Stoßdämpfer in Flächenmotor

Mehr Performance in Werkzeugmaschinen

Sicherheitsstoßdämpfer schützen Flächenmotor. Vier Sicherheitsstoßdämpfer von ACE schützen die Endlagen eines direktangetriebenen Flächenmotors, der am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) im produktionstechnischen Zentrum der Leibniz Universität Hannover entwickelt worden ist. Das Konzept des Hochschulteams ist für hochdynamische Maschinen interessant.

Flächenmotor mit Sekundärteilmagneten. (Fotos: ACE)

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Hannoveraner Projekt dient der grundlegenden Erforschung eines zweiachsigen direktangetriebenen Mehrkoordinatensystems unter besonderer Einsatzfähigkeit in Werkzeugmaschinen. Neben der intensiven Arbeit am Motor selbst hat das IFW-Team auch ein Augenmerk auf den Endlagenschutz ihres Systems gelegt. Die Ingenieurwissenschaftler Jan Friederichs und Jonathan Fuchs berichten, dass es vor allem in der Entwicklungsphase wichtig war, den Prototypen gut zu schützen, um keine unnötigen Ausfälle oder Verzögerungen des Projekts zu riskieren. Die Wissenschaftler am IFW hatten bereits gute Erfahrungen mit den Maschinenelementen von ACE Stoßdämpfer gemacht, etwa wenn das Institut Verzögerer benötigt. Bei der aktuellen Problemstellung für den Endlagenschutz im neuen Motor sind die bewegte Masse, die Aufprallgeschwindigkeit der Massen auf den Stoßdämpfer und zusätzlich wirkende Antriebskräfte, Antriebsleistungen oder Antriebsmoment zu berücksichtigen. Bei der Ermittlung der geeigneten Lösung ging das IFW-Team davon aus, dass im Fall der Fälle eine bewegte Masse von zehn Kilogramm mit einer Geschwindigkeit von vier Meter pro Sekunde bei einer Antriebskraft von 500 Newton auf den jeweiligen Stoßdämpfer auffährt. Die Kombination von kinetischer und Antriebsenergie ergab eine Gesamtenergie pro Hub von 104,5 Newtonmeter. Aufgrund der erhobenen Daten und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bei Weiterentwicklungen nicht ständig neue Dämpfer verbaut werden sollten, fiel die Entscheidung auf vier Sicherheitsstoßdämpfer des Typs SCS33-50 EUD.

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Selbsteinstellende Sicherheitsdämpfer bauen kinetische Energie ab
Diese Baureihe ist durch eine einzigartige Dämpfungstechnik, ein gehärtetes Führungslager und ein durchgehendes Gewinde gekennzeichnet. Diese Dämpferfamilie hat ACE speziell für den Notstopp-Einsatz konzipiert; durch ihre kompakte Bauform in den Größen M33 mal 1,5 bis M64 mal 2 ist sie vielseitig einsetzbar, etwa in Portal-, Förderanlagen oder Bestückungsautomaten. Material und Technik der selbsteinstellenden Maschinenelemente ermöglichen 1.000 Lastwechsel. Stoßdämpferkörper, Kolbenstange, Kopf und Zubehör bestehen aus unterschiedlich bearbeitetem Stahl, die Druckfeder ist verzinkt oder kunststoffbeschichtet. Die maximale Lebensdauer wird erreicht, wenn die Umgebungstemperatur im Bereich von minus zwölf und plus 70 Grad Celsius liegt. Ein eventuell nötiger Austausch der Dämpfer sei leicht möglich; auch eine nachträgliche Integration in bestehende Projekte sei problemlos machbar. Die beim Flächenmotor eingesetzten Modelle können bei einem maximalen Hub von 50 Millimeter ohne Festanschlag 620 Newtonmeter pro Hub aufnehmen.

Das Besondere: Kreuzwickeltechnologie
Das Besondere an dem auf dem Prinzip der permanentmagneterregten synchronen Linearmotoren basierenden Flächenmotor ist die hohe Vorschubkraft. Das macht diese Lösung bisherigen planaren Antriebskonzepten überlegen; diese setzen meist auf das Reluktanzprinzip zur Erzeugung der Vorschubkräfte in einer Ebene, die prinzipbedingt nur gering sind. Der im IFW entwickelte Motor macht durch die neuartige Kreuzwickeltechnologie aufmerksam: Hier werden die Wicklungen für die einzelnen Vorschubrichtungen senkrecht zueinander gestapelt. Da die beiden Wicklungssysteme sich nur geringfügig gegenseitig beeinflussen, ermöglicht dies die Nutzung standardisierter Achsregler. Durch den Einsatz schachbrettartig angeordneter Permanentmagneten erreicht der Flächenmotor eine große Kraftdichte und lässt sich für hoch dynamische Werkzeugmaschinen einsetzen.

Im Detail: Flächenmotor mit Kreuztischführung und Hybridkinematik für Fräsversuche. (Foto: ACE)

Optimiert wurde der Motor außerdem im Hinblick auf die für Lineardirektantriebe typischen Störkräfte. Mittels einer Methode zur Berechnung der optimalen Geometrie des Motors sind Rastkräfte und Vorschubkraftwelligkeiten deutlich reduziert. Zusätzlich erreichten die Entwickler eine höhere Vorschubkraft. Da bei der Bearbeitung eines Werkstücks zusätzlich dynamische Kräfte auf den Antrieb einwirken, untersuchte das IFW unter anderem das Verhalten beim Fräsen von Kreisbahnen und Taschen in Aluminium-Werkstücken und damit den Einfluss von Kräften auf das Positionierverhalten während eines Bearbeitungsprozesses. Dadurch ergab sich die Möglichkeit einer prozessnahen Analyse des Antriebsverhaltens in Wechselwirkung mit dem Fertigungsprozess.

Neuer Flächenmotor lässt sich noch vergrößern
Die Übertragung der gewonnen Erkenntnisse auf weitere Baugrößen steht nun im Mittelpunkt der Aktivitäten. Jonathan Fuchs hat einen größeren, aus 16 Prototypmodulen aufgebauten Flächenmotor konzipiert und dank der Unterstützung durch die DFG fertigen lassen. Durch die Modularität des Motors sind je nach industrieller Anforderung unterschiedliche Baugrößen des Flächenmotors möglich. Das hier vorgestellte Modell erzeugt Spitzenkräfte bis 4.800 und Nennkräfte um 2.400 Newton je Achse. Kombiniert mit dem Permanentmagnetfeld lassen sich individuelle Verfahrwege unabhängig von der Baugröße des Flächenmotors erreichen. Mögliche Anwendungen liegen beim Drehen, Fräsen, Schleifen sowie in der Handhabungstechnik, bei Positionierantrieben und Bestückungsmaschinen mit hoher Dynamik. pb

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