Piezoaktive Profilschienenführung

Neue Materialien und Kostendruck zwingen die Hersteller, ihre Maschinen und Prozesse an der Auslastungsgrenze und damit mit maximalen Standzeiten zu betreiben. Maschinenausfälle infolge von planmäßigen Wartungen führen zwangsweise zu Stillstandszeiten. Derartige Wartungseingriffe dienen dazu, Verschleißteile in Maschinen zu überprüfen und ggf. zu ersetzen. Insbesondere Antriebssystemen von Werkzeugmaschinen kommt eine hohe Bedeutung in der Fertigungspräzision zu. Damit diese auch bei hoher Dynamik und Wärmeentwicklung gewährleistet ist, werden zur Führung meist Profilschienenführungen eingesetzt. Diese ermöglichen mit entsprechender Vorspannung eine spielfreie Relativbewegung. Demgegenüber hat die Vorspannung einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der beteiligten Komponenten, da damit die mittlere Last vergrößert wird. Entscheidend dabei ist, dass diese Last auch in den Arbeitsphasen der Maschine wirkt, in denen die Fertigungsgenauigkeit nicht relevant ist.

Im Rahmen eines IGF-Projekts wird am Fraunhofer IWU eine aktive Profilschienenführung entwickelt. Integrierte Piezoaktoren sollen dafür sorgen, dass die Komponente zwischen zwei Vorspannklassen wechseln kann. Üblicherweise bestimmen die Kunden bereits beim Kauf über die gewünschte Vorspannklasse – eine nachträgliche Anpassung ist nur durch den Austausch der Wälzkörper möglich und daher sowohl zeit- als auch kostenaufwändig. Ein flexibles Umschalten ermöglicht den Anwendern damit, den Kompromiss aus Präzision und Lebensdauer zumindest teilweise umgehen zu können. Die adressierten Vorspannklassen bestimmen hierbei die Zielvorgaben für die zu realisierende Stellperformance bzw. Effektstärke durch die Aktorik.

Das Erreichen der erforderlichen Effektstärke unter Berücksichtigung der verfügbaren Bauräume stellt die wesentliche Herausforderung des Projekts dar. Der mechatronische Systementwurf basiert auf einer möglichst exakten Nachbildung der strukturmechanischen und nichtlinearen Eigenschaften der Profilschienenführungs-Komponente. Diese werden maßgeblich durch die Wälzkörper und die damit eingebrachte Systemvorspannung bestimmt. Mit dem Modell ist es möglich, die Auswirkung von konstruktiven Anpassungen am Führungswagen zu berechnen und die damit verbundenen Parameter mittels einer FE-Optimierung so einzustellen, dass die Zielvorgaben erreicht werden. Die für den Betrieb erforderliche Leistungselektronik wird unmittelbar an die Komponente angebracht und ermöglicht damit einen Betrieb mit einer 24V-Spannungsversorgung.