Noch exakter Präzisere Zahnstange-Ritzel-Antriebe durch lernende Fehlerkompensation

Von A. Verl, A. Lechler und L. Steinle

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Maschinenbauer müssen ihre Systeme immer präziser und dynamischer machen. Das ist im Falle von Zahnstange-Ritzel-Antrieben in bestimmten Fällen nicht trivial. Doch es gibt jetzt eine Lösung ...

Maschinen müssen immer dynamischer und dabei präziser arbeiten. Wenn es um lange Wege mit hohen Lasten geht, für die Zahnstange-Ritzel-Antriebe genutzt werden, stieß man bisher an Grenzen. Forscher des ISW der Universität Stuttgart können jetzt aber Abhilfe schaffen.
Maschinen müssen immer dynamischer und dabei präziser arbeiten. Wenn es um lange Wege mit hohen Lasten geht, für die Zahnstange-Ritzel-Antriebe genutzt werden, stieß man bisher an Grenzen. Forscher des ISW der Universität Stuttgart können jetzt aber Abhilfe schaffen.
(Bild: ISW)

An moderne Fertigungsanlagen werden immer höhere Ansprüche im Hinblick auf Präzision und Dynamik gestellt. Für lange Verfahrwege mit großen Lasten sind Zahnstange-Ritzel-Antriebe die Antriebsart der Wahl. Der aber nicht ideale Gleichlauf der Verzahnung beeinträchtigt jedoch die Bahngenauigkeit. Diesem Problem kann durch Methoden des maschinellen Lernens in Verbindung mit einer adaptiven Fehlerkompensation in der Regelung begegnet werden, wie sie am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart ersonnen wurde.

Umkehrspiel und Gleichlauffehler beeinträchtigen die Präzision

Die Fertigungsgüte und Dynamik moderner Produktionsanlagen werden maßgeblich durch die verbauten Antriebssysteme limitiert. Sie definieren die maximalen Vorschubkräfte, statische und dynamische Steifigkeiten sowie die erzielbare Bahn- und Positioniergenauigkeit. Der Markt für hochdynamische lineare Antriebssysteme teilt sich dabei auf Kugelgewindetriebe (KGT), Lineardirektantriebe (LDA) und Zahnstange-Ritzel-Antriebe (ZRA) auf.

Letztere sind die bevorzugte Wahl für Anwendungen mit langen Verfahrwegen und hohen Lasten, weil sich die Achslänge durch Aneinanderreihen stationärer Zahnstangenelemente beliebig skalieren lässt, ohne die bewegte Masse zu erhöhen oder die Steifigkeit zu reduzieren. Diese Vorteile in Kombination mit einer sehr guten Wirtschaftlichkeit haben den ZRA einen festen Platz in vielen industriellen Anwendungen verschafft. Beispielsweise werden sie im Bereich von Portalfräsmaschinen, Laserschneidanlagen oder als Linearachsen zur Erweiterung des Arbeitsraumes von Industrierobotern genutzt.

Die Verwendung von ZRA bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Ein zentrales Problem sind etwa durch Umkehrspiel und Gleichlauffehler verursachte Positionsdifferenzen zwischen Antriebsmotor und Schlitten. Diese begrenzen die Regelgüte und reduzieren die Positionier- und Bahngenauigkeit. Um die negativen Auswirkungen des besonders ausgeprägten Umkehrspiels zu reduzieren, kommen heute beispielsweise elektrisch verspannte redundante Antriebe oder mechanisch verspannte Einzelantriebe zum Einsatz, wodurch die Genauigkeit von ZRA bereits deutlich gesteigert werden kann.

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