Adaption des mechanischen Übertragungsverhaltens elektromechanischer Vorschubantriebe unter regelungstechnischen Gesichtspunkten zur Optimierung des dynamischen Verhaltens unter gleichzeitiger Minimierung des Verschleißes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Vorspannung eines Kugelgewindetriebs ist eine wichtige Betriebskenngröße elektromechanischer Vorschubantriebe. Sie ist ein Maß für die Steifigkeit und damit für das dynamische Verhalten lagegeregelter Vorschubantriebe. Mit zunehmender Vorspannung steigen die erreichbare Dynamik sowie die maximal zulässige axiale Belastung einer Vorschubachse. Gleichzeitig bewirkt die Vorspannung eine zusätzliche Belastung für den Kugelgewindetrieb, die sich in Form von Reibung auf die Lebensdauer der Komponente niederschlägt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die ganzheitliche Verbesserung des Betriebsverhaltens von Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieben durch eine zielgerichtete Adaption der Vorspannung. Im Rahmen des Verlängerungsantrags wurden für die Untersuchung und Umsetzung geeigneter Adaptionskonzepte folgende Arbeitspakte angesetzt: • AP1 – Entwicklung einer Konstruktion zur Vorspannungsadaption • AP2 – Regleradaption bei Vorspannungsänderung • AP3 – Untersuchung zum veränderten Systemverhalten • AP4 – Sollwertgenerierung für die Aktoransteuerung • AP5 – Realisierung, Verifikation und Bewertung am Prüfstand • AP6 – Dokumentation und Veröffentlichung der Ergebnisse Die in AP1 entwickelte und aufgebaute adaptive Kugelgewindemutter basiert auf einem Doppelmuttersystem mit zwei gegeneinander verspannten Mutternhälften. Eine funktionelle Einheit aus Aktorik und Sensorik ermöglicht dabei die Variation der Vorspannung während des Betriebs. Im Rahmen von AP1 ist es gelungen ein System zu entwerfen, dass sämtlichen Anforderungen einer Vorschubachse gerecht wird und darüber hinaus die erforderliche Funktionalität zur Adaption der Vorspannung bietet. Damit stand für die weiteren Untersuchungen ein vollständig funktionsfähiger und vielseitig einsetzbarer Prototyp zur Verfügung. Um Aussagen zu einer möglichen Regleradaption in AP2 treffen zu können wurde AP3 vorgezogen. Mit Hilfe des in AP1 entwickelten Prototyps wurden zahlreiche Messungen zu dem Systemverhalten von Vorschubantrieben durchgeführt. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, hat die Variation der Vorspannung nur einen äußerst geringen Einfluss auf das Führungs- und Störverhalten elektromechanischer Vorschubantriebe. Eine Erhöhung der Regelbandbreite durch den Einsatz einer adaptiven Kugelgewindemutter scheint daher im Gegensatz zu der ursprünglichen Annahme nur begrenzt, bzw. lediglich in Einzelfällen möglich. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass auch für verhältnismäßig geringe Werte der Vorspannung noch ein gutes Systemverhalten erreicht werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes der Schwerpunkt auf die Minimierung der Belastung, den Ausgleich von Verschleiß und Setzungserscheinungen und damit auf die Erhöhung der Lebensdauer gesetzt. Hierzu wurden die Lastverhältnisse in der Kugelgewindemutter eingehend analysiert. Mit Hilfe von detailgetreuen Simulationsmodellen und umfangreichen Messungen konnten neue Erkenntnisse zu dem Verlauf der Vorspannung und den Kraftverhältnissen innerhalb einer Kugelgewindemutter bei unterschiedlichen Betriebszuständen gewonnen werden. Weiterhin ist es gelungen, einen Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Vorspannung und der Belastung für den Kugelgewindetrieb herzustellen, was wiederum die Grundlage für die bedarfsgerechte Adaption der Vorspannung in AP4 bildet. Wie die Untersuchungen zu dem Systemverhalten gezeigt haben, ist eine Adaption der Regelparameter nach AP2 nicht erforderlich und wurde somit auch nicht weiter verfolgt. Anstelle der Arbeitsinhalte aus AP2 wurden die messtechnischen Untersuchungen in AP5 ausgeweitet, was zu neuen Erkenntnissen zu dem Betriebsverhalten von Kugelgewindetrieben geführt hat. In AP4 wurden letztlich geeignete Ansteuerkonzepte für die entwickelte adaptive Kugelgewindemutter erarbeitet und umgesetzt. Hierzu wurden Belastungsprofile realer Prozesse analysiert und basierend darauf Strategien für die Anpassung der Vorspannung entwickelt. Vor dem Gesichtspunkt einer minimalen Belastung sowie der Vermeidung unzulässiger Betriebszustände - vollständige Auflösung der Vorspannung - wurden für verschiedene Szenarien die jeweils optimalen Vorspannungswerte ermittelt und in Form von Ansteuerkonzepten hinterlegt. Darüber hinaus wurden Maßnahmen zur Verschleißnachstellung entwickelt und in Versuchen verifiziert. Ergänzend zu den beschriebenen Arbeitsinhalten wurden in AP4 zwei weitere Mutternkonzepte erarbeitet, die bei bestimmten Einsatzbedingungen eine Alternative zu der in AP1 entwickelten adaptiven Kugelgewindemutter darstellen. Zahlreiche Messungen und ausführliche Funktionstests wurden zeitparallel zu den einzelnen Arbeitspaketen an dem für diese Zwecke aufgebauten Prüfstand durchgeführt. Die neu gewonnenen Erkenntnisse zur Vorspannungsadaption und dem Betriebsverhalten von Vorschubantrieben wurden in Form von Vorträgen und Veröffentlichungen dokumentiert. Wie gezeigt werden konnte, bietet die Adaption der Vorspannung ein erhebliches Potential für die Steigerung der Lebensdauer von Kugelgewindetrieben. Die entwickelten Lösungsansätze für eine bedarfsgerechte Einstellung der Vorspannung sollen daher weiter verfolgt und mit Hinblick auf einen konkreten Einsatz in Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen vorangertrieben werden. Die neu gewonnenen Erkenntnisse zum Betriebsverhalten von Kugelgewindetrieben bieten darüber hinaus neue Ansätze für die Gestaltung, den Einsatz und die Lebensdauerbetrachtung dieser Komponente.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Adaption der Vorspannung in Kugelgewindetrieben. Buchbeitrag SSP1156, 2009
Pritschow, G., Verl, A., Frey, S.
- Doppelmutter mit nachgiebigem Element im Kraftnebenschluss für die Aufrechterhaltung einer Restvorspannkraft in der entlasteten Mutterhälfte für große Axialkräfte. Deutsche Patentanmeldung, 2009, DE102009049936.9-12
Frey, S.
- Periodic Variation of Preloading in Ball Screws. Production Engineering (WGP) 2009, Volume 4, Numbers 2-3, P.261-267
Frey, S., Walther, M., Verl, A.
- Correlation between Feed Velocity and Preloading in Ball Screw Drives. 60th CIRP General Assembly, Pisa, Italy 2010
Verl, A., Frey, S.
- Correlation between Feed Velocity and Preloading in Ball Screw Drives. CIRP Annals 59/1/2010, P.429-432
Verl, A., Frey, S.
