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Adaptive Verspannung von Zahnstange-Ritzel-Antrieben
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Engelberth, Tim; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
Zahnstange-Ritzel-Antriebe werden als Vorschubantriebssysteme in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Insbesondere wenn große Verfahrwege und hohe Vorschubkräfte gefordert sind, werden diese gegenüber den ansonsten etablierten Gewindespindel-Mutter-Antrieben und linearen Direktantrieben bevorzugt. Um das Umkehrspiel im Antriebsstrang zu kompensieren und somit die Genauigkeit zu erhöhen, werden elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel-Antriebe genutzt. Der aktuelle Stand der Technik macht keine eindeutigen Angaben über die minimal für die Kompensation des Umkehrspiels benötigte Verspannung. Auch ist nicht geklärt, in welchen Systemzuständen die Verspannung deaktiviert werden kann, ohne die Genauigkeit zu beeinflussen. Dies führt zu einer überhöhten mechanischen Belastung sowie einem überhöhten Energiebedarf und somit zu einem insgesamt ineffizienten Betrieb des Antriebssystems. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Effizienz des Antriebssystems zu maximieren, ohne dessen Genauigkeit zu beeinflussen, indem ein Konzept zur Anpassung der Verspannung während des Betriebs entwickelt wird. Dieses neuartige Konzept wird als adaptive Verspannung bezeichnet. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik analysiert. Im ersten Teil der Analyse werden die meistgenutzten Antriebssysteme in Werkzeugmaschinen erläutert und miteinander verglichen, um die Relevanz und den Einsatzbereich von Zahnstange-Ritzel-Antrieben zu klären. Insbesondere der Einsatzbereich hat einen bedeutenden Einfluss auf das Einsparpotential der adaptiven Verspannung, da dieser die dynamischen Anforderungen an das Antriebssystem festlegt. Im zweiten Teil der Analyse werden Maßnahmen zur Steigerung der Bewegungsgüte von Antriebssystemen betrachtet. Neben regelungstechnischen Ansätzen sowie der Methode der mechanischen Verspannung wird die Methode der elektrischen Verspannung im Detail betrachtet. Es werden angewandte Verspannungsstrategien analysiert sowie deren Grenzen und Defizite aufgezeigt, die durch das Konzept der adaptiven Verspannung gelöst werden sollen. Außerdem werden bereits verfügbare regelungstechnische Strukturen zur Erzeugung der Verspannungvorgestellt, die für die Umsetzung der adaptiven Verspannung benötigt werden. Insgesamt zeigt die Analyse, dass der Stand der Technik bedeutend weniger technische und wissenschaftliche Literatur zu Zahnstange-Ritzel-Antrieben bereitstellt als es beispielsweise für Gewindespindel-Mutter-Antriebe der Fall ist. Umso mehr wird eine umfangreiche Untersuchung elektrisch verspannter Antriebe für notwendig erachtet, um deren Einfluss auf das Bewegungsverhalten einer Werkzeugmaschinenachse abschätzen und die adaptive Verspannung entwickeln zu können. Anschließend folgt der Hauptteil der Arbeit, der sich in zwei Themenkomplexe aufteilt. Im Themenkomplex der konstanten Verspannung werden experimentelle Untersuchungen der wichtigsten Systemeigenschaften von Zahnstange-Ritzel-Antrieben an einem Versuchsstand durchgeführt. Außerdem werden die verfügbaren regelungstechnischen Strukturen zur Erzegung der Verspannung miteinander verglichen. Die industriell etablierte Momentenausgleichsregelung wird innerhalb der Arbeit angewendet, da sich diese für die Erzeugung der Verspannung aufgrund der erzielbaren Genauigkeit am besten eignet. Die experimentellen Untersuchungen werden durch die Modellbildung und die Simulation ergänzt, sodass eine Aussage über den Einfluss der Verspannung auf die statischen und dynamischen Eigenschaften des Antriebssystems getroffen werden kann. Zusätzlich wird eine allgemeingültige Definition eines minimal für die Kompensation des Umkehrspiels notwendigen Verspannungsbetrags auf systemtheoretischer Grundlage formuliert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden im Themenkomplex der adaptiven Verspannung drei neuartige Strategien zur Anpassung der Verspannung entwickelt und verglichen. Die Strategie des minimal verspannten Systems wird ausgewählt, da diese zu einem effizienten Betrieb des Antriebssystems im Sinne der Zielsetzung dieser Arbeit führt. Weiterhin wird die Momentenausgleichsregelung um die adaptive Verspannung erweitert. Für die erweiterte Struktur wird ein Nachweis der Stabilität erbracht. Anschließend folgt die Validierung des entwickelten Konzepts der adaptiven Verspannung anhand simulativer und experimenteller Untersuchungen. Zunächst wird validiert, dass die Strategie des minimal verspannten Systems zu einer Kompensation des Umkehrspiels führt und somit der Zielsetzung dieser Arbeit entspricht. Danach wird das adaptiv verspannte System mit dem konstant verspannten System verglichen, um den Einfluss der adaptiven Verspannung zu bewerten. Der Vergleich zeigt, dass die adaptive Verspannung eine Reduzierung der mechanischen Belastung um bis zu 14 % und eine Reduzierung des Energiebedarfs um bis zu 3 % erzielt, ohne die Genauigkeit des Antriebssystems zu reduzieren. Da es sich um eine rein softwareseitige Optimierung handelt, die keine hardwareseitige Anpassung des elektrisch verspannten Antriebssystems erfordert, wird die Hemmschwelle für die industrielle Anwendung als niedrig eingestuft. Das Konzept der adaptiven Verspannung bildet folglich eine ideale Methode zur Effizienzsteigerung elektrisch verspannter Zahnstange-Ritzel-Antriebe.