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Nutzung der Antriebsposition steigert Messgenauigkeit

Um zu überprüfen, ob hingegen die Antriebsposition zur Messung der Spannkraft geeignet ist, wurde der in Bild 2 gezeigte Prüfaufbau herangezogen.

Der Prüfaufbau besteht aus einem einzelnen Wellgetriebemotor sowie einer Gewindespindel, mit der die Rotationsbewegung des Wellgetriebemotors in eine lineare Stellbewegung in Z-Richtung übertragen wird. Der Prüfaufbau bildet somit einen der insgesamt vier Antriebsstränge der Betätigungseinheit ab (siehe wieder Bild 1 rechts). Eine Kraftmessdose vom Typ U9B der Hottinger Brüel & Kjaer GmbH erfasst die vom Motor über die Gewindespindel aufgebrachte Betätigungskraft F_Betät in Z-Richtung. Weil die vier Antriebstränge im Kraftspannfutter mechanisch parallel verschaltet sind, entspricht die gemessene Betätigungskraft einem Viertel der erzielbaren Betätigungskraft des Gesamtsystems F_Betät,ges. Mit dem Prüfaufbau wird somit nicht die Spannkraft selbst gemessen.

Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Im Rahmen der Versuche wurden mit dem Motor unterschiedliche Winkelpositionen mit konstanter Drehgeschwindigkeit angefahren und dabei die erzeugte Betätigungskraft F_Betät erfasst.

Zur statistischen Absicherung der Versuche wurden insgesamt fünf Messvorgänge durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Bild 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt die ermittelte Betätigungskraft F_Betät in Abhängigkeit der Winkelposition ϕ. Die Winkelposition stellt das im Wellgetriebemotor integrierte Winkelmesssystem über die Digitalschnittstelle RS232 in Inkrementen (Ink) bereit. Ein Inkrement ist die kleinste Winkeländerung, die mithilfe des Messsystems erfasst werden kann. Eine vollständige Drehung der Gewindespindel um 360° entspricht dabei einer Anzahl von 400.000 Ink.

Im Rahmen der Versuche wurde mit der konstanten Drehgeschwindigkeit v_Dreh = 10.000 Ink pro Sekunde der Motor bis zur Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink positioniert. Im Anlaufbereich bis zur Winkelposition ϕ ≈ 60.000 Ink findet ein reduzierter Kraftanstieg statt, da zunächst das Spiel des Lagers und der Gewindespindel überwunden werden muss. Für den anschließenden Bereich des Kraftanstiegs bis zur Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink konnte für alle fünf Messvorgänge eine maxi-male Betätigungskraft von F_Betät ≈ 12 Kilonewton erzielt werden. Bei vier Antriebssträngen entspricht dies einer theoretischen Gesamtbetätigungskraft von F_Betät,ges ≈ 48 Kilonewton. Mit dem Proportionalitätsfaktor k = 2,5 zwischen der eingeleiteten Betätigungskraft und wirkender Spannkraft resultiert hieraus eine maximale Spannkraft von F_Spann ≈ 120 Kilonewton.

Im Hinblick auf die angestrebte Messgenauigkeit ist in Bild 3 anhand der fünf Messvorgänge für jede Winkelposition die erzielte Standardabweichung angegeben. Zur Einhaltung einer Messabweichung von ΔF_Spann,soll ≤ 150 Newton zur real wirkenden Spannkraft, muss die Grenzabweichung σ_Grenz gemäß Gleichung 1 erfüllt sein.

Dieser Grenzwert wird grundsätzlich nicht überschritten. Die maximale Messabweichung wird an der Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink registriert mit einem Kraftunterschied ΔF_Betät ≈ 58 Newton. Mit dem Proportionalitätsfaktor k = 2,5 zwischen der eingeleiteten Betätigungskraft und wirkender Spannkraft resultiert hieraus ein Spannkraftfehler ΔF_Spann ≈ 145 Newton. Es lässt sich somit festhalten, dass durch die Nutzung des Positionssignals die Sensitivität der Spannkraftmessung im Vergleich zur antriebsstrombasierten Methode um bis zu 71 Prozent gesteigert wird. Dabei ermöglicht die antriebspositionsbasierte Messmethode eine hinreichend präzise Spannkraftmessung zur Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke.

Fazit, Ausblick und Danksagung

Vorgestellt wurde eine Methode zur Kraftmessung an Kraftspannfuttern, die auf Antriebssignalen von Motoren basiert, welche in das Kraftspannfutter integriert sind. Eine hohe Messgenauigkeit konnte mit der gemessenen Winkelposition der Motoren erzielt werden. In Hinblick auf die Spannung dünnwandiger Bauteile konnte eine Messunsicherheit von ΔF_rel ≤ 0,5 Prozent erreicht werden. Eine besondere Herausforderung stellt allerdings eine hohe Sensitivität des Messprinzips mit Blick auf die Drehgeschwindigkeit dar. Um eine genaue Messung der wirkenden Kräfte auch bei schwankender Drehgeschwindigkeit sicherzustellen, wird eine steuerungsseitige Geschwindigkeitskompensation umgesetzt. Mit der Fertigstellung des gesamten Spannsystems wird dann ab Januar 2022 dessen Verhalten im Rahmen von Zerspanungsprozessen analysiert.

Die dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Verbundprojektes „CyberChuck“ (Förder-kennzeichen: 02P18K601) erarbeitet. Das Verbundprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „KMU-innovativ: Produktionsforschung“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Ein besonderer Dank gilt dem Projektpartner HWR Spanntechnik GmbH. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Literatur

[WEC13] Weck, M.; Brecher, C. (2013) Maschinenarten und Anwendungsbereiche. Springer Vie-weg, Berlin.

[DEN21] Denkena, B.; Bergmann, B.; Wnendt, E.; Meier, M. (2021) Online Spannkraftmessung mit einem elektrischen Drehspannspannfutter. mav 2021(12) S. 51-53

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