Adaptives Gegenspindelmodul steigert Rekonfigurierbarkeit

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Franke GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Institut für Werkzeugmaschinen Universität Stuttgart

Bei der Analyse der Eingriffsmöglichkeiten zur Positionseinstellung wurden unterschiedliche Konzepte angedacht. Als erstes Kriterium wurde der Ort des Eingriffs untersucht. Dabei kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht: zwischen Z-Schlitten und Gehäuse, in Reihe zur Wälzlagerung sowie eine verstellbare Lagerung als Substitution anstelle der jetzigen Wälzlagerung. Als zweites Kriterium wurden unterschiedliche physikalische Prinzipien untersucht. Außer dem rein mechanischen Prinzip können Verstellmöglichkeiten nach dem piezoelektrischen Prinzip, aber auch hydraulische oder aero-/hydrostatische Prinziplösungen angedacht werden. Als drittes Kriterium werden Möglichkeiten der Ausgestaltung der konstruktiven Lösungen näher betrachtet.

Dabei sollten neben einfachen Verstell- und Anpasselementen kraftverstärkende Elemente wie Schrauben, Hebel, Keile, Exzenter, federgestützte Konstruktionen und andere bewährte Verstellkonzepte in die Lösungsfindung mit einbezogen werden. Fünf ausgewählte Prinzipien zur Spindeleinstellung, die einer Bewertung unterzogen wurden, werden im Folgenden kurz vorgestellt (Bild 2).

Mit dem Konzept einer hydrostatischen Lagerung besteht die Möglichkeit, bei unterschiedlich beaufschlagten Ölnuten die Spindel in ihrer Lage ausrichten zu können (Bild 2a). Die hydrostatische Lagerung benötigt nur einen geringen Bauraum und könnte daher anstelle der jetzigen Lagerung in einem vergleichbaren Spindelgehäuse implementiert werden. Die Lagerung selbst erfordert eine völlige Neuauslegung oder -konstruktion und ist im Aufbau und im Betrieb verhältnismäßig aufwändig.

Vorgespannte Piezo-Aktoren wirken auf Druckelemente

Das Bild 2b zeigt ein Konzept mit vorgespannten Piezo-Aktoren, die über kleine Kontaktflächen Drehmoment-entkoppelt, also ohne Torsions- und Biegebelastung, auf spezielle Druckelemente wirken. Um die erforderliche Spindelorientierung zu erreichen, werden mindestens sechs Sensoren und Aktoren benötigt. In Bild 2c ist der erste Entwurf des Doppelexzenterprinzips dargestellt, das als Lösungskonzept ausgewählt und verfeinert wurde und auf das im nächsten Abschnitt näher eingegangen wird.

Sechs oder acht sehr kompakte Verstellelemente, im Spindelgehäuse integriert, ermöglichen bei einem hydraulischen Konzept (Bild 2d) eine relativ große Variation der Spindelorientierung. Bei Verwendung eines Tubussystems, bei dem die jetzige Spindel in ein zusätzliches Gehäuse montiert ist, ändert sich bei unterschiedlicher Orientierung zudem der Abstand zwischen Rotor und Stator nicht. Die notwendige Sensorik könnte in die Verstellelemente integriert werden.

Bei einem Konzept mit einstellbaren Anpassleisten (Bild 2e) werden Kolben und Wegsensoren zur Einstellung und Bestimmung der Position und Neigung verwendet. Die Gegenspindel wird mit Hilfe der Kolben genau auf das erforderliche Einstellmaß positioniert. Mit den Wegsensoren werden die zugehörigen Werte ermittelt, um die einstellbaren Anpassleisten durch genau eingeschliffene Abstimmplatten für den Betrieb der Drehmaschine zu ersetzen.

Das Exzenterkonzept basiert auf zwei ringförmigen Verstelleinheiten, die zwischen der eigentlichen Spindeleinheit und einem umliegenden Modulgehäuse angeordnet sind. Jede Verstelleinheit weist dabei jeweils zwei ineinander liegende exzentrische Ringe auf, die in ihrer Winkellage verstellbar sind und folglich durch die Ausrichtung der Exzentrizitäten eine Verstellung der Spindelachse in der X- und Y-Richtung ermöglichen. Das Funktionsprinzip ist in Bild 3 dargestellt.

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