Mechatronisches Feinpositionierspannfutter mit berührungsloser Energie- und Datenübertragung.

Schlagworte: Adaptronik, Drehen, Feinpositioniersystem, Spannfutter, Piezoaktor
Die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen ist durch die Integration von optimierten sensorischen und aktorischen Elementen kontinuierlich gesteigert worden. Demgegenüber stellen bei der Einspannung von Werkstücken insbesondere bei Drehspannfuttern überwiegend rein mechanische Lösungen den Stand der Technik dar, so dass erhebliches Potential zur Steigerung der Spann- und Positioniergenauigkeit besteht.

Die vorliegende Arbeit präsentiert durch die Integration von Mechatronik neuartige Konzeptionen für Spannfutter, welche das Bauteil nach dem Spannen in der Werkzeugmaschine in vier Freiheitsgraden ausrichten können. Ein prototypisch realisiertes Feinpositionierspannfutter ermöglicht die Korrektur von Exzentrizitäten und Taumelfehlern im Bereich von ±83 µm bzw. ±0,06 °. Die auf der Piezotechnologie basierenden Systeme beinhalten eine mikrocontrollerbasierte Elektronik sowie eine berührungslose Energie– und Datenübertragung.

Auf den Anforderungen aufbauend stellt die Arbeit unterschiedliche Konzeptionsvarianten für den prinzipiellen Aufbau von Feinpositioniersystemen mit vier Freiheitsgraden vor. Für diese Varianten werden Ersatzmodelle präsentiert, die eine Vorauslegung und eine Abschätzung der Eigenschaften bzgl. der Systemsteifigkeit, den Stellwegen und den Stellwinkeln ermöglichen. Anhand von erfolgversprechenden Konzeptionen werden Analysen mittels Finite Elemente sowie der Mehrkörpersimulation gezeigt, die eine präzise Aussage über die Eigenschaften einzelner Komponenten und des Gesamtsystemverhaltens zulassen.

Für ein 4–FHG–Feinpositioniersystem wird ein prototypischer Aufbau erstellt, was die Konzeption und den Aufbau einer Elektronik, einer Daten– und Energieübertragung sowie die Programmierung einer Bedieneroberfläche für einen Prozessrechner einschließt. In umfangreichen Messreihen werden die Systemeigenschaften ermittelt und unterschiedliche Standards wie Bluetooth, ZigBee und WLAN für die Datenübertragung in rotierende Spannfutter erfolgreich getestet. Abschließend wird in Drehversuchen die Funktionalität des 4–FHG–Feinpositionierspannfutters sowohl mit Aluminium- als auch Stahlwellen verifiziert. Es ergeben sich hohe Oberflächenqualitäten in einem ratterfreien Drehprozess.