Werkzeugmaschinen Forscher entwickeln spielfreien, linearen Vorschubantrieb

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Universität Stuttgart ISW Institut für Steuerungstechnik

Lenord, Bauer & Co. GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

WITTENSTEIN SE

Das ISW an der Universität Stuttgart erforscht ein neuartiges, lineares Antriebskonzept, welches das mechanische Umkehrspiel eliminiert, eine hohe strukturelle Steifigkeit aufweist und sich für Vorschubachsen beliebiger Länge eignet: den Pulsar Drive.

Vorschubantriebe sorgen in modernen Werkzeugmaschinen für die präzise Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug. Sie beeinflussen dadurch unmittelbar die Effizienz, Bearbeitungsgenauigkeit und die resultierende Oberflächenqualität. Sie sollten sich daher durch hohe Dynamik, Positioniergenauigkeit sowie mechanische Robustheit auszeichnen. Konventionelle Antriebskonzepte wie Kugelgewindetriebe (KGT) oder Zahnstangen-Ritzel-Antriebe (ZRA) weisen aber systembedingt eine Hysterese auf, was insbesondere bei Richtungs- oder Kraftumkehr die Positioniergenauigkeit negativ beeinflusst. Vor diesem Hintergrund untersucht das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart im Rahmen eines DFG-Forschungsvorhabens ein neuartiges Kraftübertragungskonzept, das auf einzeln aktuierten Stößelzähnen basiert. Diese treten über gerade Zahnflanken flächig mit einer oder mehreren Zahnstangen in Kontakt. Dieses Konzept nutzt das Prinzip der Flächenpressung zur Kraftübertragung und zeichnet sich so unter anderem durch eine signifikant erhöhte Übertragungssteifigkeit sowie eine nahezu vollständige Eliminierung der Hysterese aus!

Wie funktioniert das neue Antriebssystem?

Das grundlegende Funktionsprinzip einer linearen Vorschubeinheit lässt sich beispielhaft an einer Ausführung mit vier parallel angeordneten, einzeln aktuierten Stößelzähnen erklären: Die vertikale Bewegung der Zähne erfolgt über eine zunächst nicht näher spezifizierte Hubeinheit. Um eine Relativbewegung des Maschinentisches gegenüber der fixierten Zahnstange zu erzeugen, befindet sich Zahn 1 zur Hälfte im Eingriff und erzeugt dabei die Vorschubkraft. Zahn 3 wird kontrolliert zurückgezogen, um ein Verklemmen des Systems zu verhindern oder je nach Ansteuerstrategie gezielt gegen Zahn 1 verspannt, um die Systemsteifigkeit zu erhöhen oder Umkehrspiel zu vermeiden. Die Zähne 2 und 4 befinden sich in den Umkehrpunkten und haben an diesen Positionen keinen Einfluss auf das Systemverhalten.