Aktive Kompensation der Bewegungsungenauigkeit von Vorschubachsen mit Profilschienenwälzführungen auf Basis hochdynamischer Piezoaktorik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499035309

Das Projekt befasst sich mit den sogenannten Mikroverlagerungen in Profilschienenführungen (PSF), die durch die mit dem Wälzkörperumlauf verbundene, zeitlich variierende Systemsteifigkeit entstehen. Passive Maßnahmen wie Crowning (Schräge im Ein- und Auslaufbereich) können diese Effekte nur begrenzt reduzieren, und bislang existiert keine aktive Kompensationsmethode für PSFs. Ziel ist daher die Entwicklung einer echtzeitfähigen, modellbasierten Kompensationsmethode, die Mikroverlagerungen vorhersagt und durch piezoaktuierte Korrekturen wirksam unterdrückt. In der ersten Projektphase wurden wesentliche Grundlagen geschaffen: eine Schaltsensoren-basierte Methode zur Bestimmung der Wälzkörper-Konstellation; statische und quasi-statische Lastverteilungsmodelle (LVM) für starre und flexible Wagen zur Vorhersage der Mikroverlagerung; sowie ein piezoaktuierter 3-DoF-Positioniertisch zur Kompensation der Mikroverlagerung. Einschränkungen traten insbesondere im Crowning-Bereich auf, wo Schlupf der Wälzkörper die Genauigkeit der Bestimmung der Wälzkörper-Konstellation mindert. Darüber hinaus bestätigten Messungen, dass strukturverformungsinduzierte Reaktionslasten in PSFs eine bedeutende Rolle bei der Vorhersage von Mikroverlagerungen spielen, die in den LVMs bislang nicht berücksichtigt wurden. Zudem existiert bisher keine praktikable Messmethode zur direkten Erfassung der Lasten in PSFs einschließlich der Reaktionslasten. Folglich konnte der entwickelte Ansatz in der ersten Projektphase nur qualitativ validiert werden. Die zweite Projektphase konzentriert sich auf die Verbesserung der Ermittlung der Wälzkörper-Konstellation und die Erweiterung der LVMs, um Echtzeitvorhersagen und aktive Kompensation von Mikroverlagerung zu ermöglichen: Verbesserung der Erfassung von der Wälzkörper-Konstellation durch Nutzung analoger Schaltsensoren-Signale und eine Curve-Fit-Methode zur Trennung von Rollen und Gleiten im Crowning-Bereich, Erweiterung der LVMs um Fehlermodelle zur Berücksichtigung wesentlicher Reaktionslasten infolge von Geradheitsfehlern der Schienen, Entwicklung einer Messmethode zur direkten Erfassung der Gesamtlasten an Führungswagen mit vorhandener Sensorik, Validierung der aktiven Kompensationsmethode unter statischen und dynamischen Lasten, Untersuchung der Übertragbarkeit der entwickelten Methode auf alternative Crowning-Designs, Dokumentation der Ergebnisse in Form von Veröffentlichungen und DFG-Abschlussbericht. Erwarteter Mehrwert: Die Kombination aus erweiterten LVMs und neuen Messmethoden ermöglicht eine quantitative Echtzeitvorhersage sowie eine signifikante Reduktion der Mikroverlagerungen. Damit wird die bestehende Lücke bei der aktiven Kompensation von PSFs geschlossen und deren Einsatzspektrum in ultrapräzisen Anwendungen wesentlich erweitert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen