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Kontaktfreier Aktor trägt Last bei einstellbarer Schwebehöhe

Der LQI-Regler wurde auf einem Prüfstand zur Analyse der Eigenschaften des Hybridaktors implementiert. Das Gleitkissen mit einem Luftdruck p_Gk von 4 bar wirkt mit einer Kraft nach oben, der Magnet zieht mit einem Strom I von 1 A im Ausgangszustand nach unten. Als zusätzliche Last auf die Aktorik wirkt ein Pneumatikzylinder mit einer Kraft F in Höhe von 7,2 kN. Diese Kraft dient als Ersatzkraft für die Gewichtskraft eines Führungsschlittens. Ziel der Analyse mit diesem Aufbau ist die Identifikation des minimalen und maximalen Stellbereichs des Prototyps. Der erzielbare Stellbereich definiert für die spätere Anwendung als Führungssystem die maximal zulässige Abweichung der Führungsflächen in der Orientierung und Ebenheit. Dafür wurde ausgehend von einer Schwebehöhe z = 300 µm über eine Sollwertvorgabe die Schwebehöhe stufenweise bis 100 µm gesenkt (Bild 3). Während der Druck im Balg konstant gehalten wird, wird die Stromstärke des Elektromagneten zur Einstellung der Schwebehöhe erhöht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Absenken der Schwebehöhe bis 150 µm möglich war. Die Magnetstromstärke I konnte dafür auf bis zu 7 A erhöht werden, wobei eine Magnetkraft von bis zu 3,5 kN erzielt wurde. Ein weiteres Absenken auf einen Soll-Betriebspunkt von 100 µm erforderte eine magnetische Kraft, die die maximale Kraft des Elektromagneten überschritt. Entsprechend wurde der Betriebspunkt bei 100 µm nicht erreicht, wie in Bild 3a dargestellt. Die Einregelzeit t_ein während des Versuchs lag bei 3 s (siehe Bild 3c).

Untersuchung des Reglerverhaltens bei konstanter Schwebehöhe

In einer weiteren experimentellen Analyse wurde das Reglerverhalten bei konstanter Schwebehöhe und einer variierenden Last untersucht. Dafür wurde ausgehend von einer initialen Kraft des Pneumatikaktors auf die Hybridaktorik von 5,8 auf 3,8 kN verringert. Die Schwebehöhe konnte dabei durch einen Anstieg der Stromstärke am Elektromagneten und den damit einhergehenden Kraftanstieg konstant gehalten werden, wie in Bild 4a dargestellt. Ferner führten dynamische Laständerungen durch den Pneumatikaktor von bis zu 200 N zu einer maximalen Sollwertabweichung z_max von 3 µm. Die Hybridaktorik kann daher innerhalb eines 10 µm breiten Toleranzintervalls z_zul gehalten werden.

Die stabile Regelung der Schwebehöhe der Hybridaktorik ist für weitere Untersuchungen sehr entscheidend, damit auch als Schlittenverbund aus mehreren hybriden Aktoren bei wechselnden Lastanforderungen stabil positioniert werden kann. Ein mögliches Positionierintervall von 150 µm ermöglicht es, bis zu 150 µm hohe Stufen zwischen den einzelnen Segmenten einer Führungsflächen zu kompensieren. Dadurch sind höhere Form- und Lagetoleranzen der Führungsflächen zulässig, sodass potentiell auch geringere Fertigungs- und Montagekosten entstehen. Vergleichbare Führungskonzepte hängen bisher maßgeblich von präzise gefertigten Führungsoberflächen ab. Zukünftig wird an der Optimierung der Dynamik des Reglers und den zugehörigen Einschwingzeiten geforscht. Hierzu wird ein präziseres Systemmodell entwickelt, um die Robustheit weiter zu steigern. Des Weiteren sollen die Einsatzgrenzen eines Schlittenverbunds im praxisnahen Einsatz der umgriffsfreien Führung basierend auf dem Luftkissen und dem Elektromagneten erforscht werden.

(Das Forschungsprojekt „Grundlagen eines berührungslosen Aktors mit bidirektionaler Kraftwirkung für den Aufbau von umgriffsfreien Führungssystemen von spanenden Werkzeugmaschinen“ wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 60443824. Die Autoren danken der DFG für die finanzielle Unterstützung zur Durchführung des Projektes. (pk)

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, Dr.-Ing. Henning Buhl leitet am IFW den Bereich Maschinen und Steuerungen, M. Sc. Adrian Bergmann ist Mitarbeiter am IFW in der Abteilung Maschinenkomponenten.

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