Condition based preload adjustment at ball-screw-drives by hydraulic expansion actuators
Final Report Abstract
Gegenstand des Projektes war die grundlegende Erforschung von Hydrodehnkissenaktoren für Vorschubachsen sowie die Erforschung der betriebszustandsabhängigen Vorspannungsadaption. Zuvor worden hydraulische Aktoren bei Kugelgewindetrieben lediglich als Mittel zur Erforschung von Kugelgewindetrieben bei unterschiedlichen Vorspannungen eingesetzt, nicht aber zur betriebszustandsabhängigen Vorspannungsadaption. Im Projekt wurde die Vorspannungsadaption mittels Hydrodehnkissen erfolgreich umgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die erwarteten Vorteile bezüglich Praxistauglichkeit (v.a. Bauraum und einfacher/kostengünstiger Aufbau, geringer Regelungsaufwand) gegeben sind. Verbesserungspotential bietet die Steifigkeit der Aktoren sowie die druckbasierte Schätzung der Vorspannung bei niedrigen Drücken. Hier wurden wesentliche Einflüsse und Gestaltungsrichtlinien abgeleitet. Eine Anpassung der Vorspannung hinsichtlich der Achsdynamik ist aufgrund des geringen Vorspannungseinflusses auf die statische und dynamische Steifigkeit der Achse nur bei Stillstand der Achse zweckmäßig. Bei Stillstand wirken sich die mit höherer Vorspannung höheren Reibkräfte positiv auf das Störverhalten der Achse aus. Da sich im Bearbeitungsprozess Abweichungen in Vorschubnormalenrichtung direkt die Fertigungsgenauigkeit auswirken ist die Verbesserung des Störverhaltens der stillstehenden Achse besonders vorteilhaft. Gleichzeitig beeinträchtigt eine höhere Vorspannung in diesem Fall nur in vernachlässigbarem Umfang Lebensdauer und Erwärmung. Eine Verringerung der Vorspannung während Verfahrbewegungen ohne hohe Genauigkeitsanforderung (z.B. Schruppen) verringert die Erwärmung der Achse deutlich. An einem nachgestellten Beispielprozess wurde eine um 24 % verringerte Erwärmung der KGT-Mutter mit zustandsorientierter Vorspannungsadaption gezeigt. Eine Vorspannungsanpassung während (statt zwischen) Bearbeitungsschritten bietet keine wesentlichen Vorteile. Deshalb ist zukünftig die Anbindung an die Maschinenhydraulik möglich und anzustreben. Lagerseitig wurde aufgrund der erforderlichen Stellwege ein hydraulischer Ringkolbenaktor anstelle eines Hydrodehnkissens eingesetzt. Hiermit konnte eine deutliche Erhöhung der statischen und dynamischen Steifigkeit im Vergleich zu einer Fest-Los-Lagerung erreicht werden. Da der Aktor die thermische Dehnung der Spindel kompensiert ist keine Spindelkühlung erforderlich. Die Ansteuerung kann lagerseitig mit konstantem Druck und damit besonders aufwandsarm erfolgen. Nachfolgend ist die Validierung der Vorspannungsadaption mit Hydrodehnkissen im realen Prozess in einer Werkzeugmaschine anzustreben. Ferner ist eine ausreichende Lebensdauer der Hydrodehnkissenaktoren nachzuweisen.
Publications
- (2016) Hydraulic Expansion Actuators for Ball Screws – Towards Applicable Preload Adaption. ACTUATOR 2016 - 15th International Conference on New Actuators. Bremen, S. 552–556
Denkena B, Schreiber P
- Hydraulische Vorspannungsadaption bei Kugelgewindetrieben. Konstruktion 2016 (3): S. 61–64
Denkena B, Schreiber P, Fischer R
