Piezohydraulisches Servo-Mikrostellsystem für große Lasten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein piezo-hydraulisches Mikro-Stellsystem für große Lasten entwickelt und erforscht. Piezokeramische Aktoren werden dabei für die Funktion einer Kolbenpumpe sowie für die Aktuierung schnellschaltender Ventile eingesetzt. Durch die Auslegung und simulative Analyse verschiedener Konzepte, basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien im ersten Projektabschnitt, ließ sich eine Systemvariante identifizieren, die das größte Erfolgspotential zeigt. Im zweiten Projektzeitraum sind wesentliche Schritte zur prototypischen Realisierung dieses Mikro-Stellsystems erfolgt. Der Einsatz geeigneter Werkstoffe, die Auswahl der Fertigungsmethoden und die Definition zweckdienlicher Maßnahmen zur Vermessung und zum Zusammenbau eines funktionsfähigen Prototyps sind dabei entscheidende Arbeitsschritte. Die Komponenten und Verfahren zur Herstellung des Pumpenmoduls, welches den Antrieb des neuartigen Systems darstellt, sind im Detail ausgearbeitet und realisiert. Um die hohe Genauigkeit der Stellbewegung zu gewährleisten, ist eine Regelungsstrategie entwickelt worden. Mit dem Entwurf der Regelung wurde nach der Inbetriebnahme des hydraulischen Aufbaus das Stellsystem als Ganzes erforscht und getestet. Die experimentelle Analyse des separaten Pumpmoduls als Antriebseinheit sowie des gesamten Mikro-Stellsystems integriert in einen aktiven Spanntisch (Demonstratoraufbau) war Gegenstand der Arbeiten im dritten Projektzeitraum. Die Untersuchungen liefern grundlegende Erkenntnisse zu Leistungspotential, Leistungsgrenzen und Auslegungskriterien eines piezo-hydraulischen Mikro-Stellsystems zum Einsatz innerhalb einer Werkzeugmaschine. Die Ergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit des piezo-hydraulischen Antriebs. Differenzdrücke von bis zu 100 bar (78,5 kN bei Positionierkolbendurchmesser 100 mm) können durch das Pumpmodul aufgebaut werden. Durch den gewählten Aufbau des aktiven Spanntisches lassen sich Stellbewegungen über einen Stellbereich von +/- 1 mm (Positionierkolbenweg) realisieren. Übertragen auf die mittels elastokinematischen Gelenks kippbar gelagerte Spannplatte bedeutet dies einen Winkelausgleich von bis zu 0,3°. Mit einer optimalen Parametrierung bspw. des Kennlinienreglers wird dabei eine Auflösung von 0,4 μm (das entspricht: 2,1 μm/m) erreicht. In Lastversuchen mit einem Werkstückgewicht bis 314 kg wurde die Auflösung auch für größere Werkstückgewichte bestätigt. Die weiteren Schritte zur Erforschung und Entwicklung eines piezo-hydraulischen Mikro-Stellsystems zur Positionierung von Großbauteilen in der Fertigung sind Gegenstand der geplanten Arbeiten im Rahmen eines Transferprojektes. In Zusammenarbeit mit einem Partnerunternehmen, als Hersteller von Großbauteilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen, ist der Transfer der erzielten Ergebnisse in ein industrielles Mehr-Freiheitsgrad-Mikro-Stellystem für die wirtschaftliche Fertigung von Großbauteilen geplant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Präzision im Kleinformat. Konzeption eines piezohydraulischen Servo-Mikrostellsystems, (2007), wt werkstattstechnik online, 97 (2007) H. 3, S. 115-119
Denkena, B., Möhring, H.-C., Hesse, F., Simon, S.
- Computer-aided analysis of flow-characteristics ofa micropositioning system. Production Engineering, Research and Development, Vol. 2, Nr. 2, Springer, S. 185-191, 2008
Denkena, B., Simon, S.
- Design and Simulative Investigation o f a Piezo-Hydraulic Positioning System. Adaptronic Congress, 20-21 May 2008, Berlin, S. 207-212, 2008
Denkena, B., Simon, S.
- Simulative Analysis of a Piezo-Hydraulic Micro-Positioning System. ACTUATOR 2008, 11th International Conference on New Actuators & 5th International Exhibition on Smart Actuators and Drive Systems, 9-11 June 2008, Bremen. S. 1018-1021, 2008
Denkena, B., Simon, S.
- Adaptronic Systems for Machine Tools. ECAS news, 01/09, S. 2-3, 2009
Denkena, B., Möhring, H.-C, Simon, S.
- Analysis of a Piezo-Hydraulically Actuated Fixing Plate for Highly Precise Positioning. The 13th Mechatronics Forum International Conference, 17.-19. September, Linz, Austria, Proceedings, Vol. 2, S. 575-581, Trauner Verlag, ISBN: 978-3990330456, 2012
Denkena, B.; Plümer, S.
- Development of an Advanced Micro-Positioning System for Increasing Operation Accuracy - Consideration of high pressure sealing. Production Engineering, Research and Development, Vol. 6, Number 2, S. 213-218, 2012
Plümer, S.; Voges-Schwieger, K.; Denkena, B.; Behrens, A.
- Novel Piezo-Hydraulic Micro-Positioning System Acconiplishes Precise Positioning Challenges. ACTUATOR 2012, 13th International Conference on New Actuators, 18-20 June 2012, Bremen, S. 309-312, 2012
Denkena, B., Litwinski, K.M., Plümer, S.
