Grundlagen eines berührungslosen Aktors mit bidirektionaler Kraftwirkung für den Aufbau von "umgriffsfreien Führungen" von spanenden Werkzeugmaschinen

Die Aufgabe einer Führung ist es die Bewegung eines Elements auf Bewegung in einer einzigen Richtung zu beschränken. Führungen werden in Werkzeugmaschinen eingesetzt, um Werkzeuge und Werkstücke präzise zu führen. Neben konventionellen wälz- und kugelgelagerten Führungen gibt es auch reibungsfreie, berührungslose Führungen. Hierbei handelt es sich um magnetische, aerostatische und hydrostatische Führungen. All diese Führungen haben jedoch gemeinsam, dass sie einen Umgriff um die Führungsschiene benötigen. Ein Umgriff führt zu einem größeren Bauraum und sehr engen Fertigungstoleranzen. In bisherigen Forschungsarbeiten zu umgriffsfreien Führungen wurden erfolgreich elektromagnetische Aktoren mit aerostatischen Lagern kombiniert. Durch diese Kombination konnte ein Umgriff vermieden werden, die eingesetzten aerostatischen Lager stellen jedoch sehr hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Führungsfläche.

Der neue Ansatz, der nun verfolgt wird, ist die Kombination eines Luftgleitkissens mit einer elektromagnetischen Führung. Auch hier entfällt der Umgriff, da die Druckkräfte durch das Luftgleitkissen und die Zugkräfte durch Elektromagneten aufgenommen werden. Durch die Nutzung der Technik des Luftgleitkissens werden geringe Anforderungen an die Führungsflächen gestellt. Luftgleitkissen sind eine bewährte Technik die schon seit vielen Jahren in der Industrie zur Verschiebung schwerer Lasten in Industriehallen verwendet werden, bisher aber in Führungen von Maschinen keine Anwendung gefunden haben.

Durch die gewählte Kombination und eine aktive Regelung des Elektromagneten kann die Flughöhe der Führung beeinflusst werden, sodass es möglich ist Unebenheiten in den Führungsflächen auszugleichen. Durch die geringeren Anforderungen an die Führungsflächen und den vermiedenen Umgriff ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen.

Im Rahmen des DFG-geförderten Forschungsprojektes wird ein Aktor für solch eine Führung mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM) und numerischer Strömungsmechanik (CFD) simuliert und experimentell erforscht. Herausforderungen sind insbesondere die Erhöhung des Arbeitsdrucks gegenüber den am Markt erhältlichen Luftgleitkissen zur Verbesserung der Tragfähigkeit des Führungselements und die Vermeidung von Schwingungen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die präzise Ausregelung der Flughöhe der Führung, um den Anforderungen von modernen Werkzeugmaschinen gerecht zu werden.

Ziel ist zunächst ist ein Funktionsmuster eines hybriden Aktors zur Aufnahme von Druck- und Zugkräften von bis zu 4000N mit einer über einen Bereich von 0,5mm einstellbaren Flughöhe. In einem weiteren Arbeitsschritt soll aus sechs Aktoren eine Linearführung aufgebaut und evaluiert werden.