Lineardirekt angetriebener Flächenmotor für Werkzeugmaschinen
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war die Erforschung eines neuartigen Mehrkoordinatenantriebs für Werkzeugmaschinen, der die bestehenden leistungsbegrenzenden Nachteile bekannter serieller und parallelkinematischer Antriebsstrukturen überwindet. Dieses Forschungsziel wurde seitens der Entwicklung, der Fertigung sowie der industriellen Anwendbarkeit erreicht. Entwicklungsseltig liegen die vollständig erarbeiteten Auslegungsmethoden des neuen Antriebs und die ausführiichen Erkenntnisse aus den Prototypen vor. Die systematischen Simulationen und Messungen führten zu einem umfassenden Verständnis des Antriebes, sodass der Einfluss aller relevanten Parameter auf das Motorverhalten vorhergesagt werden kann. Dies ermöglicht eine zielgerichtete und auf den Anwendungsfall zugeschnittene Optimierung des Flächenmotors. Beispielsweise war es möglich, Methoden aus der Lineardirekttechnik erfolgreich auf den Flächenmotor anzuwenden und anhand dieser die Rastkräfte bezogen auf das Funktionsmuster um bis zu 87,7 % zu senken. Durch das Hinzuziehen eines Motorenfertigers konnte ein Fertigungskonzept entwickelt werden, mittels dessen Mehrkoordinatenantriebe in verschiedenen Baugrößen modular gefertigt werden können. Weiterführend soll ein Fertigungsverfahren gefunden werden, welches die Herstellung von Zahnfüßen erlaubt. Hierdurch Ist eine deutliche Vorschubkraftsteigerung zu erwarten. Des Welteren soll die Verwendung und Fertigung einer Halbach-Magnetanordnung untersucht werden. Die bisher freien Felder des Sekundärteils könnten mit quer magnetisierten Magneten gefüllt werden, um die Gesamtflussdichte weiter zu erhöhen. Ein Algorithmus zur Errechnung der optimalen Zahnlänge kann zudem die Masse des Motors weiter reduzieren und den Materialelnsatz senken. Die industrielle Anwendbarkeit des Systems konnte durch die Untersuchungen, sowohl am ersten Funktionsmuster sowie an den beiden Prototypen, aufgezeigt werden. Es wurde gezeigt, dass die neuartige Kreuzwickeltechnologie funktioniert und der Betrieb des Flächenmotors dadurch über konventionelle Umrichtertechnik mit üblichen kaskadlerten Regelstrukturen möglich ist. Das Motorverhalten ist vergleichbar zu einem LDA. Zudem befähigt der erstellte Leistungskatalog, welcher die Kenndaten der verschiedenen Baugrößen beinhaltet, Anwender die geeignete Baugröße auszuwählen. Die integrierten Kühlebenen sind in der Lage, die aus den Kupferverlusten entstehende Wärme abzuführen. Allerdings entstehen durch die massive Ausführung Wirbelströme In den Ebenen, die die Dynamik der Motoren stark einschränken. Durch die derzeitige Verwendung einer klassischen Kreuzführung wird aufgrund der unterschiedlichen Massen der einzelnen Führungsachsen nicht das gesamte Potential des Motors ausgeschöpft. Der optimale Anwendungsfall ist die Kombination des Motors mit einer Flächenführung. Ein entsprechender Antrag mit dem Titel „Grundlagen eines Mehrkoordinaten Positionier Systems für spanende Werkzeugmaschinen" wurde von der DFG zwischenzeitig bewilligt. Hierbei soll der Flächenmotor mit einer elektromagnetischen Flächenführung geführt werden. Aufgrund der richtungsweisenden Ergebnisse - u.a. der Auszeichnung zum Produkt des Jahres 2013 in der Kategorie Automation der Zeitschrift „MaschinenMarkt" - wurden weitere Industriepartner überzeugt, sodass derzeit ein Transferprojekt aus der Kombination des Flächenmotors mit einer aerostatischen Flächenführung in Vorbereitung ist.
Publications
- (2014); Ein Motor für zwei Achsen - der Flächenmotor für die Werkzeugmaschine; Forschung des IFW an direktangetriebenen Flächenmotoren für Industrielle Einsatzgebiete, Ingenieurspiegel, 3/2014, S. 25-27
Fuchs, J.; Friederichs, J.
- Patent Mehrkoordinatenmotor, DE 102008015384A1, Patent erteilt. Keywords: Mehrkoordinatenmotor, Spulensystem, Kreuzwicklung, 01.10.2009
Denkena, B.; Hesse, P.
- Patent Planar Motor - Flächenmotor, WO2009/115071 A2 und WO2009/115071, Patent erteilt. Keywords: Mehrkoordinatenmotor, Spulensystem, Kreuzwicklung, 24.9.2009
Denkena, B.; Hesse, P.
- (2013): Aus zwei mach eins, Computer & Automation, 4-2013, S. 87-89
Denkena, B.; Friedrichs, J.; Fuchs, J.
- (2013): Neuer Flächenmotor macht Werkzeugmaschinen dynamischer, SPS IPC Drives Kongress, 11/2013
Denkena, B.; Friedrichs, J.; Fuchs, J.
- Preisgekrönter Flächenmotor revolutioniert die Antriebstechnik - Sicherheitsdämpfer bieten Schutz, Konstruktion, 10-2014, S. 34-36
Timmerberg, R.; Fuchs, J.
- Design and analysis of a 2-DOF synchronous planar drive for machine tools, Production Engineering Research and Development (WGP), Vol. 9, Issue 1, 2015, S. 125- 132
Denkena, B.; Friederichs, J.; Fuchs, J.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-014-0582-7) - Sicherheitsdämpfer schützen Innovativen Flächenmotor, VDI-Z 157, Nr. 4-April, 2015, S. 50 - 51
Fuchs, J.; Timmerberg, R.
