachsigen Betrieb aufzeigt ALTERNATIVE ZU KONTINUIERLICHER GESCHWINDIGKEITSÄNDERUNG Vorschubantriebe werden genutzt, um in Werkzeugmaschinen und anderen Produktionsanlagen die benötigte Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug zu erzeugen. Für die Auswahl dieser Antriebe ergibt sich ein Zielkonflikt aus Dynamik (Antriebskraft), Genauigkeit und Kosten. Jedoch gilt auch für Vorschubachsen mit hoher Antriebskraft, dass aufgrund physikalischer Grenzen lediglich eine endliche Beschleunigung und somit eine kontinuierliche Änderung der Geschwindigkeit möglich ist. Insbesondere scharfe Kanten, für die eine sprungartige Änderung an den einzelnen Achsen notwendig wäre, können nicht mit konstanter Bahngeschwindigkeit durchfahren werden. Viele Bearbeitungsprozesse benötigen für eine gleichmäßige Qualität jedoch eine möglichst gleichbleibende Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Dies führt dazu, dass bei der Bahnplanung ein Kompromiss zwischen der idealen Kontur und der gleichbleibenden Geschwindigkeit gefunden werden muss. Beispielsweise kann durch ein definiertes Überschleifen der Kante mit entsprechendem Radius die Bahngeschwindigkeit relativ konstant gehalten werden. Eine Alternative stellt der Genauhalt dar, bei dem die Bahngeschwindigkeit zur Ecke hin auf null reduziert wird. Neben der reduzierten Bahngeschwindigkeit führt dies zusätzlich zu längeren Bearbeitungszeiten. SPRUNGARTIGE GESCHWINDIGKEITS­ ÄNDERUNGEN DURCH IMPULSAKTOR Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde am ISW ein Ansatz entwickelt, der die Impulsübertragung bei mechanischen Stößen nutzt, um den Maschinentisch, auch Impulsaktor genannt, schlagartig zu beschleunigen. Die dafür notwendige zusätzliche Masse wird relativ zum Tisch bewegt und durch einen am Tisch befestigten Aktor angetrieben. In Bild 01 ist das Mehrkörpermodell für einen einachsigen Versuchsstand dargestellt. Für die abgebildete Umsetzung wurde eine Achse eines Kreuztisches mit Lineardirektantrieben um den zusätzlichen Aktor mit dazugehöriger Masse erweitert. Als Aktor ist eine Tauchspule ver­ 01 Das Mehrkörpermodell stellt einen einachsigen Versuchsstand dar; im Simulationsmodell gelang sogar die Nachbildung mit mehrachsigen Impulsaktoren 02 Das viereckige Bahnprofil des Maschinentischs im Schaubild zeigt, wie der Aktor die Bahngeschwindigkeit trotz Richtungswechsel nahezu verlustfrei erhalten kann Kontaktstellen 40 Gesamtprofil Profil ohne Aktor Profil mit Aktor 0.5 FLDA F Aktor Impulsmasse Maschinentisch 20 0 – 20 – 40 0.4 0.3 0.2 0.1 ∆v/v 0 – 60 Maschinengestell – 60 – 40 – 20 0 20 40 – 5 0 5 10 – 5 0 5 10 58 antriebstechnik 2020/09 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG wendet worden, wobei der bewegte Teil der Spule ebenfalls zur Impulsmasse gehört. Für einen definierten Stoß verbaute man gehärtete Stahlplättchen bzw. Stahlkugeln. Durch experimentelle Voruntersuchungen ist das Stoßverhalten bekannt, sodass für einen beliebigen Geschwindigkeitssprung des Tischs die dafür notwendige Impulsgeschwindigkeit berechnet werden kann. SIMULATIONSMODELL SOLL WEITERE ANSTEUERSTRATEGIEN TESTEN Parallel zum Versuchsstand wurde ein Simulationsmodell entwickelt. Es basiert auf der in Bild 01 dargestellten Mehrkörpermodellierung und wurde mit dem realen System abgeglichen. Ein wichtiges Augenmerk liegt hier auf der Modellierung des Stoßverhaltens. Das Simulationsmodell erlaubt es, neue Ansteuerstrategien oder Regelkonzepte risikofrei zu testen. Ein weiterer Vorteil ist, dass so eine Skalierung der Größe möglich ist, ohne dafür experimentell einen neuen Versuchsstand errichten zu müssen. Durch die Verknüpfung von zwei Simulationsmodellen kann so auch ein zweiachsiger Versuchsstand nachgebildet werden. Das bedeutet aber, dass dabei die gegenseitige Beeinträchtigung der Achsen vernachlässigt wird. Dies ist soweit zulässig, da die Achsen senkrecht zueinander angeordnet sind und sich somit in ihrer aktiven Bewegung nicht direkt beeinflussen. Was jedoch vernachlässigt wird, ist der Einfluss von Querkräften auf Führungs- und Reibeigenschaften sowie der allgemeine Kraftfluss durch mehrere Achsen ins Gestell. Die vereinfachte Betrachtung des zweiachsigen Versuchsstandes erlaubt eine erste Abschätzung des Potentials eines mehrachsigen Betriebs. So ist in Bild 02 ein viereckiges Bahnprofil dargestellt, welches der Maschinentisch einmal ohne und einmal mit Aktor abfährt. Links ist das Gesamtprofil abgebildet, mittig und rechts jeweils eine Detailansicht auf die untere Ecke. Die prozentuale Abweichung der tatsächlichen von der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit ist farblich gekennzeichnet. Im Schaubild ist zu sehen, dass im Profil ohne Aktor die Ecken abgerundet werden, während sie im Profil mit Aktor spitz zulaufen. Weiterhin ist anhand der Farbskala zu sehen, dass je nach Knickwinkel der Ecke die Bahngeschwindigkeit im Profil ohne Aktor deutlich reduziert wird, während die Geschwindigkeit im Profil mit Aktor nahezu konstant ist. Der Betrieb von Achsen mit Impulsaktor ermöglicht somit, dass die Bahn entsprechend der idealen Kontur mit durchgehend konstanter Geschwindigkeit geplant werden kann. Mithilfe der Erkenntnisse des Simulators soll jetzt die experimentelle Untersuchung des mehrachsigen Betriebs erfolgen. Für die bisherige Förderung des Forschungsvorhabens (VE 454/61-1) danken die Autoren aber schon jetzt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Im Frühjahr 2021 veranstaltet das ISW ein Lageregel seminar (LRS). Dort werden einerseits industrienahe Forschungsthemen des ISW im Bereich Antriebs- und Maschinentechnik sowie Indus trierobotik vorgestellt, andererseits werden Vorträge von Vertretern aus der Industrie gehalten. Das Magazin antriebstechnik wird im Vorfeld des Seminars über die Inhalte berichten. Fotos: ISW der Universität Stuttgart www.isw.uni-stuttgart.de VIDEO Informationen zum Projekt des ISW und weiteren Forschungsthemen im Bereich Antriebs- und Maschinentechnik finden Sie unter: https://bit.ly/3joQunn IMPRESSUM erscheint 2020 im 59. Jahrgang, ISSN 0722-8546 Redaktion Chefredakteur: Dipl.-Ing. Reiner Wesselowski (We) Tel.: 06131/992-322, E-Mail: r.wesselowski@vfmz.de (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Redakteure: Miles Meier, Tel.: 06131/992-208, E-Mail: m.meier@vfmz.de Ivo Greuloch (Vol.), Tel.: 06131/992-353, E-Mail: i.greuloch@vfmz.de Vanessa Weingärtner (Vol.), Tel.: 06131/992-352, E-Mail: v.weingaertner@vfmz.de Redaktionsassistenz: Melanie Lerch, Tel.: 06131/992-261, E-Mail: m.lerch@vfmz.de, Petra Weidt, Tel.: 06131/992-371, E-Mail: p.weidt@vfmz.de, Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347, E-Mail: u.winter@vfmz.de, (Redaktionsadresse siehe Verlag) Gestaltung Anette Fröder, Sonja Daniel, Anna Schätzlein, Mario Wüst Chef vom Dienst Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer Sales Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262, E-Mail: o.jennen@vfmz.de Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206, E-Mail: a.zepig@vfmz.de Heike Rauschkolb, Auftragsdisposition Tel.: 06131/992-241, E-Mail: h.rauschkolb@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 56: gültig ab 1. 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