antriebstechnik 3/2018

Potenziale von
Zahnstange-Ritzel-Antriebssystemen
Moderne Produktionsanlagen stellen immer höhere
Forderungen an die Fertigungsgüte und Dynamik der
eingesetzten Antriebssysteme. Dieser Artikel
betrachtet zentrale Eigenschaften von Zahnstange-
Ritzel-Antriebssystemen und beschreibt Maßnahmen
zur Steigerung dieser Eigenschaften. Es wird gezeigt,
dass sich elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel-
Antriebssysteme in Bezug auf Positioniergenauigkeit
und Steifigkeitsverhalten für den Einsatz in
High-Performance-Werkzeugmaschinen auszeichnen.
M.Sc. Tim Engelberth ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Prof.-Dr. Alexander
Verl ist Institutsleiter, beide am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen
und Fertigungseinrichtungen an der Universität Stuttgart;
M.Sc. Marco Heckmann ist Experte für Entwicklung mechanischer Antriebssysteme
bei der Wittenstein Alpha GmbH in Igersheim
Die Fertigungsgüte und Dynamik moderner Produktionsanlagen
wird vor allem durch das eingesetzte Antriebssystem beeinflusst.
Dieses definiert die erreichbare Antriebskraft und Beschleunigung,
die Positioniergenauigkeit und die statische und dynamische
Steifigkeit der Maschinenachse [1]. Die verbreitetsten
Antriebssysteme sind Kugelgewindetriebe (KGT), Zahnstange-Ritzel-Antriebe
(ZRA) und Lineardirektantriebe (LDA). Die Auswahl
hängt hauptsächlich vom Anwendungsfall und den damit verbundenen
Kosten ab. ZRA zeichnen sich für den Einsatz in Werkzeugmaschinen
(WZM) insbesondere dadurch aus, dass ihre Steifigkeit,
im Gegensatz zu den ansonsten etablierten KGT [2], unabhängig
von der Verfahrlänge ist [3, 4]. Die Steifigkeit von KGT hängt hingegen
von der Verfahrlänge, dem Spindeldurchmesser und der aktuellen
Position des Maschinentischs ab [5]. Um eine ausreichende
Steifigkeit bei wachsender Verfahrlänge zu gewährleisten, muss der
Spindeldurchmesser vergrößert werden. Dies führt zu einer Verringerung
der Antriebsdynamik aufgrund des anwachsenden Spindelträgheitsmoments,
sodass KGT hier nicht effizient betrieben
werden können. LDA zeichnen sich ebenfalls für den Einsatz in
WZM aus. Hier wirken sich vor allem der hohe Energiebedarf und
die über den gesamten Verfahrweg benötigten Sekundärteile im
Vergleich zum ZRA nachteilig auf die Kosten aus [1].
Ein zentrales Problem elektromechanischer Antriebssysteme ist
die Umkehrspanne im Antriebsstrang. Bei ZRA wird die Umkehrspanne
durch die Verzahnung und Lagerung im Getriebe sowie den
Zahnstange-Ritzel-Übergang verursacht. Sie beeinflusst die erreichbare
Positioniergenauigkeit und die Regelgüte des Antriebs-
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