Adaptronische Kompensation von Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 12713316

Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln stellen eine unmittelbar qualitätsbeeinflussende Größe in der Charakterisierung von Werkzeugmaschinen und Produktionsprozessen dar. Aus heutiger Sicht ist die Kompensation von axialen und radialen Verlagerungen weitestgehend kontrollierbar, wohingegen die Kompensation von Winkelverlagerungen noch nicht zufrieden stellend realisiert ist. Aufgrund thermisch nicht symmetrischer Konstruktionen im Bereich der Hauptspindelaufnahme und dort an Führungen und der Anbindung an den Spindelstock, tritt aufgrund von Wärmeverlustleistungen im Gebiet der Hauptspindel eine inhomogene Erwärmung des Spindelgehäuses auf. Diese Inhomogenitäten im Temperaturfeld führen schließlich zu einer Biegung der Spindelaufnahme und somit zu Winkelverlagerungen der Spindel. Ein Ansatz zur gezielten Verringerung von Winkelverlagerungen in der Spindelaufnahme ist der Einsatz von adaptronisch geregelten Zugstäben, die in axialer Richtung an der Spindelaufnahme angeordnet sind. Durch Verwendung hochsteifer CFK-Stäbe wird durch gezielte Heizung eine Kontraktion hervorgerufen, die über definierte Krafteinleitungspunkte eine der thermischen Verformung gegenläufige Verformung in die Spindelaufnahme einbringt. Die erforderliche Heizleistung wird in diesem Fall über Heizfolien und Peltierelemente generiert. Durch die axiale Anordnung der Zugstäbe ist der Einsatz von Peltierelementen in diesem Fall besonders sinnvoll, da hierbei durch die Anordnung der Peltierelemente zwischen Spindelaufnahme und Kompensationsstruktur sowohl der Kühl- als auch den Heizeffekt nutzbar gemacht wird. Ziel des beantragten Projektes ist zunächst die Entwicklung der Kompensationsstruktur, bestehend aus CFK-Zugstäben und Kopplungselementen zur Krafteinleitung in die Spindelaufnahme. Über adaptronisch wirkende Heizung sowie Kühlung durch die Peltierelemente erfolgt eine gezielte Beeinflussung der thermisch verursachten Winkelverlagerung über die Kühlung der Spindelaufnahme bei gleichzeitiger Heizung und damit Kontraktion der CFK-Zugstäbe. Die entwickelte Kompensationsstruktur wird im Anschluss in eine prototypische Spindelaufnahme integriert. Basierend auf den Erkenntnissen aus dem vorangegangenen Projekt „CFK-Kompensationsstrukturen zur Verringerung thermisch bedingter Verformungen wird im weiteren Verlauf eine adaptronisch wirkende thermische Regelung implementiert, um durch gezielten thermischen Eingriff die Winkelverlagerungen zu kompensieren. Über konstruktive Variationen der Spindelaufnahme wird in der Folge sowohl das Reglerverhalten als auch das Verhalten der Kompensationsstruktur in Bezug auf das zu erzielende Ergebnis analysiert und optimiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1156: Adaptronik für Werkzeugmaschinen