Lasten auf Luft bewegen Flexibel erweiterbares Führungssystem mit stabilisierten Luftkissen

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Auf Luftkissensystemen können auch schwere Lasten, wie etwa Werkzeugmaschinen sicher und leicht bewegt werden. Wie das besonders gut geht, zeigt dieser Forschungsbeitrag vom IFW ...

Führungssysteme, wie Hydrostatiken oder Wälzführungen, mit langen Verfahrwegen – etwa für große Strukturbauteile von Flugzeugen – sind in der Herstellung aufgrund der präzisen Toleranzanforderungen sehr teuer und müssen mit hohem manuellem Aufwand iterativ ausgerichtet und montiert werden. Mit Luftkissen können schwere Lasten, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, aber auch über unebene Hallenböden leicht bewegt werden. Daraus abgeleitet, erforscht das IFW einen kombinierten Ansatz eines wartungsarmen Führungssystems, bestehend aus einem quasi reibungsfreien Luftkissen und einer magnetischen Vorspannung, die Unebenheiten in den Führungsflächen ausgleicht und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht.

Kombination aus Luftgleitkissen und Elektromagnet

Für die präzise Bearbeitung großer Bauteile, wie zum Beispiel Rumpfspanten von Flugzeugen, werden Werkzeugmaschinen mit großem Arbeitsraum und hochgenauen Führungssystemen benötigt. Hierfür werden meist Wälzführungen oder hydrostatische Führungen genutzt. Diese erfordern präzise gefertigte und ausgerichtete Führungsflächen, um den Fertigungsgenauigkeiten der Werkstücke im einstelligen Mikrometerbereich gerecht zu werden. Auch ist aufgrund des Umgriffs der Führung ein erhöhter Bauraum notwendig. Das bedeutet aber hohe Fertigungs- und Montagekosten. Um den hohen Investitionskosten entgegenzuwirken, wird am IFW eine neuartige Linearführung entwickelt, die verglichen mit den genannten Führungssystemen breitere Form- und Lagetoleranzintervalle in den Führungsflächen bei gleichbleibender Führungsgenauigkeit zulässt. Der innovative Ansatz verfolgt die Kombination eines Luftgleitkissens mit einem Elektromagneten. Die Führungsfläche besteht dabei aus ebenen Segmenten, sodass die Führungslänge beliebig erweitert werden kann.

So stabilisiert man die Gleitkissen magnetisch

Das Gleitkissen besteht aus einem elastischen Balg, der kontinuierlich mit Druckluft versorgt wird. Die ausströmende Luft bildet ein Polster, auf dem das Gleitkissen mit einer darauf befindlichen Last dann schweben kann. Ein reibungsfreier Schwebezustand wird erreicht, wobei der elastische Balg den Ausgleich von Unebenheiten des Untergrundes im zweistelligen Mikrometerbereich ermöglicht. Ferner ist die Führungspaarung aus Führungsfläche und Balg nahezu verschleißfrei. Die Schwebehöhe eines Gleitkissens ist hierbei nicht konstant, da diese von der Last und der Bodenbeschaffenheit abhängt. Eine gezielte Steuerung der Schwebehöhe erfolgt dabei nicht. Für eine hohe Präzision in dem angedachten Führungssystem wird daher ein Elektromagnet zur Stabilisierung der Schwebehöhe verwendet. Mit der Reluktanzkraft des Elektromagneten wird das Gleitkissen, welches die Levitationskraft aufbringt, gegen die Führungsoberfläche verspannt. Dies erhöht sowohl die Stabilität des Schwebezustands als auch die Systemsteifigkeit. Ein in den Magnetkern eingelassener Abstandssensor erfasst die Schwebehöhe des Systems. Damit kann die Schwebehöhe durch die Regelung des Spulenstroms präzise eingestellt werden. Das umgesetzte Konzept einer kombinierten Aktorik ist in Bild 1 dargestellt.

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