Adaptive Verspannung von Zahnstange-Ritzel-Antrieben

Abstract

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.

Rack-and-pinion drives are used as feed drive systems in machine tools. They are preferred to the otherwise well-established ball-screw drives and linear direct drives, especially when long travel ranges and high feed forces are required. In order to compensate the backlash of the drive train and thus to increase its accuracy, electrically preloaded rack-and-pinion drives are used. The current state of the art fails to provide conclusive information about the minimum amount of preload required for backlash compensation. Further on, it is not investigated in which system states the preload can be deactivated without affecting the accuracy. This leads to an excessive mechanical strain and to excessive energy requirements and thus to an overall inefficient operation of the drive system. Hence, the aim of this work is to maximize the efficiency of the drive system without affecting its accuracy by developing a concept for adapting the preload during operation. This novel concept is called adaptive preloading. Initially, the current state of the art is analyzed. In the first part of the analysis, the most frequently used drive systems in machine tools are explained and compared with each other in order to estimate the relevance and the field of application of rack-and-pinion drives. In particular, the field of application has a significant influence on the savings potential of adaptive preloading, as it determines the dynamic requirements of the drive system. In the second part of the analysis, measures to increase the motion quality of drive systems are considered. In addition to control-technical approaches and the method of mechanical preloading, the method of electrical preloading is examined in detail. Applied preloading strategies are analyzed and their limits and deficits, which are to be solved by adaptive preloading, are identified. In addition, currently available control structures for preload generation, which are required for the implementation of adaptive preloading, are introduced. Summarizing, the analysis shows that the state of the art provides significantly less technical and scientific literature on rack-andpinion drives in comparison to ball-screw drives. This underlines the need to investigate electrically preloaded rack-and-pinion drives in order to estimate their influence on the motion behavior of a machine tool axis and to develop the concept of adaptive preloading. The analysis of the state of the art is followed by the main part of this thesis, which is subdivided into two thematic areas. In the area of constant preloading, experimental investigations of the key system properties of rack-and-pinion drives are carried out on a test rig. In addition, the available control structures for preload generation are compared with each other. The industrially established torque balancing controller is applied within this work, as it is best suited for preload generation due to the achievable accuracy. The experimental investigations are supplemented by modelling and simulation leading to a conclusion about the influence of preloading on the static and dynamic properties of the drive system. Additionally, a generally valid definition of a minimum amount of preload necessary for backlash compensation is formulated on a system theoretical basis. Based on the knowledge gained in the area of constant preloading, three novel preloading strategies are developed in the thematic area of adaptive preloading. The so-called strategy of minimum preloading is chosen as it leads to efficient operation of the drive system in accordance with the objective of this thesis. Furthermore, the previously chosen torque balancing controller is extended by adaptive preloading. For the extended structure a proof of stability is provided. This is followed by the validation of the developed concept of adaptive preloading by means of simulative and experimental investigations. It is validated that the strategy of minimum preloading leads to backlash compensation and thus corresponds to the objective of this thesis. The adaptively preloaded system is then compared to the constantly preloaded system in order to evaluate the influence of adaptive preloading. The comparison shows that the concept of adaptive preloading achieves a reduction of the mechanical strain of up to 14 % and a reduction of the energy requirements of up to 3 % without reducing the accuracy of the drive system. As the concept of adaptive preloading is solely a software-based optimization that requires no hardware-based adaptation of the electrically preloaded drive system, the entry threshold for industrial implementation is classified as low. Summarizing, the concept of adaptive preloading is an ideal method for increasing the efficiency of electrically preloaded rack-and-pinion drives.