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Energieautarke FGL Aktorik
Kenny Pagel
VDI-FGL-Expertenforum
Dresden, den 30. September 2014
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AGENDA
1. Einleitung
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen
Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen
FGL Kugelgewindetrieb
Weitere Komponenten
3. Elektrische Verbindungsklemme
4. Zusammenfassung
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Quelle: Philips
Quelle: Toto
1. Einleitung
Quelle: Actuator Solutions
Derzeit etablierte Systeme:
größtenteils elektrisch aktiviert
Geringe Wege und Kräfte
Zumeist Drahtaktoren verwendet
Vorteile bzgl. Masse, Bauraum, Teileanzahl
Einige wenige selbstschaltende Systeme
Ventile
Thermostate
Lüftungsklappen
Bisher kaum Anwendungen mit direkter Rückwirkung auf Wärmeentstehung
Quelle: Boeing
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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Anforderung an Werkzeugmaschinen
hohe Produktivität
hohe Genauigkeit
hohe Verfügbarkeit
relativer Abstand zwischen Werkstück
und Werkzeugmittelpunkt
geometrische Genauigkeit
Positionierungs-genauigkeit
statische Steifigkeit
dynamische Steifigkeit
Wärmeverhalten
Wärmequellen
Wärmeübertragung
Die Wärmeausdehnung begrenzt die Bearbeitungs-genauigkeit der Werkzeug-maschine selbst bei Klimatisierung (90% des E-Verbrauchs)
GESTELL FÜHRUNGEN ANTRIEB STEUERUNG
Quelle: Bearbeitungszentrum. Bosch Rexroth Handbuch Lineartechnik
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Motivation und Problemstellung:
Thermo-elastisch bedingte Fehler haben ca. 50 – 80% Anteil am Werkstückfehler
Maschinentemperierung erfordert hohen Energieeinsatz
Einsparen von Grundlast in Pausen führt zu Genauigkeitsproblemen
Ansatz und Zielstellung:
Nutzung thermodynamischer Netzwerke zur Kompensation von Temperaturschwankungen
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen
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Wärmeleitung Wärmespeicher Thermischer Schalter
Heatpipes Latentwärmespeicher FGL
Elektrische Analogie
Thermodynamisches Bauteil
Technologie
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen
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Kugelgewindetriebe:
Anforderungen an Kugelgewindetriebe:
geringer Verschleiß, hohe Lebensdauer
hoher Wirkungsgrad, hohe Präzision
kein Stick-Slip-Effekt (Haftgleiteffekt)
hohe Steifigkeit und spielfreier Betrieb
spielfreies Fertigen des Wälzkontakts aufwändig KGT vorspannen
Unterscheidung zwischen Einzel- und Doppelmutter-System
Auseinanderdrücken der Muttern O-A. Spindel unter Druckspannung
Zusammendrücken der Muttern X-A. Spindel unter Zugspannung
O-Anordnung X-Anordnung
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
Quelle: Bosch Rexroth Kugelgewindetriebe Katalog
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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
Prozessanforderungen:
hohe Vorspannung: genaue Positionierung und hohe Steifigkeit
niedrige Vorspannung: große Vorschubgeschwindigkeit und geringer Verschleiß
Problemstellung:
Vorspannungsvariation aufgrund der Reibungswärme in Kugeln und Kugelrillen
Fall 1: TSpindel = Tmutter Vorspannung im Idealfall konstant
Fall 2: TSpindel > TMutter
Spindel dehnt sich stärker als Muttern Vorspannung s inkt!
Zielkonflikt
Kompromiss mittlere Vorspannung Idealfall im Betrieb konstant
Fall 3: TSpindel < TMutter
Muttern dehnen sich stärker als Spindel Vorspannung steigt!
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Lösungsansatz:
Integration von FGL zur Kompensation der Wärmeausdehnung
Systemanforderungen:
Extrinsischer Zwei-Weg-Effekt (ZWE): A→ B ↔ C
└─►FG-Halbzeug interagiert mit Federkraft
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
1 hohe Steifigkeit Große Querschnitte
2 hohe Blockierkräfte & kleine Hübe
FG-Zylinder oder -Bleche
3 einachsige Belastung Push- oder Pull-Aktor
4 ohne äußere Energie autarkes selbstregelndes System
5 Kommerziell verfügbare FGL Geometrie als Halbzeug
FGL
Martens it, α´ Austenit, γ
FGL
C B
Vorwärts- (γ→ α´) und Rückwärts- (α´→ γ)
-Transformation unter äußere Last
F
Δl
<
A
B
C
Federkennlinie
α´
γ
Wärmefluss Wärmequellen mechanische Rückkopplung
FG-Halbzeug (Aktor und Sensor)
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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
Entwurf:
Druckbeanspruchung (Push-Aktor) Platzierung zwischen den Muttern
ringförmige Anordnung der FG-Zylinder Vermeidung von Verkippung
thermisch günstige Lage der FG-Zylinder effizienter Wärmeeintrag
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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
Prototyp:
Thermostabiler Kugelgewindetrieb
Flanschmutter Hülse DMS-Streifen FG-Zylinder Kontermutter
Gewindehülse Festkörpergelenk Verspanmutter Spindel Thermoelemente
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Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
Ergebnisse:
Weg 400 mm, Vmax 900 mm/s, Last 100 kg
Ohne FG-Aktor
starkes Absinken der Vorspannung
Mit FG-Aktor
Ausgleichung der Vorspannungsverluste
Thermostabiler KGT
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Weitere Beispiele: Vorspannung in Kegelrollenlagern, Spielverstellung in Schneckengetriebe und Stirnradgetriebe und Sicherheitskupplung (v.l.n.r.) nach [Bauer]
Verwendungszweck: Spielanpassung, Vorspannungsänderung, Sicherheitsfunktion
autarker selbstregelnder Betrieb
insb. wälzgelagerte Maschinenelemente vorteilhaft
verringert den Verschleiß und erhöht damit die Sicherheit und Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinenkomponenten
2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb
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3. Elektrische Verbindungsklemme Motivation und Problemstellung
Anwendungsbereiche von Klemmen:
Gebäudeinstallation
Anlageninstallation
Fahrzeuginstallation
Elektrische Energieverteilung
Elektrotechnische Produkte
Ausgereifte Massenprodukte im millionenfachen Einsatz
Problemstellung:
Fehler in der Elektrotechnik verursachten 33,7% aller Brände (Stand: 2010)
Bei ca. 10% aller Prüfungen im Rahmen einer Feuerversicherung wurden Mängel an Leiteranschlüssen und -verbindungen festgestellt (Stand: 2008)
Ursachen:
Fehlerhafte Montage Schwingungen Kriechen des Leitermaterials
Zur Vermeidung hoher Wartungsaufwand notwendig
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3. Elektrische Verbindungsklemme Motivation und Problemstellung
Stand der Technik, Erzeugung der Vorspannkraft durch:
Bolzen-/ Schraubklemme
Federzugklemme–push in
Druckfeder
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3. Elektrische Verbindungsklemme Ansatz und Zielstellung
Anforderungen:
Selbstständig nachstellend
Bemessungsanschlussvermögen: definiert den größten installierbaren Leiterquerschnitt , Skalierbarkeit für verschiedene Leiterquerschnitte
Mindestkontaktkraft definiert durch DIN 60947-7-1
(S: Sicherheitsfaktor, UKmax = 1:6mV: Maximaler Spannungsabfall)
FGL nicht vom Strom durchflossen
Maximale Kontakttemperatur 85°C definiert durch DIN 60947-7-1
Geringe Kosten
Abstufung der Bemessungsquerschnitte von Leitern in mm2
Mindestkontaktkraft in Abhängigkeit vom Bemessungsquerschnitt
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Kriterien:
Verfügbarkeit FGL-Halbzeug
Fertigungsaufwand FGL-Element
Materialvolumen/(-kosten) der FGL
Montageaufwand des FGL-Elements
Kraftpotential
Wegpotential
Potential des Wärmeeintrags
Investition für die Anpassung
Einsatzbereich Leiterquerschnitt
3. Elektrische Verbindungsklemme Varianten und Bewertung
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3. Elektrische Verbindungsklemme Vorzugsvariante
Klemmschraube mit FGL-Zylinder
Aktor wird nach Installation in Schraube vorgestaucht
Unter normalen Betriebsbedingungen Verhalten wie bei herkömmlichen Schraubklemmen
Gute Verfügbarkeit von FGL Zylindern
Hohe Kraft, ausreichend Hub
Geringe Kosten
Skalierbarkeit
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3. Elektrische Verbindungsklemme Vorzugsvariante
2 4 5/6
Funktionsweise:
1. Ausgangszustand
2. Einbauzustand nach Leiterinstallation
3. Leiter gelockert (F = 0) K
4. Möglicher Luftspalt kompensiert
5. FGL in Austenitphase
6. FGL in Martensitphase (Endzustand)
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3. Elektrische Verbindungsklemme Funktionsnachweis
Testschrauben:
M10×20 Stahlschrauben mit Regelgewinde der Festigkeitsklasse 8.8
FGL-Zylinder (NiTi) der Firma Memry, Legierung M mit einem Durchmesservon 6,35 mm
Versuchsablauf:
Aufbringen einer Vorspannkraft durch Stauchung vonFV = {3 kN, 6 kN, 9 kN, 12 kN}
Absenken der Kraft auf FK = 0, lagegeregeltes Halten der Position
Erzwungene Erwärmung mit geregelter Heißluftpistole, 1 min, 120 ◦C
Erzwungene Abkühlung mit Druckluft-Prallstrahlkühlung, 1 min, ca. 20 ◦C, 5 bar
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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse
Einfluss der Vorspannkraft auf die verbleibende Kontaktkraft:
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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse
Einfluss des Luftspalts / Arbeitsweges:
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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse
Zyklisches Nachstellen:
Mehrere Nachstellvorgänge möglich
Verbleibende Kraft sinkt mit zunehmender Zyklenzahl
Steifigkeit des Systems bestimmt die mögliche Zyklenzahl
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4. Zusammenfassung
Potential für Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen aufgezeigt für:
Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen
FGL Kugelgewindetrieb
Funktion am Demonstrator nachgewiesen
Weitere Komponenten
Elektrische Verbindungsklemme
Funktion am Demonstrator nachgewiesen
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kenny Pagel
Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Tel: 0351 – 4772 2343
E-Mail: [email protected]