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maschine+werkzeug 03/2013

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Dynamischere Maschinen

Antriebe – Wissenschaftler des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) an der Uni Hannover haben den Prototypen eines direkt angetriebenen Flächenmotors entwickelt, der zwei Antriebsrichtungen gleichzeitig verfahren kann.

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Zur Führung eines Werkstücks auf einer Kreisbahn benötigt eine Werkzeugmaschine bislang zwei Elektromotoren. Der erste lineare Motor bewegt einen Schlitten in eine Achsrichtung, während ein zweiter Linearmotor mitbewegt werden muss, als serielle Kinematik. Gemeinsam können diese beiden Motoren alle Punkte einer Ebene ansteuern und beispielsweise einen Kreis, Rechteck oder eine gesteuerte Bahn abfahren. Geführt werden diese Antriebe typischerweise innerhalb eines Maschinentisches mit zwei konventionellen Profilschienenführungen. Nachteilig in einer Anordnung mit Lineardirektantrieben ist jedoch die serielle Struktur, die eine zusätzlich bewegte Masse darstellt.

Ferner wird mehr Platz in der Konstruktion benötigt. Dies sind ungünstige Eigenschaften, wenn es um schnelle und präzise Positioniervorgänge, insbesondere in hochdynamischen Werkzeugmaschinen, geht. Die Idee war es, anstatt der zwei Linearmotoren nur einen Antrieb für die Positionierung in der Ebene zu nutzen, welcher Vorschubkräfte in zwei Achsrichtungen gleichzeitig erzeugen kann. Hierfür wird innerhalb des DFG-geförderten Projekts ›Flächenmotor‹ an einer Lösung gearbeitet. Der neuartige Motor besitzt nur ein Motorprimärteil und ein mit Permanentmagneten bestücktes Motorsekundärteil [Den11]. Durch die Anordnung kann die zweite zusätzlich mitgetragene Linearachse entfallen.

Bisherige planare Antriebskonzepte nutzen oftmals das Reluktanzprinzip zur Erzeugung der Vorschubkräfte auf planen Ebenen [Dit06]. Vorteile entstehen bei der Möglichkeit zur reibungsfreien Luftlagerung von Mehrkoordinatenantrieben. Die vorhandene Anziehungskraft zwischen dem aktiven Teil des Motors wird somit ideal mit der entgegenwirkenden Luftlagerung kombiniert. Ferner sind die bewegten Massen der Primärteile recht klein, was für eine hohe Dynamik bei Positioniervorgängen wie ›Pick-and-place‹-Anwendungen sorgt.

Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass die Vorschubkräfte der Reluktanzantriebe im Verhältnis zur Baugröße klein sind (typisch <300 N max.) [Pan05]. Oftmals ist die Positioniergenauigkeit von der Schrittweite des Motors abhängig (je nach Ausführungsform). Die Größe des Sekundärteils bestimmt die maximalen Verfahrwege der Anordnung und beträgt in konventioneller Bauweise circa 1000 x 1000 mm [Dit06].

Direktangetriebene Synchronplanarmotoren bieten als mögliches planares Antriebskonzept den Vorteil einer höheren Kraftdichte des Primärteils. Prinzipbedingt ist die Vorschubkraft größer als es bei Reluktanzantrieben der Fall ist (typisch > 300 N max.), da Permanentmagnete ihren Einsatz finden. Die Positioniergenauigkeit des Motors hängt von dem verwendeten Glasmaßstab zur Positionsmessung und der nachgelagerten Regelung ab, bei der hohe Regelbandbreiten realisiert werden. Dem stehen aber auch Nachteile gegenüber, wie zum Beispiel eine notwendige wasserbasierte Kühlung des Motors. Aufgrund des Einsatzes von Seltenerden-Permanentmagneten (NdFeB – Neodym-Eisen-Bor) entsteht eine statische Vormagnetisierung des Sekundärteils. Daraus resultieren starke Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil des Motors, die konstruktiv zu kompensieren sind.

Durch den Einsatz einer Kreuztischführung ist das System nicht reibungsfrei, sondern die Reibung hängt von der Geschwindigkeit des bewegten Tisches und von der Lastmasse ab. Wegen der gestiegenen Magnetmaterialkosten entstehen höhere Kosten bei der Technologie der Direktantriebe als dies bspw. bei Kugelgewindetrieben der Fall ist. Außerdem sind hohe Anforderungen an das Design und die Auslegung des Kreuztisches mit einer Struktur hoher Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gegeben.

Der am IFW entwickelte Motor besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: Einerseits das aktive Primärteil mit dem Wicklungssystem (vergleichbar dem Stator einer Rotationsmaschine) und andererseits das passive Sekundärteil mit Permanentmagneten (vergleichbar einem Permanentmagnet-bestücktem Rotor). Das Primärteil kann sich linear über der Fläche bewegen [Den09]. Die integrierten Spulengruppen für die X-, und Z- Achse werden durch je einen eigenen Antriebsregler getrennt voneinander bestromt. Das Sekundärteil besteht aus einem abwechselnden schachbrettartigen Magnetsystem von Nord- und Südpolen, welche geometrisch zum Primärteil ausgerichtet sind.

Der Motor ist hängend an einer Kreuztischkonstruktion, bestehend aus X- und Z-Schlitten, angebracht. Zu erkennen sind ferner die Magnete auf der Bodenplatte der Anordnung. Auf der Oberseite steht ein Bohrungsraster zur Verfügung, auf der Werkstücke durch Schraubverbindungen befestigt werden. Die Verfahrwege des ersten Prototypen betragen 210 mm in der Z-Achse und 30 mm in der X-Achse. Die Polteilung des Motors beträgt 22 mm. Dabei definiert die Polteilung den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Permanentmagneten.

Dieser Abstand ist in beide Verfahrrichtungen des Motors gleich. Eine der zentralen Herausforderungen war die elektromagnetische Auslegung des Primärteils sowie der passenden Sekundärteilgeometrie um ein symmetrisches Verhalten der Vorschubkräfte in beide Achsrichtungen zu erreichen. Mittlerweile ist der Prototyp in Betrieb und bewegt einen Arbeitstisch mit den Maßen 300 x 300 mm. Dabei kann der mit einem Bauteil bestückte Arbeitstisch beim Positionieren mit bis zu 1 g beschleunigt werden, was der Erdbeschleunigung entspricht.

Dargestellt ist der Kreuztisch mit Positionsmesssystem, Spindel und Werkzeug. Mittels einer bereitstehenden hybridkinematischen fünfachsigen Werkzeugmaschine wurden Fräsversuche mit dem Motor durchgeführt. Die eingesetzte direktangetriebene Spindel besitzt eine HSK-32-Schnittstelle und kann bei 10 kW Spindelleistung eine Maximaldrehzahl von 30000 1/min erreichen. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Einsatzfähigkeit des Antriebs unter Berücksichtigung externer Fräskräfte in Werkzeugmaschinen zu erforschen. Insbesondere die Auswirkungen von statischen und dynamischen Störkräften durch einen Fertigungsprozess werden mittels Fräsversuchen an Kunststoff und Aluminiumbauteilen erforscht.

Hierbei sind Rechtecke und Schriftzüge in die Oberfläche eines Bauteils eingebracht worden.

Kreisformtests beurteilen das dynamische Verhalten des Antriebs. Als spätere industrielle Lösung können zwei konventionelle Antriebsregler eine Kombination mit dem Flächenmotor bilden, um Bewegungen in einer Ebene zu erzeugen.

  • Prototypischer Flächenmotor angeordnet in einer klassischen Führungskonstruktion als Kreuztisch.

    Prototypischer Flächenmotor angeordnet in einer klassischen Führungskonstruktion als Kreuztisch.

  • Die Idee für den Flächenmotor war, nur einen Antrieb für die Positionierung in der Ebene zu nutzen, der Vorschubkräfte in zwei Achsrichtungen gleichzeitig erzeugen kann.

    Die Idee für den Flächenmotor war, nur einen Antrieb für die Positionierung in der Ebene zu nutzen, der Vorschubkräfte in zwei Achsrichtungen gleichzeitig erzeugen kann.

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Unternehmensinformation

Institut für Fertigungstechnik Und Werkzeugmaschinen (IFW)

An Der Universität 2
DE 30823 Garbsen
Tel.: 0511-762-0

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