Antriebskonzept für Vorschubantriebe basierend auf der Anwendung eines trägheitsbasierten Impulsaktors

Diese Erfindung ermöglicht die Steuerung von Werkzeugmaschinen durch die abrupte Änderung des Bewegungszustands des Tisches mittels eines Impulsstoßes. Dadurch könnten die neuen Werkzeugmaschinen Verbesserungen in der Konturgenauigkeit, der Prozessqualität und der Bearbeitungszeit erzielen.

• Prozessoptimierung durch eine höhere Konturgenauigkeit
• Weniger Bearbeitungszeit
• Optimale Bahngeschwindigkeit an einer Ecke

Dieses Antriebskonzept kann für maßgeschneiderte Anwendungen eingesetzt werden, wobei die Komplexität und die Kosten der notwendigen Zusatzaktorik durch die jeweilige Anwendung gerechtfertigt werden müssen. Außerdem sollen im Folgenden primär hochdynamische Anwendungen betrachtet werden, bei denen die Trägheitskräfte dominieren.

Diese Technologie bietet vielseitige Anwendungen in verschiedenen hochpräzisen und fortschrittlichen Bearbeitungsprozessen. Sie ist besonders geeignet für HSC-Bearbeitung, Wasserstrahl-/Laserschneiden, Laserschweißen, Additive Fertigung, Handling/Pick&Place.

In modernen Werkzeugmaschinen können Vorschubantriebe kontinuierliche Änderungen von Bewegungsgrößen wie Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung erzielen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Antriebe nur ein begrenztes Drehmoment bzw. eine begrenzte Kraft aufbringen können und der maximale Antriebsruck in der Regel limitiert ist. Daher ist es nicht möglich, unstetige Bewegungsprofile abzufahren. Beispielsweise erfordert das Durchfahren einer Ecke mit zwei synchronisierten Achsen bei konstanter Bahngeschwindigkeit eine sprunghafte Änderung der Achsgeschwindigkeiten. Eine Erhöhung der Antriebsleistung führt dazu, dass größere Kräfte aufgenommen werden müssen, was eine höhere Trägheit zur Folge hat und somit keine signifikante Verbesserung der Dynamik ermöglicht.

Derzeit kann diese Problematik dadurch gelöst werden, dass durch den Einsatz großer Antriebsleistungen die notwendige Zeit für eine Geschwindigkeitsänderung minimiert wird. Dies führt jedoch zu entsprechend großen Reaktionskräften bzw. Momenten, die konstruktiv abgeleitet werden müssen. Für das Beispiel des Abfahrens einer Ecke gibt es unterschiedliche Strategien, die jedoch immer einen Kompromiss darstellen. Entweder muss die Bahngeschwindigkeit verringert, die Ecke mit einer Verrundung versehen oder ein Zusatzweg eingefügt werden.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen wird häufig ein möglichst genaues Abfahren der Werkstückgeometrie gefordert. Gleichzeitig erfordern viele Prozesse eine möglichst konstante Bahngeschwindigkeit. Die bisherigen Verfahren stellen dabei lediglich einen Kompromiss zwischen diesen Anforderungen dar.

Diese Erfindung beschreibt eine neuartige Vorrichtung zur Steuerung von Werkzeugmaschinen, bei der das Antriebskonzept des Maschinentisches weiterentwickelt wurde. Durch einen Stoß einer Impulsmasse wird der Bewegungszustand des Tisches ruckartig verändert, wodurch Unstetigkeiten der Sollbahn des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück besser realisiert werden können. Der Stoß erzeugt eine gewünschte Unstetigkeit in der Tischbewegung, was die Anforderungen an die maximal erreichbare Beschleunigung der Vorschubantriebe reduziert. Dadurch können Verbesserungen in der Konturgenauigkeit, Prozessgüte und Bearbeitungszeit erzielt werden.

Ein Team der Universität Stuttgart hat dieses Antriebskonzept entwickelt. Es ermöglicht eine konstant hohe Bahngeschwindigkeit, was sich positiv auf die Bearbeitungszeit und Prozessqualität auswirkt. Gleichzeitig wird die Geometriegenauigkeit der Werkstücke an Kanten und Unstetigkeiten verbessert.

1. Schulte, A. Lechler and A. Verl, "Impact Actuator for Increased Dynamics," IECON 2022 – 48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Brussels, Belgium, 2022, pp. 1-6, doi: 10.1109/IECON49645.2022.9968593
2. Schulte, Alexander ; Lechler, Armin ; Verl, Alexander: Konzeption eines zweiachsigen Impulsaktors. In: wt Werkstattstechnik online, 111 (2021), Nr. 05, S. 282-285