03Automation Kombinierte
03Automation Kombinierte Translations- und Rotationsbewegung mit nur einem Sekundärteil Neuartiger Mehrkoordinatenantrieb für Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinenkinematiken basieren typischerweise auf der seriellen Kopplung von mehreren Maschinenachsen. Der Einsatz von direktangetriebenen Mehrkoordinatenantrieben erlaubt den Verzicht auf die serielle Kopplung. Dadurch können die Dynamik und die Präzision der Maschine erhöht werden, bei einem gleichzeitig geringen Platzbedarf. Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) wird ein neuartiger Mehrkoordinatenantrieb für Drehmaschinen entwickelt, der eine kombinierte Translations- und Rotationsbewegung mit nur einem Sekundärteil ermöglicht. ■■■■■■ Um in der Fertigungstechnik eine 6-Seiten-Komplettbearbeitung eines Werkstückes durchzuführen, werden oft mehrere zerspanende Verfahren in einer Maschine kombiniert. Da alle Bearbeitungsschritte in einer Maschine durchgeführt werden, wird die Nebenzeit verringert. Somit können die Produktivität erhöht und die Werkstückkosten reduziert werden. In Drehmaschinen wird für eine Komplettbearbeitung oft eine zusätzliche Frässpindel integriert (Dreh-Fräszentrum). Derzeit wird in Dreh-Fräszentren die Positionierung der Frässpindel durch eine serielle Verschaltung mehrerer Vorschubachsen realisiert. Für die B-Y-Achse wird hierbei eine serielle Kopplung aus einem translatorischen und rotatorischem Antrieb eingesetzt. Aufgrund der seriellen Anordnung trägt im Allgemeinen der unterste Antrieb die zusätzliche Masse der überlagerten Achsen. Durch die zusätzliche Masse wird die Dynamik der Antriebe und somit auch die Gesamtdynamik der Maschine gemindert. Häufig werden daher die unterlagerten Antriebe mit einer höheren Leistung dimensioniert, um die Belastung durch die zusätzliche Masse auszugleichen. Dadurch steigen jedoch gleichzeitig der Platz- und der Leistungsbedarf. Ein weiterer Nachteil der seriellen Struktur ist, dass sich die Positionsfehler der einzelnen Achsen aufsummieren und dadurch die Präzision am Tool Center Point (TCP) verringert wird. Mit sogenannten Mehrkoordinatenantrieben können Bewegungen in mehreren Freiheitsgraden (FHG) ohne serielle Verket- Die Autoren Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Geschäftsführende Leitung, Dr.-Ing. Benjamin Bergmann, Bereichsleiter Maschinen und Steuerungen, M.Sc. Patrick Ahlborn, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Dipl.-Ing. Jonathan Fuchs, ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Leibniz Universität Hannover, Dr.-Ing Kai Litwinski, Leiter der Maschinenoptimierung, Gildemeister Drehmaschinen GmbH. Bild 1: Vergleich translatorisch-rotatorischer Mehrkoordinatenantriebe. Bild: IFW 52 März 2021
Bild 2: Sekundärteil mit schachbrettförmig an - geordneten NdFeB- Permanentmagneten. Bild: IFW tung durchgeführt werden. Dadurch werden die Dynamik und die Präzision gesteigert, bei einer oftmals im Vergleich zur seriellen Verschaltung kompakteren Bauweise. Mit dem Werkzeugmaschinenhersteller Gildemeister Drehmaschinen GmbH und dem Spindelhersteller Franz Kessler GmbH wird daher im Rahmen des Forschungsprojektes am IFW ein innovativer direktangetriebener Mehrkoordinatenantrieb entwickelt. Der Antrieb kann eine translatorische und rotatorische Bewegung in zwei Freiheitsgraden (FHG) mit nur einem Sekundärteil ausführen. Daher eignet sich der Antrieb ideal zur Kombination der konventionellen B- und Y-Achsen in Dreh-Fräszentren. In Bild 1 ist der Antrieb schematisch dargestellt. Er besteht aus einem Primärteil, welches die Rotations- und Translationskräfte erzeugt, sowie einem gemeinsamen Sekundärteil. Stand der Technik Ein Nachteil von bereits existierenden Mehrkoordinatenantrieben mit einem translatorisch-rotatorischem Freiheitsgrad ist, dass sie nicht in einer kompakten Bauweise realisierbar sind oder häufig eine geringe Leistungsdichte aufweisen. Die in [MEE11] und [OVE09] vorgestellten Antriebe weisen eine Unterteilung des Primärund Sekundärteils in zwei Bereiche auf. Die Bereiche sind seriell entlang der Antriebsachse angeordnet und mit Spulenwicklungen, jeweils für die Krafterzeugung in Rotations- bzw. Translationsrichtung, bestückt (Bild 1b). Der in [XU17] beschriebene Antrieb ist auch in zwei Primär- und Sekundärteilbereiche unterteilt. Diese sind im Vergleich zu den vorherigen Konzepten in radialer Richtung innerhalb- und außerhalb des Sekundärteils angeordnet und befinden sich auf derselben Position entlang der Antriebsachse. Mit dem inneren Bereich werden die Kräfte für die Rotation erzeugt und mit dem äußeren für die Translation (Bild 1c). Ein Nachteil der vorgestellten Antriebe ist jedoch, dass diese einen hohen Platzbedarf in Richtung der Antriebsachse oder radialer Richtung aufweisen. Zur Realisierung einer kompakteren Bauweise werden translatorisch-rotatorische Mehrkoordinatenantriebe durch ein zweigeteiltes Primärteil oder ein Primärteil mit kombiniertem Kreuzwicklungssystem und einem gemeinsamen Sekundärteil aufgebaut [SI15], [TAN14]. Das zweigeteilte Primärteil ist in zwei Primärteilhälften für Rotation und Translation unterteilt und Bild 3: Primärteil mit Zahnspulen für Rotation und Translation. Bild: IFW weist daher deutliche Leistungseinbußen gegenüber Antrieben mit zwei kompletten Primärteilbereichen oder einem Kreuzwicklungssystem auf (Bild 1, d). Das kombinierte Kreuzwicklungssystem aus [TAN14] ist aus zwei gegenüber dem Sekundärteil um 45° verdrehten spiralförmigen Primärteilwicklungen aufgebaut (Bild 1, e). Das Sekundärteil ist mit in Schachbrettform angeordneten Permanentmagneten besetzt. Durch das verwendete spiralförmige Kreuzwicklungssystem ist jedoch keine getrennte Regelung der Rotations- und Translationsbewegung möglich. Allen vorgestellten Antrieben ist gemeinsam, dass sie für die Lagerung des Sekundärteils eine Luftlagerung verwenden. Luftlagerungen weisen jedoch eine niedrige Steifigkeit und Dämpfung auf und sind nicht für März 2021 53
