Anwendungspotenzial gelenkig gekoppelter Antriebs- und Führungselemente zur Steigerung von Bewegungsdynamik und -genauigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269296582

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aufgrund der steigenden Anforderungen an Produktivität und Produktqualität von Werkzeugmaschinen führt der Trend bei der Entwicklung von Antriebssystemen hin zu hoher Bewegungsdynamik bei gleichbleibender oder gesteigerter Genauigkeit. Bei standardisierten Maschinenelementen in Linearachsen, wie z. B. Profilschienenführungen, treten bereits bei kleinen Form- und Lageabweichungen mechanische Verspannungen auf. Einen Ansatz für die Gestaltung hochdynamischer Antriebssysteme stellt die Verwendung mehrerer Antriebe pro Achsrichtung (z. B. Gantrybauweise) dar. Bei derartigen Antriebssystemen tritt eine mechanische Überbestimmung in Bewegungsrichtung auf, welche hohe Zwangskräfte in den Führungen und Antrieben sowie die dynamische Interaktion der Antriebsregler und damit einhergehende Stabilitätsprobleme zur Folge haben kann. Eine mögliche Lösung für dieses Problem stellt die Einbringung gelenkiger Koppelstellen in die Struktur dar. Gegenstand des bearbeiteten Forschungsprojektes war die grundlegende und systematische Untersuchung und Bewertung des Potenzials von Parallelantrieben mit gelenkiger Anbindung der Antriebs- und Führungselemente. Der Fokus lag hierbei auf der Verwendung von Festkörpergelenken (FKG), bei denen die Bewegungsführung im Gegensatz zu herkömmlichen Wälz- und Gleitführungen durch Materialdeformation erfolgt. Aufgrund von Spiel- und Reibfreiheit ermöglichen diese Elemente eine hohe Bewegungsgenauigkeit und besitzen zudem einen erhöhten Parametrierungsfreiheitsgrad. In der 2. Projektphase wurde der experimentelle und durch Simulationsanalysen vervollständigte Nachweis der durch mechanische Entkopplung erreichbaren Dynamiksteigerung (z. B. höhere Reglerbandbreiten im Führungsverhalten), der Reduktion von Zwangskräften im Führungs- und Antriebssystem sowie einer Genauigkeitssteigerung durch die Korrektur von Bewegungsabweichungen an einer repräsentativen Antriebsanordnung mit hoher Anwendungsrelevanz erbracht. Es wurde ein modulares Konzept für FKG erstellt und exemplarisch an einem Versuchsträger mit Gantry-Antrieb integriert und untersucht. Um eine genauere Bestimmung des Parametereinflusses auf die Gelenk- und Antriebseigenschaften zu ermöglichen, erfolgte zudem die Erstellung umfangreicher Simulationsmodelle für statische und transiente Analysen und deren experimentelle Verifikation. Darüber hinaus wurden speziell für die Anwendung gelenkig gekoppelter Parallelantriebe geeignete Reglerstrukturen identifiziert und deren Potenziale hinsichtlich der genannten Ziele aufgezeigt. Ergänzend sollten dabei, neben den bisher verwendeten FKG, auch funktionserweiterte FKG, welche mittels integrierter Aktorik und Sensorik eine adaptive Anpassung der Gelenkeigenschaften ermöglichen, untersucht und bewertet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Compliant joints for the improvement of the dynamic behaviour of a gantry stage with direct drives. Journal of Machine Engineering, 20(3), 17-29.
  PÖHLMANN, Patrick; PEUKERT, Christoph; MERX, Marcel; MÜLLER, Jens & IHLENFELDT, Steffen
  
• Compliant joints for the improvement of the dynamic behaviour of a gantry stage with direct drives. Konferenzbeitrag: XXXI CIRP sponsored conference on supervising and diagnostics of machining systems, 8-12 March 2020, Karpacz, Poland
  Pöhlmann, P.; Peukert, C.; Merx, M.; Müller, J. & Ihlenfeldt, S.
  
• Control Strategies for a Gantry Stage equipped with Flexible Joints using Frequency Response Methods. Konferenzbeitrag: 16th International Conference on High Speed Machining, 26-27 Oktober 2021, Darmstadt, Germany
  Pöhlmann, P.; Merx, M.; Müller, J. & Ihlenfeldt, S.
  
• CONTROL STRATEGIES FOR A GANTRY STAGE EQUIPPED WITH FLEXIBLE JOINTS USING FREQUENCY RESPONSE METHODS. MM Science Journal, 2021(5), 5008-5014.
  Poehlmann, P.; Merx, M.; Mueller, J. & Ihlenfeldt, S.
  
• Compliant Joints with Remote Centre of Compliance for the Improvement of the Motion Accuracy of a Gantry Stage. Journal of Machine Engineering.
  Patrick, Pöhlmann; Christoph, Peukert; Marcel, Merx; Jens, Müller & Steffen, Ihlenfeldt
  
• Compliant Joints with Remote Centre of Compliance for the Improvement of the Motion Accuracy of a Gantry Stage. Konferenzbeitrag: XXXIII CIRP sponsored conference on supervising and diagnostics of machining systems, 26-30 Juni 2022, Karpacz, Poland
  Pöhlmann, P.; Peukert, C.; Merx, M.; Müller, J. & Ihlenfeldt, S.