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Entwicklung eines aktiven Spannsystems zur hochpräzisen Kompensation von Winkelfehlern bei der Positionierung von Präzisionsbauteilen in Werkzeugmaschinen

2011 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Essmann, J. , Löwenstein, A. , Pagel, L. , Gaßmann, S. , Hinze, M.

Aufgrund der andauernden Produktminiaturisierung floriert der Markt für Mikrobauteile wie nie zuvor. Zur nachhaltigen Sicherung der internationalen Konkurrenzfähigkeit in diesem Markt muss die Produktivität der Fertigung gesteigert werden. Die Reduzierung der Nebenzeiten in der Produktion ist hierfür ein probates Mittel. Das bedeutet u. a. die exakte, schnelle und reproduzierbare Positionierung von Bauteilen in Werkzeugmaschinen durch Spannen, Messen, Ausrichten, und Werkstückwechseln. In der Mikroproduktion sind Strukturgrößen und Fertigungstoleranzen im Bereich einiger Mikrometer üblich. Um die genannten Prozessschritte automatisiert mit einer Präzision im Submikrometerbereich zu realisieren wurde innerhalb des hier vorgestellten Projektes eine neue Generation von Spannsystemen entwickelt. Die Projektergebnisse des InnoNet-Projekts ActiveClamp wurden durch ein interdisziplinäres Konsortium, koordiniert durch das Fraunhofer IPK, in dem Zeitraum vom 1.1.2009 bis zum 31.12.2010 erarbeitet. Neben zwei Forschungseinrichtungen waren sechs Unternehmen beteiligt. Das Projekt wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Der im Projekt entstandene Prototyp ist in der Lage, Winkelfehler von 10 mrad mit einer Auflösung von 0,002 mrad zu kompensieren. Die Werkstücke werden über ein pneumatisch betätigtes Nullpunktspannsystem aufgenommen. Für den Winkelfehlerausgleich sind hochgenaue Piezomotoren im Ein satz. Für den Betrieb dieser Piezo-Antriebe wurde eine bislang einzigartige Ansteuerung realisiert. Hierzu wurde eine Hardware entwickelt, die eine maximale Ausgangssignalfrequenz von 200 Hz bei einer maximalen Phasenkapazität von 27 MikroF erreicht. Zudem verfügt die Firmware der Ansteuerung über sechs verschiedene Signalformen, wobei die Schrittauflösung zwischen 32 und 1024 Schritten pro Signalperiode variiert werden kann. Dadurch wird eine minimale Schrittauflösung des verwendeten Antriebssystems von wenigen Nanometern erreicht. Mit Hilfe der eigens entwickelten Softwareanwendung und der intuitiven Benutzeroberfläche können die Parameter der Ansteuerung jederzeit konfiguriert und so verschiedenen Anwendungen angepasst werden. Zur Positionsregelung werden kapazitive Sensoren mit einer Auflösung von 20 nm genutzt. Bei diesen hohen Präzisionsanforderungen können aufgrund des Stick-Slip Effektes keine konventionellen Gelenke eingesetzt werden. Daher wurden Festkörpergelenke entworfen bei denen selbst bei kleinen Bewegungen keine Haftreibung auftritt. Da das Konzept skalierbar ist, kann es für unterschiedliche industrielle Anwendungen, wie z. B. Messmaschinen, Justageanlagen, optische Systeme und medizintechnische Geräte, eingesetzt werden.