9. Tagung Zahnriemengetriebe am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden

Transkript

1 am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Dr.-Ing. Jürgen Vollbarth (BRECO Antriebstechnik Breher GmbH & Co., Porta Westfalica) Der weiterentwickelte BFX der neue Standard 1. Einleitung 2. Die neue Generation BRECOFLEX -Zahnriemen 3. Messtechnik 4. Ergebnisse und deren Entwicklung 5. Eigenschaften der neuen Generation 6. Zusammenfassung

2 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 1) 1. Einleitung Zahnriemengetriebe erfüllen die an sie gestellten Aufgaben nicht mehr nur im Bereich der konventionellen Antriebs- und Transporttechnik, sondern ebenso in zunehmenden Maße auch in Anwendungen der präzisen Positionierung. Stehen einerseits an die Getriebe noch immer Anforderungen wie Leistungssteigerung, Geräuschreduzierung und hohe Einsatzflexibilität, ist andererseits die noch größere Präzision des Anriebselementes Zahnriemen selbst eine weitere zu erfüllende Bedingung. Insbesondere für komplexere Handhabungs- und Positionieroperationen, wo an mehreren Stellen gleichzeitig mit hoher Präzision Positionen zu realisieren sind, können darauf hin optimierte Elemente ihre Stärken ausspielen. Die folgenden Bilder verdeutlichen die Einsatzbereiche, wo Zahnriemen mit den oben beschriebenen Eigenschaften eingesetzt werden. Bild 1 zeigt das Prinzip eines Antriebes, bei welchem eine hoch präzise synchrone Bewegung zwischen drei Scheiben gefordert ist, weil zwischen den beiden großen Scheiben laufend Produktübergaben erfolgen. Entgegen der Darstellung können derartige Antriebe auch aus fünf und mehr Scheiben bei Riemenlängen bis zu mm bestehen. Rotatorischer Positionierantrieb Brecoflex-Zahnriemen, Längen ca mm bis mm Beispiel für synchrone Abtriebe mit sehr hoher Präzision Bild 1: Prinzip eines hochpräzisen rotatorischen Positionierantriebes

3 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 2) Das im Bild 2 dargestellte Modell eines solchen Antriebes gibt einen weiteren Blick auf eine derartige Anwendung. Neben den zu realisierenden dynamischen Eigenschaften steht zudem als Basisanforderung für die Positionsgenauigkeit der Elemente zueinander die Präzision des Zahnriemens, insbesondere die hohe Teilungskonstanz im Vordergrund. Forderungen an die Positioniergenauigkeit von wenigen 0,1 mm, realisiert über den gesamten Umlauf des Antriebes, sind keine Seltenheit mehr. Bild 2: Modell eines Antriebes, wo hohe synchrone Bewegung der Elemente gefordert sind Bild 3: Positionierantrieb, wo bis zu 10 Positionen gleichzeitig bedient werden

4 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 3) Bild 3 zeigt einen Positionierantrieb, wo an einem 5040 mm langen BRECOFLEX - Zahnriemen bis zu 30 Kassetten befestigt sind, deren Positionen über einem gesamten Riemenumlauf an bis zu 10 Stellen gleichzeitig mit einer Positionsgenauigkeit von ± 0,2 mm zu realisieren sind. 2. Die neue Generation BRECOFLEX -Zahnriemen Die neue Generation der BRECOFLEX -Zahnriemen erfüllt mit Blick auf die gestellten Anforderungen gleich zwei Bedingungen. Einerseits ist durch den Einsatz der bifilaren Spulung die Ablaufneigung der Zahnriemen deutlich verringert, im Idealfall sogar auf Null reduziert. Die spezielle Spulungsart verhindert, dass sich aus den gespannten Zugträgern im Inneren des Riemens heraus Seitenkräfte aufbauen, welche zum Ablaufen des Zahnriemens führen. Damit verringern sich im Antrieb vorhandene Reibkräfte erheblich, was außerdem die Positioniereigenschaften verbessert. Andererseits realisieren die neuen BRECOFLEX - Zahnriemen eine deutlich verbesserte Teilungskonstanz innerhalb des Riemens. Mit den erreichten Eigenschaften nehmen die BRECOFLEX -Zahnriemen im Bereich der extrudierten Polyurethanzahnriemen mit endlos gespultem Zugträger eine absolut führende Rolle ein. Ohne die Flexibilität der Ausführungen, vor allem in Bezug auf die längenbezogene Herstellungsvariabilität einer kontinuierlichen Fertigung, zu verlieren, wird eine mit der vollständig formgebundenen Riemenherstellung mindestens vergleichbare Präzision erreicht. Die beiden folgenden Bilder zeigen die einfach sichtbaren Eigenschaften der bifilaren Spulung. Bilder 4 und 5: Darstellung der bifilaren Spulung am Beispiel BRECOFLEX -Zahnriemen

5 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 4) Bild 4 gibt einen Blick auf den Bereich einer Wickelnase des Zahnriemens, wo die Zugträger teilweise sichtbar sind. Gut erkennbar ist dabei die unterschiedliche Schlagrichtung der Zugträger. In Bild 5 liegen die Zugträger zu Demonstrationszwecken etwas freier, was einen noch besseren Blick auf die Zugträgereigenschaften gestattet. Als vor ca. 2 Jahren die ersten konkreten Anforderungen in Bezug auf eine höhere Präzision, eine höhere Teilungskonstanz der Zahnriemen gestellt wurden, erfolgte zunächst eine genauere Analyse des damaligen Ist-Zustandes. Das Ergebnis einer solchen Untersuchung zeigt Bild 6. Dabei mussten für einen mm langen BFX-Zahnriemen Abweichungen zweier Scheibenpositionen zueinander von bis zu ± 1,3 mm über einem kompletten Riemenumlauf festgestellt werden. 0,08 0,06 0,04 1,32 mm 0,88 mm Extrudierte Seite Gefräste Seite Abweichung von Mittelwert 0,02 0-0,02 0,44 mm ,44 mm -0,04 0,88 mm -0,06 1,32 mm -0,08 Messpunkt Bild 6: Darstellung der Ausgangsergebnisse Die Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen waren: Die neue Generation der Riemen benötigt eine deutliche Verbesserung der Teilungskonstanz und um dies zu erreichen, ist die Anschaffung von speziell darauf ausgerichteter Messtechnik notwendig. 3. Messtechnik Die wesentlichen Anforderungen an die Messtechnik sind die Möglichkeit des Messens im kontinuierlichen Lauf des Getriebes und eine erreichbare Messgenauigkeit von mindestens ±0,05 mm. Je nach Konfiguration des zu messenden Antriebes gestattet der heute vorhandene Messaufbau eine Auflösung von bis zu ± 0,01 mm. Nachfolgende Bilder 7 und 8 zeigen

6 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 5) einerseits den Aufbau der Messeinrichtung und andererseits einen Screenshot des Bildschirmes zur Visualisierung der Messergebnisse. Bilder 7 und 8: Aufbau der Messeinrichtung und Screenshot der Ergebnisvisualisierung 4. Ergebnisse und deren Entwicklung Die Veränderung und Optimierung der Fertigungstechnologie für die BRECOFLEX - Zahnriemen ermöglichte eine erhebliche Verbesserung der Teilungskonstanz der Riemen. Da die Teilungskonstanz selbst aufgrund ihres extrem kleinen Wertes nahezu nicht messbar ist, griff man auf das Messen der Positionen von Zahnscheiben zueinander zurück. Die folgenden Bilder zeigen nacheinander Messergebnisse welche auch den Fortschritt der erreichten Verbesserungen erkennen lassen. Wurde anfangs eine Verringerung der Abweichung auf ca. die Hälfte des Ausgangswertes erreicht, so liegen die heutigen Ergebnisse bei Werten, die kleiner als 25% des Ausgangswertes betragen. ca. eine Riemenumdrehung 0,50 0,13-0,25-0,63-1,00 0,00-0,15-0,30-0,45-0,60-0, Bild 9: Ergebnisse in der Ausgangsituation für einen ca mm langen BFX-Zahnriemen

7 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 6) 0,50 0,13-0,25-0,63-1,00 0,35 0,21 0,07-0,07-0,21-0, Bild 10: Ergebnisse nach der ersten Optimierungsstufe: ca. 50% des Ausgangswertes 0,50 0,13-0,25-0,63-1,00 0,35 0,21 0,07-0,07-0,21-0, Bild 11: Ergebnisse nach der zweiten Optimierungsstufe: < 25% des Ausgangswertes Das erreichbare Absolutergebnis ist insbesondere von der Riemenlänge und teilweise auch vom Riementyp abhängig. Die größten Verbesserungen wurden bei Riemenlängen ab ca mm erreicht. 5. Eigenschaften der neuen Generation Die neuen Produkteigenschaften lassen sich am besten in einer Gegenüberstellung Alt Neu aus realisierten Anwendungen zeigen. Dabei sind nur der Riementyp und dessen Länge als charakteristische Parameter angegeben. Alle in Tabelle 1 aufgeführten Anwendungen zeigen im Ergebnis eine deutliche Reduzierung der Abweichungen. Der Unterschied im Vergleich der erreichten Werte ist auch in den verschiedenen realisierten Aufbauten und in den differierenden Messverfahren bei den Anwendern zu erklären.

8 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 7) Tabelle 1: Gegenüberstellung Alt Neu Riemen Anwendung Ergebnisse vorher Ergebnisse nachher 50 AT10 / Synchronantrieb mehrerer Scheiben 50 AT10 / 5040 Synchrone lineare Positionierung von Werkstückträgern 50 AT20 / 7020 Synchrone lineare Positionierung von Werkstückträgern ± 1,3 mm ± 0,3 mm ± 0,5 mm ± 0,2 mm ± 0,7 mm ± 0,1 mm Die Vorteile, welche sich aus den bisher beschriebenen Eigenschaftsänderungen der neuen Generation der BRECOFLEX -Zahnriemen ergeben, sind insbesondere die deutlich verbesserte Teilungskonstanz der Zahnriemen über deren gesamten Länge und die fast auf Null reduzierte, vom Zahnriemen vorher selbst induzierten Seitenablaufkraft. Beide Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Zahnriemen mit durchgehend konstanter Festigkeit und Steifigkeit der Zugträger, bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit und geringeren Verlusten durch eventuell auftretende Reibung an den Bordscheiben der Zahnscheiben. 6. Zusammenfassung Mit der neuen Generation der BRECOFLEX -Zahnriemen stehen dem Anwender Standardprodukte zur Verfügung, welche aufgrund der weiteren Optimierung der millionenfach bewährten Herstellungstechnologie herausragende Eigenschaften, wie hohe Leistungsübertragung, hohe Steifigkeit, optimiertes Laufverhalten und hohe Präzision in sich vereinen. Infolge der großen Fertigungsflexibilität stehen für das Einbinden in die Konstruktionen, ungebunden an bestimmte Formgeometrien, nahezu allen Riemenlängen in gleicher Qualität zur Verfügung. Das Verringern der Ablaufneigung der BRECOFLEX - Zahnriemen vereinfacht insbesondere bei breiteren Riemen deren Führung im Geradeauslauf erheblich. Damit lassen sich u.u. die Anzahl der notwendigen Bordscheiben in einem Antrieb reduzieren und somit Kosten sparen. Durch die Verfügbarkeit von endlos gespulten BRECOFLEX -Zahnriemen mit den hier beschriebenen Eigenschaften sind zukünftig

9 Dr-Ing.J. Vollbarth : Der weiterentwickelte BFX der neue Standard (Seite 8) Anwendungen in der Positioniertechnik kostengünstig realisierbar, welche vorher im Wesentlichen anderen Antriebskonzepten und dazu gehörigen Elementen vorbehalten blieben. Letztlich stehen dem weltweiten Markt mit den BRECOFLEX -Zahnriemen äußerst leistungsfähige, laufoptimierte, hoch präzise und kostengünstige Antriebselemente zur Verfügung.