Master-Switch für elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel-Antriebssysteme zur Steigerung der Genauigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462185026

Die Fertigungsgüte und Dynamik moderner Produktionsanlagen wird vor allem durch das eingesetzte Antriebssystem bestimmt. Die verbreitetsten Antriebssysteme sind Kugelgewindetriebe (KGT), Zahnstange-Ritzel-Antriebe (ZRA) und Lineardirektantriebe (LDA). Die Auswahl hängt hauptsächlich vom Anwendungsfall und den Kosten ab. Die in diesem Vorhaben betrachteten ZRA zeichnen sich für den Einsatz in Werkzeugmaschinen (WZM) insbesondere dadurch aus, dass ihre Steifigkeit, im Gegensatz zu den ansonsten etablierten KGT, unabhängig von der Verfahrlänge ist. LDA zeichnen sich ebenfalls für den Einsatz in WZM aus. Hier wirken sich allerdings der hohe Energiebedarf und die über den gesamten Verfahrweg benötigten Sekundärteile nachteilig auf die Kosten aus.Ein zentrales Problem elektromechanischer Antriebssysteme ist das Umkehrspiel im Antriebsstrang. Systemtheoretisch betrachtet stellt das Umkehrspiel eine Nichtlinearität dar und beeinflusst somit die Regelgüte des Antriebssystems. Um den Forderungen moderner Produktionsanlagen gerecht zu werden, ist eine Reduzierung bzw. Kompensation des Umkehrspiels notwendig. Eine Methode ist die elektrische Verspannung. Hierbei kommen zwei Antriebe zum Einsatz, die verschieden große Drehmomente erzeugen, sodass die jeweils zugehörigen Ritzel zueinander verspannt werden.Neben den dynamischen Eigenschaften des Antriebssystems werden insbesondere an dessen Genauigkeit hohe Anforderungen gestellt. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, werden im aktuellen Stand der Technik überwiegend lineare Messsysteme für eine direkte Lageregung eingesetzt. Für die direkte Lageregelung ist eine Maßverkörperung entlang des gesamten Verfahrweges notwendig. Besonders bei WZM mit großen Verfahrlängen stellt dies einen zentralen Kostenfaktor dar. Um die Kosten zu reduzieren, wird hier häufig das Messsystem des Antriebs für die Lageregelung verwendet. Dies führt allerdings zu Genauigkeitseinbußen.Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll ein Konzept – Master-Switch genannt – untersucht werden, das die Genauigkeit von elektrisch verspannten ZRA mit indirekter Lageregelung soweit verbessert, dass diese den Genauigkeitsbereich direkt geregelter Systeme erreichen. Es sollen erstmals die Messsysteme beider Antriebe für die Lageregelung genutzt werden. Die elektrische Verspannung bewirkt, dass das Umkehrspiel nie bei beiden Antrieben gleichzeitig auftritt. Dieser Sachverhalt liegt dem Konzept des Master-Switch zugrunde: Für die Lageregelung soll das Messsystem desjenigen Antriebs, der aktuell nicht vom Umkehrspiel betroffen ist, verwendet werden. Es wird erwartet, dass das Umschalten zwischen den Messsystemen bereits eine Steigerung der Genauigkeit erzielt, da das Umkehrspiel nie im lagegeregelten Teilsystem auftritt. Um die Genauigkeit weiter zu steigern und den Bereich direkt geregelter Systeme zu erreichen, soll außerdem ein Ansatz zur Rekonstruktion der Tischposition anhand der Messsysteme beider Antriebe entwickelt und integriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Armin Lechler