Grundlagen eines berührungslosen Aktors mit bidirektionaler Kraftwirkung für den Aufbau von umgriffsfreien Führungen von spanenden Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496161268

Die Zielsetzung des beantragten Vorhabens besteht in der Erarbeitung von Grundlagenwissen eines kontaktlosen Aktors mit bidirektionaler Kraftwirkung, der eine ausreichend hohe Kraftdichte und Robustheit für einen aufwandsarmen Aufbau von umgriffsfreien Führungen und Lagerungen von spanenden Werkzeugmaschinen bietet. Der angestrebte Lösungsansatz sieht die Verwendung von elektromagnetischen Aktoren zur Erzeugung von Zugkräften vor. Der Schwerpunkt liegt demgemäß auf dem Aufbau und der Erforschung eines komplementären Führungselements zur kontaktlosen Einleitung von Druckkräften. Durch Kombination mit einem Elektromagneten entsteht eine hybride Aktorik, welche bidirektional hinreichend große Kräfte über einen Positionierbereich von mindestens ±250 µm bereitstellen kann. Der Arbeitsbereich des hybriden Aktors von mindestens 0,5 mm stellt dabei ausreichende Reserven für die aufwandsarme Inbetriebnahme, den zuverlässigen Betrieb sowie die Implementierung von Zusatzfunktionen der aktiven Führung zur Verfügung. Insbesondere bei Maschinenachsen mit großen Verfahrwegen ergeben sich bedeutende Vorteile durch die Fähigkeit der aktiven Führung zur Feinpositionierung und Fehlerkompensation im Hinblick auf die erzielbare Linearität und die erforderlichen Fertigungs- und Montagetoleranzen.Als Lösungsansatz für die abstoßende Kraftwirkung soll das Funktionsprinzip eines Fluidgleitkissens genutzt werden. Diese Technologie erlaubt die kontaktlose Einleitung von Druckkräften mit komprimierter Luft als einfach zu handhabendem Medium. Darüber hinaus lässt das Wirkprinzip vergleichsweise große Änderungen der Schwebehöhe des Führungselements unabhängig vom Abströmspalt zu und stellt nur geringe Anforderungen an die Führungsflächen.Jedoch sind derzeit verfügbare Lösungen für den Einsatz in Werkzeugmaschinen ungeeignet: Einerseits ist der Versorgungsdruck und damit die erzielbaren Kräfte deutlich begrenzt, andererseits führt die Verwendung von nachgiebigen Dichtungselementen zur einer lastabhängigen Veränderung der Schwebehöhe des Führungselements. Zielführend ist daher der Einsatz von festeren Werkstoffen für höhere Drücke und Kräfte bei ausreichender Entkopplung von Abströmspalt und Schwebehöhe der geführten Komponente. Eine gezielte Einstellung der Schwebehöhe des hybriden Aktors erfordert daher einen adaptiven Mechanismus zur Einstellung eines konstanten Abströmspalts. Insbesondere besteht die wissenschaftliche Herausforderung bei der Gestaltung dieses Mechanismus für einen selbstregulierenden Abströmspalt in der Berücksichtigung von Wechselwirkungen des Luftstroms mit festen und flexiblen mechanischen Komponenten. Neben der Identifikation von relevanten konstruktiven Parametern - einschließlich der Spezifikation der eingesetzten Werkstoffe - stellen auch die Wechselwirkungen zwischen den fluidischen und elektromagnetischen Aktoren einen wesentlichen Forschungsinhalt dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen