Piezo-hydraulic micropositioning system to aid in setup for large components
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts „Piezohydraulisches Mikrostellsystem als Einrichthilfe für Großbauteile“ wurde ein piezohydraulisches Mikrostellsystem entwickelt und untersucht, dass in der Lage ist, Großbauteile bis zu 5 t Gewicht in vier Freiheitsgraden fein zu positionieren. Entgegen der im Antrag dargestellten Beschränkung auf den zweiachsigen Ausgleich von Taumelfehlern bei Werkstücken konnte durch das erforschte System zusätzlich eine Exzenterfehlerkompensation realisiert werden. Dadurch entfällt die manuelle Kompensation von Exzenterfehlern auf der Schleifmaschine. Die als Festkörpergelenk eingesetzte Membran zeigte ausreichende Steifigkeiten und hat sich im Profilschleifprozess unter Realbedingungen bewährt. Durch die vergleichsweise kompakte Konstruktion führen die zusätzlichen Exzenterachsen nicht zu einer Vergrößerung der Bauhöhe. Dadurch wird der Arbeitsraum der Profilschleifmaschine durch die Exzenterachsen nicht zusätzlich eingeschränkt. Zur Positionierung des Systems kommen Hydraulikzylinder in Kombination mit einer Niedervolt-Piezopumpe zum Einsatz. Durch die Weiterentwicklung einer im Grundlagenprojekt erforschten Piezopumpe und der Umstellung von Hochvolt- auf Niedervoltaktorik sind die Grundvoraussetzungen für einen Einsatz in industrieller Fertigungsumgebung geschaffen. Die erreichten Druckdifferenzen von bis zu 75 bar leisten bei geeigneter Dimensionierung der Hydraulikzylinder hinreichend große Kräfte, um die tonnenschweren Werkstücke bewegen zu können. Gleichzeitig ist eine Schrittweite im Submikrometerbereich gegeben, sodass der vorgestellte Pumpenprototyp für die gestellte Positionieraufgabe in Werkzeugmaschinen geeignet ist. Die Standzeit der Pumpe konnte durch die Substitution der schnellschaltenden Piezoventile mit Rückschlagventilen erheblich gesteigert werden. Im Vergleich zum Vorgängermodell dient die Membran in der Piezopumpe lediglich der Abdichtung zwischen Pumpkammer und beweglichem Kolben und konnte durch die geringere Belastung mehrere hunderttausend Schaltungen schadlos überstehen. Durch die modifizierten Piezopumpen ist es möglich, Genauigkeiten von < 1 µm zu erreichen. Mit dem auf zwei Messtastern beruhenden Messsystem zur Erfassung der Bauteilposition und den daraus berechneten Stellwerten konnte keine Positionierung in die Endlage nach nur einem Positionierschritt erreicht werden. Durch den Einfluss der Achsen untereinander ist die Ausrichtung des Bauteils nur nach mehreren Iterationsschritten möglich. Mit dem Gesamtsystem wurde nach zwei Iterationsschritten eine Genauigkeit von < 8 µm in allen Achsen erreicht. Das System wurde darüber hinaus erfolgreich in der industriellen Praxis beim Industriepartner Siemens eingesetzt. Die Abweichungen in der Teilungs-Einzelabweichung und die Teilungsgesamtabweichung entsprechen beide der höchsten Fertigungsqualität von 1 nach DIN 3962. Das System ist damit in der Lage, für die Feinausrichtung von Bauteilen in Profilschleifprozessen eingesetzt zu werden.
Publications
- (2017) Performance of a piezo-hydraulic fine positioning device: Experimental analyses with a scaled model. Prod. Eng. Res. Devel. (Production Engineering) 11 (4-5) 613–619
Denkena, Berend; Hülsemeyer, Lars; Bergmeier, Maik
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-017-0752-5) - (2015) Piezohydraulische Feinjustierung von Großbauteilen. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, ZWF 10/2015:616-619
Denkena B, Hülsemeyer L
- (2017) Fine positioning system for large components. 7. WGP Jahreskongress, 5.-6. Oktober Aachen
Bergmeier M, Denkena B
