Beispiele für adaptronische Anwendungen in der Produktionstechnik
Im Rahmen des sächsischen Landesexcellenzclusters eniPROD wurde eine adaptive Kugelgewindemutter entwickelt. Kugelgewindemuttern kommen zum Beispiel in Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Um ein möglichst spielarme Positionierung zu erreichen, werden die Muttern je nach Einsatzbereich auf einen definierten Kraftwert vorgespannt. Durch die auftretende Reibung kommt es während des Bearbeitungsprozesses zu einer Erwärmung von Spindel und Mutter. Die dadurch entstehende Ausdehnung der Komponenten beeinflusst die Vorspannkraft und damit die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses. Durch integrierte Formgedächtnisaktoren wird diese Ausdehnung kompensiert. Die Vorspannung bleibt konstant beim voreingestellten Wert. Dies mindert den Verschleiß der Vorschubachse, reduziert die Vorschubleistung des Antriebs und erhöht die Stabilität des Prozesses. Da ausschließlich die Prozesswärme zur Aktivierung genutzt wird, ist weder eine aktive Steuerung noch zusätzliche Stellenergie notwendig.
Adaptiver Kugelgewindetrieb mit Strukturintegrierter Formgedächtnisaktorik (thermische Formgedächtnislegierung) zur Vorspannungsänderung an der Kugelumlaufmutter
Bei der Eigenschaftsverbesserung von Werkzeugmaschinen und Gestaltung von Fertigungsprozessen müssen zunehmend Aspekte der Ressourceneffizienz berücksichtigt werden. Auf konventionellem Wege Verbesserungen zu erreichen wird jedoch immer schwieriger und stößt prinzipbedingt an die Grenzen bestehender Werkzeugmaschinensysteme.
Großes Potential bietet der Einsatz adaptronischer Zusatzkomponenten. Diese Komponenten werden in den Kraftpfad integriert und ermöglichen es durch Schaffung redundanter Zusatzachsen die Dynamik und Genauigkeit bestehender Werkzeugmaschinen erheblich zu steigern. Darüber hinaus bieten entsprechende Systeme die Möglichkeit den Zustand des Systems zu erfassen und auftretende Störungen auszugleichen.
Ein möglicher Ansatz zur Funktionserweiterung von Werkzeugmaschinen ist zum Beispiel der Einsatz einer adaptiven Spindelhalterung. Hierfür wurde eine Hexapod-Kinematik auf Basis von Piezo-Stapelaktoren entwickelt, in welche eine herkömmliche HSC-Motorspindel eingesetzt wird. Durch die paarweise Aktoranordnung und die Lagerung in einem kardanischen Festkörpergelenk ist es möglich die Motorspindel in fünf Freiheitsgraden zu bewegen. Der Arbeitsraum der Zusatzkinematik ergibt sich aus den Hüben und Anstellwinkeln der Piezoaktoren zu:
x, y = ±50 μm
z= ±61 μm
φx, φy = 0,6 mrad
Mit der adaptiven Spindelhalterung können dem eigentlichen Bearbeitungsprozess damit hochdynamische Bewegungen im Mikrometerbereich überlagert werden. Integriert in ein bestehendes Werkzeugmaschinensystem ergeben sich neue Fertigungsmöglichkeiten oder bestehende Prozesse können effektiver gestaltet werden. So können zum Beispiel Schwingungen kompensiert oder auch gezielt während der Bearbeitung eingebracht, komplexe Freiformbohrungen gefertigt oder thermischer Maschinenverzug kompensiert werden.
Adaptive Spindelhalterung zur hochgenauen Feinstpositionierung der HSC-Spindel
Prototyp einer Aktor-Sensor-Einheit mit Piezostapelaktoren zur Torsionskompensation in parallelkinematischen Maschinenstrukturen
