High-speed bewegen und Mikrometer-genau positionieren

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Struktur-Paket: Maschinengestell beeinflusst die Präzision

Auch Positionier- und Bewegungssysteme sind nur so genau und dynamisch wie es die Maschinenstruktur beziehungsweise das Maschinengestell erlaubt. Steifigkeit, Dämpfung sowie Wärmestabilität von Maschinenbetten, Achsen, Schlitten, Tischen, Portalen und anderen Gestellkomponenten beeinflussen direkt die Präzision und Lebensdauer des kompletten Systems. Das Spektrum von Konzepten und Werkstoffen für Maschinengestelle war noch nie so groß, wie heute. Das bietet den technischen und kaufmännischen Entscheidungsträgern eine Vielzahl von Alternativen und Möglichkeiten, nimmt sie aber auch in die Pflicht, das Optimum für ihre Maschine sorgfältig und analytisch zu finden. Hier bieten Komplettanbieter von Positionier- und Bewegungssystemen den Vorteil funktionsintegrierter Lösungen, die z.B. Medienführungen und Maschinen-Einhausungen schon enthalten.

Mechanik-Paket: Grundlage ist die Berechnung der Bewegungskinematik

Grundlage für das Mechanik-Paket – insbesondere für Führungen und Aufstellelemente – ist die Auslegung und Berechnung der Bewegungskinematik und der Bewegungsparameter. Nach einer ersten Komponentenauswahl und Konstruktion der Hauptfunktionselemente muss die Nachrechnung der Funktionsparameter sowie das Verhalten des Gesamtsystems hinsichtlich statischer und dynamischer Kräfte sowie thermischer Stabilität erfolgen, wobei hier die Gestelleigenschaften entscheidend sind.

Bei der Realisierung hochdynamischer Verfahrbewegungen sollte das Verhältnis von bewegter zu feststehender Masse den Wert 1:10 nicht überschreiten. Iterationsschritte sollten immer von möglichst kleinen bewegten Massen und Aufbauten hin zu massiveren Konstruktionen ablaufen. Oftmals sind beispielsweise Verfahrschlitten, deren Blechhülle mit Metallschaum gefüllt ist, massiven Konstruktionen überlegen. Durch das wachsende Wissen um Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen können diese, richtig eingesetzt, die leichteste Alternative darstellen.

Um das Schwingungsverhalten bewerten zu können, wird mit den Hauptkomponenten eine Modalanalyse durchgeführt. Mit den Eigenmoden und anschließenden Geometrieanpassungen können die Resonanzfrequenzen der Mechanik in unkritische Bereiche verlegt werden.

Aus den Materialeigenschaften der Komponenten kann mit dem logarithmischen Dekrement die dynamische Schwingungsanalyse durchgeführt werden, welche als Eingangsgrößen aus den Werkstoffdaten erzeugt werden. Hartgestein und Mineralguss besitzen hierfür sehr gute Eigenschaften. Für die Aussagekraft der Ergebnisse müssen die Schnittstellen der Bauteile und Komponenten vereinfacht mit modelliert werden. Insbesondere die ersten Anregungsfrequenzen führen zu großen Störgrößenausschlägen. Ebenso relevant sind die Ausbreitungsrichtungen der Schwingungen. Ausschläge in Querrichtung zur Verfahrachse wirken sich durch mechanische Kopplung wiederum in Achsrichtung aus – man kann sich dies wie bei einem Doppelpendel vorstellen bei dem die Schwingungsantwort stochastisch erfolgt.

Mittels Impulsanalyse kann das Ruckverhalten der Anordnung ebenfalls abgeschätzt werden.

Die realen Messungen mittels induktiver Wegaufnehmer oder Laservibrometer und Auswertung über FFT-Analyse zeigen diese Effekte sehr deutlich und sollten zur Verifizierung durchgeführt werden. Auch höhere Anregungsfrequenzen der Mechanik können auf die Regelgüte der Antriebe Einfluss haben, da Positionsreglerzyklen in einem Bereich von wenigen hundert Hertz bis einigen Kilohertz und Stromregler mit bis zu 30 kHz betrieben werden.

Hinsichtlich der Aufstellung können Schwingungstilger eingesetzt werden, wobei die Auslegung so zu wählen ist, dass die Gesamtdynamik nicht erheblich verschlechtert wird. Zum einen sind reine Ruckdämpfungen zu nennen, die hohe Absorptionsenergien aufnehmen können aber entsprechend träge reagieren. Zum zweiten die Schwingungsdämpfung, die abhängig vom eingeleiteten Frequenzspektrum angepasst werden kann und zum dritten die Reduzierung von entstehendem Körperschall. Idealerweise sollte aber mehr Augenmerk auf die Entstehungsstelle und -ursache gelegt werden.

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