Piezohydraulisches Servo-Mikrostellsystem für große Lasten
Final Report Abstract
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.
Publications
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