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Neue Antriebseinheit für mehr Dynamik und Präzision in Werkzeugmaschinen

Neue Antriebseinheit für mehr Dynamik und Präzision in Werkzeugmaschinen

© IFW
Darstellung des Pinolendirektantriebs

In der modernen Fertigungstechnik gewinnen Mehrkoordinatenantriebe zunehmend an Bedeutung. Durch ihren Einsatz kann die zu bewegende Masse reduziert- und somit die Dynamik erhöht werden. Im DFG-geförderten Projekt Pinolendirektantrieb am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) arbeiten die Wissenschaftler an einem direktangetriebenen Pinolenmotor, der eine rotatorische und translatorische Bewegung ausführen kann. In Kooperation mit dem Werkzeugmaschinenhersteller DMG Mori und dem Motorenspezialist Franz Kessler soll so eine neuartige Antriebseinheit mit zwei Freiheitsgraden entstehen.

Für eine kombinierte Bewegung in mehreren Freiheitsgraden werden in Werkzeugmaschinen bislang einzelne Achsen in einer seriellen Anordnung verschaltet. Durch die serielle Struktur trägt die unterlagerte Achse die auf ihr angeordnete Achse, wodurch der Platzbedarf steigt und die erreichbare Dynamik und Präzision begrenzt werden. Im Rahmen des DFG-geförderten Forschungsprojekts Pinolendirektantrieb soll eine neue Mehrkoordinatenantriebseinheit am IFW entstehen, die eine kombinierte Rotations- und Translationsbewegung ohne serielle Struktur ausführen kann. Ziel der Wissenschaftler ist es, einen hydrostatisch gelagerten Mehrkoordinatenantrieb mit einer hohen Kraftdichte zu entwickeln, welcher sich ideal als Antrieb für die B-Y-Achse in ein einem Dreh-Fräszentrum eignet. Aufgebaut wird der Antrieb als Synchronmotor mit einem permanentmagneterregten Rotor. Die Rotations- und Translationsbewegung wird mit einem kombinierten Primär- und Sekundärteil umgesetzt. Eine Ansteuerung ist dennoch mit industrieüblichen Umrichtern möglich, was zu einer einfachen Handhabung führt.

Um hohe Drehmomente und Vorschubkräfte mit einer hohen Leistungsdichte zu realisieren, wird das Motordesign optimiert. Als Zielgrößen werden ein hohes Drehmoment und Vorschubkraft bei einer gleichzeitigen Verringerung der Verlustleistung definiert. Die Optimierung wird in dem Finite Elemente (FEM) Programm Ansys Maxwell durchgeführt. Dabei werden verschiedene Parameter des Motors, wie z.B. die Magnethöhe oder die Zahnbreite, mit genetischen und sequentiellen Optimierungsalgorithmen in Bezug auf die Zielgrößen optimiert. “Durch die Geometrieoptimierung konnten das Drehmoment und die Vorschubkraft im Vergleich zur Startgeometrie um 15-33% erhöht werden. Die Verlustleistung wurde um 67% deutlich verringert“, so Projektmitarbeiter Ahlborn. Insgesamt weist der Motor dadurch ein Auslegungsdrehmoment von 1.100 Nm und eine Vorschubkraft von ca. 6.900 N auf, bei einem translatorischen Verfahrweg von 200 mm.

Für den Einsatz in WZM wird eine hohe Steifigkeit und Dämpfung gefordert. Dies wird durch den Einsatz einer hydrostatischen Lagerung mit integrierter Klemmung erreicht. Ein weiterer Vorteil der Hydrostatik ist, dass durch das Drucköl keine Berührung der bewegten Flächen stattfindet. Dadurch tritt kein Stick-Slip Effekt auf und die Positioniergenauigkeit wird verbessert. Für schwere Bearbeitungsoperationen kann der Rotor geklemmt werden und eine Abdrängung dadurch vermieden werden. Um die Kräfte der hydrostatischen Klemmung am Rotor aufnehmen zu können, wird eine magnetintegrierte Führungsfläche entwickelt. Diese weist eine hohe Druckfestigkeit bei einer gleichzeitig sehr hohen Oberflächengüte von Ra ≤ 3,2 µm auf.

Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Patrick Ahlborn, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter Telefon +49 511 762 18163 oder per E-Mail unter ahlborn@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.