Bearbeitungszentrum Piezobasiertes System erhöht Präzision der Werkzeug-Feinpositionierung

Autor / Redakteur: Reimund Neugebauer und Volker Wittstock / Bernhard Kuttkat

Die piezobasierte, adaptive Spindelhalterung verbessert die Eigenschaften des Zerspanungsprozesses in Bereichen, die mit herkömmlichen Maschinensystemen nur schwer realisierbar sind. Sie hat gute dynamische Eigenschaften bei gleichzeitiger hoher Positioniergenauigkeit. Die Prozessstabilität wird durch die geringen bewegten Massen und die strukturintegrierten Piezoaktoren als Antriebe erreicht.

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Die Feinpositionierung per Piezoaktorik beschränkt sich nicht nur auf die Korrektur oder Einstellung der Spindellage. Die Modularität lässt auch die Integration als adaptiv einstellbarer Tisch zu. Bild IWU
Die Feinpositionierung per Piezoaktorik beschränkt sich nicht nur auf die Korrektur oder Einstellung der Spindellage. Die Modularität lässt auch die Integration als adaptiv einstellbarer Tisch zu. Bild IWU
( Archiv: Vogel Business Media )

Die piezobasierte Verstellung einer HSC-Frässpindel entstand im Auftrag eines Spindelherstellers. In umfangreichen Grundlagenuntersuchungen hatte das Fraunhofer IWU bereits so genannte adaptronische Aktor-Sensor-Einheiten entwickelt, die Schwingungen in einer Richtung (uniaxial) kompensieren können [1].

Diese aktiven Komponenten stellen Zusatzantriebe dar, die sowohl statische als auch dynamische Abweichungen von der vorgesehenen Bewegungsbahn hochdynamisch ausgleichen können. Mit einem solchen dezentral geregelten System konnte beispielsweise das Axialschwingungsverhalten einer Vorschubachse verbessert werden.

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In einem weiteren Entwicklungsschritt wurde nun versucht, das Bewegungsverhalten von Komponenten zu verbessern, die mehrachsigen Störgrößen unterliegen. Für das Projekt wurde eine HSC-Spindel ausgewählt, die in eine am Fraunhofer IWU vorhandene Versuchsmaschine zur Verifizierung adaptronischer Komponenten integrierbar ist. Die Versuchsmaschine selbst kann die HSC-Spindel nur in den Bewegungsachsen x, y und z positionieren.

Die Entwicklungsaufgabe eines Industriepartners bestand in der Realisierung zusätzlicher Kippbewegungen um die Achsen x und y (A- und B-Achse). Mit dem gewählten Antriebsprinzip gelang es zusätzlich, die Spindel auch in den translatorischen Richtungen x, y und z zu positionieren.

Piezobasiertes parallelkinematisches Antriebssystem als Favorit

Von den konzeptionellen Entwürfen wurde ein piezobasiertes parallelkinematisches Antriebssystem favorisiert. Das Funktionsprinzip zeigt Bild 1 (siehe Bildergalerie).

Im CAD-Modell ist das Kernstück des Aufbaus, ein kardanisches Festkörpergelenk, hervorgehoben. Auf dieses Element ist im konkreten Fall eine HSC-Spindel montiert, das heißt, die ursprüngliche Komponente wurde nur ergänzt und konnte bei den gegebenen Platzverhältnissen weiterverwendet werden.

Das Festkörpergelenk kann bis auf die Drehung um die z-Achse (C-Achse) in alle Richtungen bewegt werden. Durch die Gestaltung ist gewährleistet, dass sich die Kardanachsen und die z-Achse in einem Punkt treffen.

Im Winkel von 120° greifen jeweils zwei Piezoaktoren in Differenzialanordnung an. Durch diese räumliche Anordnung ist die notwendige Vorspannung der moment- und querkraftfrei montierten Piezoaktoren gegeben. Ein weiterer Vorteil der differenziellen Anordnung ist die Möglichkeit, die Kraftwirkung der Piezoaktoren in entgegengesetzten Richtungen generieren zu können.

Spindelposition wird in alle Bewegungsrichtungen direkt erfasst

Fünf kapazitive Wegsensoren sind am oberen Flansch so positioniert, dass die Spindelposition in alle Bewegungsrichtungen direkt erfasst wird. Durch die geringen bewegten Massen (nur die Masse der Spindel) und die parallelkinematische Anordnung der Piezoaktoren sind eine hohe Dynamik und präzise Zustellbewegungen gegeben.

Weil Piezoaktoren elektrische Kapazitäten sind, steigt deren Strombedarf bei konstantem Spannungsniveau mit zunehmender Ansteuerfrequenz linear an. Wird der Verstellmechanismus dynamisch betrieben, ist deshalb für jeden der sechs Ansteuerkanäle eine ausreichende Verstärkerleistung für die verwendeten Hochvolt-Piezoaktoren (maximal 1000 V) vorzusehen.

Die prototypische Umsetzung von Regelungs- und Steuerungsalgorithmen in Echtzeit erfolgt mit dem in Matlab/Simulink integrierten Programmpaket XPC-Target. Das auf einem Desktop-PC (Host-PC) erstellte, blockorientierte Modell wird mit einem C/C++- Compiler in einen ausführbaren Code umgewandelt.

Alle Signale und Parameter des Modells werden in eine Variable geschrieben. Sie dient als Schnittstelle zwischen dem Desktop-PC und dem Industrie-PC (Target-PC), der das Steuerungsmodell in Echtzeit abarbeitet.

Nach der D/A-Wandlung steht die Ansteuerspannung pro Aktor am Eingang der Spannungsverstärker zur Verfügung. Die Sensorsignale werden entsprechend nach einer A/D-Wandlung in den Target-PC eingelesen und verarbeitet.

Grafische Bedienoberfläche zur Ansteuerung der adaptiven Spindelhalterung

Zur Ansteuerung der adaptiven Spindelhalterung wurde eine grafische Bedienoberfläche mit integrierten Sicherheitsfunktionen und Grenzwerten erstellt. Der für Versuchszwecke notwendige Schwingungserreger (Shaker) und zusätzliche Messeinrichtungen wurden ebenfalls in die XPC-Target-Umgebung einbezogen. Die entwickelten Algorithmen können natürlich auch auf einer industriefähigen Plattform umgesetzt werden.

Piezokeramische Aktoren werden durch die mechanischen Kennwerte Blockierkraft und freier Hub charakterisiert. Wie aus dem Namen hervorgeht, wird die maximale Blockierkraft nur dann geniert, wenn der Hub beispielsweise durch eine äußere Störkraft verhindert wird. Wirkt keine äußere Kraft auf den Aktor, kann der maximale Hub erreicht werden. Elastische Elemente, die parallel oder in Reihe zum Piezoaktor im Kraftfluss liegen, beeinflussen diese Kennwerte.

Die in [2] für eine uniaxial oder einachsig wirkende Komponente definierten Gestaltungsfaktoren wurden deshalb auf den multiaxial beziehungsweise mehrachsig wirkenden Mechanismus übertragen. Die Gestaltungsfaktoren sind dabei das Verhältnis der Steifigkeiten der diskreten Elemente zur mechanischen Steifigkeit der Piezoaktoren.

Die bereits realisierten aktiven Komponenten zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der Piezoaktoren vor allem durch die in Reihe geschalteten (seriellen) Steifigkeiten der Ankoppelelemente (Fugen) und durch die parallel zu den Piezoaktoren wirkende Festkörpergelenksteifigkeit eingeschränkt wird.

Ansteuerroutinen berechnen Randbedingungen für Spindel-Arbeitsräume

Die allgemeine Beschreibung des Arbeitsraumes erfolgt mit fünf auf die jeweiligen Bewegungsrichtungen x, y, z, φx und φy reduzierten mechanischen Modellen. Zusätzlich sind in diesen Modellen die Spindellager und das Werkzeug integriert. Mit Ansteuerroutinen können die Arbeitsräume für unterschiedliche Randbedingungen, wie eine vorgegebene Werkzeugneigung, berechnet und grafisch ausgewertet werden.

Der Vergleich der Bewegungen in den vertikalen und horizontalen Ebenen durch den Nullpunkt im Bild 3 zeigt deutlich den Einfluss der richtungsabhängigen Steifigkeiten des Festkörpergelenkes. Für einen Schaftfräser (16 mm Durchmesser) betragen die maximalen Hübe und Neigungen beispielsweise x, y = ±50 µm, z = ±61 µm, φx, φy = ±0,6 mrad sowie die Blockierkräfte FB,x, FB,y = ±1,35 kN und FB,z = ±3,4 kN (Abstand TCP — vorderes Spindellager etwa 150mm).

Die minimale Schrittweite des elektromechanischen Antriebssystems wurde im Step-Response-Test beim aktuellen Ausrüstungsstand mit 0,3 µm nachgewiesen (Bild 4a). Für die Verifizierung des Frequenzverhaltens wurde der Nachgiebigkeitsfrequenzgang gemessen (Bild 4b). Das aktive System ist bereits mit einfachen Regelungsstrategien geeignet, Schwingungsamplituden bis 250 Hz deutlich zu minimieren und damit die Prozessstabilität bei der Genauigkeitsbearbeitung zu erhöhen.

Das Bild 5 zeigt in einem CAD-Modell mögliche Anwendungsfälle für die adaptive Spindelhalterung. Die Applikationen beschränken sich dabei nicht nur auf die Korrektur oder Einstellung der Spindellage. Die Modularität des Konzeptes lässt auch die Integration als adaptiv einstellbarer Tisch zu. In diesem Falle kann die Komponente mit einem direkten Kraftmesselement ausgerüstet werden.

Bei vielen Anwendungen ist es darüber hinaus sinnvoll, die Feinpositionierung auf bestimmte Bewegungsrichtungen zu begrenzen und somit den Kostenaufwand entsprechend dem Zugewinn an Funktionalität zu beschränken. Das vorhandene Modul kann an unterschiedlichste Maschinen beziehungsweise Zerspanungsaufgaben angepasst werden und steht Interessenten für experimentelle Untersuchungen zur Verfügung.

Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz und Dresden; Dr.-Ing. Volker Wittstock ist Gruppenleiter Werkstoffe und Komponenten der Abteilung Adaptronik und Akustik am Institut.

Literatur:

[1] Wittstock, V.: Piezobasierte Aktor-Sensor-Einheiten zur uniaxialen Schwingungskompensation in Antriebssträngen von Werkzeugmaschinen. Zwickau: Verlag Wissenschaftliche Scripten 2007.

[2] Wittstock, V.: Entwicklung piezobasierter Komponenten für den Maschinenbau. Konstruktion 3/2006, S. 61–66.

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