Piezoelektrischer Self-Sensing-Aktor zur Vorspannungsregelung in adaptronischen Kugelgewindetrieben

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Der Werkzeugmaschinenbau muss in den letzten Jahren immer stärker den Herausforderungen einer steigenden Kundenspezifizierung, kleiner werdenden Innovations- und Produktlebenszyklen bei gleichzeitig größer werdender Diversifikation der zu fertigenden Produkte begegnen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen der Maschinenbetreiber hinsichtlich der Bearbeitungsgenauigkeit sowie der Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen. Die dadurch zunehmende Komplexität der Maschinen verlagert Innovationssprünge immer stärker auf die Maschinenkomponenten, die mehr und mehr Diagnosefunktionalitäten sowie eingebettete Regelungs- und Steuerungsaufgaben oder Kompensations-funktionen intelligent übernehmen. Ein Beispiel einer solchen Maschinenkomponente ist der Kugelgewindetrieb (KGT), der zur mechanischen Transformation rotatorischer in lineare Bewegungen in Vorschubantrieben eingesetzt wird und im laufenden Betrieb unterschiedlichen Verschleißmechanismen unterliegt. Dies äußert sich häufig in einer abnehmenden Vorspannung des Elements, deren Folgen bis hin zum Komplettausfall des Elements führen können. Aus Sicht der Maschinenbetreiber ist daher die Kompensation verschleißbedingter Vorspannungsverluste im KGT mit erheblichen Vorteilen verbunden. Die Nutzung von Self-Sensing-Systemen auf piezoelektrischer Basis bietet sich aufgrund der zueinander passenden Eigenschaften piezoelektrischer Wandler und der Anforderungen an Kompensationssysteme in Kugelgewindetrieben zur Vorspannungsregelung an. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Konzeption eines bauraumeffizienten piezoelektrischen Self-Sensing-Aktors, der in einer aktiven Vorspannungsregelung in einem adaptronischen Kugelgewindetrieb als zeitsimultanes Mess- und Stellglied zum Einsatz kommt. Da der zu detektierende Verschleiß in KGTs langsam vorangeht, sind auch langsam veränderliche bzw. statische Größen, die normalerweise mit piezoelektrischen Wandlern nicht erfasst werden können, mit dem Self-Sensing-Aktor ohne zusätzliche, meist kostenintensive Sensorik, zu messen. Die Basis für die Realisierung der Messbereichserweiterung bildet die Ausnutzung von Admittanzänderungen resonant erregter piezoelektrischer Wandler. Für den Self-Sensing-Aktor werden die mathematischen Zusammenhänge und grundsätzlichen Mechanismen bei resonanter Anregung in umfangreichen Parameterstudien untersucht und ein optimaler Systemaufbau daraus abgeleitet. Weiterhin wird die erforderliche Leistungselektronik konzeptioniert und ein passender Leistungsverstärker aufgebaut. Die prototypische Umsetzung dieses Self-Sensing-Konzeptes wird in einen adaptronischen KGT integriert und in Prüfstandsuntersuchungen die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems ermittelt.