Baugruppen für parallele Kinematiken

Transkript

1 Baugruppen für parallele Kinematiken Dipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied INA-Sonderdruck aus Werkstatt und Betrieb Heft Nr. 5, Mai 1999 Carl Hanser Verlag, München

2 Baugruppen für parallele Kinematiken Dipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied Wichtige mechanische Baugruppen von Maschinen auf Basis paralleler Strukturen sind Gelenke und Streben. Sie sind die entscheidenden Komponenten, wenn es um die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit einer solchen Maschine geht. 1. Einleitung Vor zwei Jahren behaupteten Branchenkenner, die Technologie der parallelen Kinematiken könne die Zukunft der Werkzeugmaschine sein. Damals gab es nur wenige, die sich der neuen Idee verschrieben hatten. Jetzt scheint es, als wolle keiner zurückstehen. Die Zukunft hat begonnen! Eine solche Entwicklung fordert auch die Hersteller von Maschinenelementen heraus. Die Wälzlagerindustrie hat dies schon vor zwei Jahren erkannt und mit den ersten Komponenten für Aufsehen gesorgt. Der Einstieg erfolgte über die Gelenkentwicklung, gefolgt von Konstruktion und Verwirklichung kompletter Teleskopstreben. Derzeit werden die Komponenten von der Firma INA zusammen mit Entwicklungspartnern aus dem Hochschulbereich sowie der Industrie erprobt. Neben den Praxistests werden umfangreiche Versuche durchgeführt, die der Absicherung der Leistungskennwerte dienen. Auf Grund der positiven, bereits bekannten Ergebnisse gibt es nun serienreife standardisierte Produkte. Produkte, welche die Entwicklung paralleler Kinematiken beeinflussen werden. 2

3 ➁ ➂ ➃ ➀ Dichtungsträger ➁ Kugel mit Pin ➂ Wälzkörper ➃ Kugelkalotte ➄ Zentriersitz ➀ Schwenkwinkel: Achse I 30 Achse II 30 Achse III 360 ➄ Bild 1 Kugelgelenk mit drei Freiheitsgraden 2. Hohe Anforderungen an Gelenke Gelenke sind nichts Neues! Besonders im Fahrzeugbau, aber auch in Landmaschinen sind sie Stand der Technik. Jedoch liegen hier ganz andere Anforderungen als im Werkzeugmaschinenbau vor. Die Anforderungen, die an Gelenke in einer parallelen Kinematik gestellt werden, sind: hohe Steifigkeit große statische Tragfähigkeit hohe Lebensdauer der Konstruktion angepaßte Schwenkwinkel geringe Massen hohe Genauigkeit spielfreie Lagerung, vorgespannte Systeme Leichtgängigkeit, stick slip frei definierter, meßbarer Gelenkkreuzungspunkt verschleißarm. Für eine parallele Struktur werden bei Tripoden und bei Hexapoden Gelenke mit sowohl zwei als auch drei Freiheitsgraden benötigt. Es wurden deshalb, bei den entsprechenden Gelenktypen, jeweils beide Varianten entwickelt. Eine weitere Aufgliederung ergab sich durch die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendungsbereiche. So wird von einem Gelenk in der spanenden Werkzeugmaschine höchste Steifigkeit und Genauigkeit erwartet. In der Handhabungstechnik und bei Trennverfahren werden große Arbeitsräume sehr schnell durchfahren, dies ist gleichbedeutend mit großen Schwenkwinkeln bei gleichzeitig geringer Gelenkmasse. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entstanden drei im Aufbau verschiedene Gelenktypen, die im folgenden erläutert werden. 2.1 Kugelgelenke mit drei Freiheitsgraden Üblicherweise stellt eine Kugel-Kugel- Berührung als Wälzkontakt eine schlechte Paarung in Bezug auf die auftretende Flächenpressung dar. Im Rahmen der Prototypenentwicklung kristallisierte sich jedoch heraus, daß in diesem Anwendungsfall durchaus günstige Bedingungen gegeben sind (Bild 1). Durch eine Vielzahl kleiner Kugeln wird erreicht, daß die Hertzsche Pressung zwischen Kalotte und Wälzkörper bzw. zwischen Wälzkörper und Innenkugel klein bleibt. Diese günstigen Verhältnisse können jedoch nur dann ausgenutzt werden, wenn die Formgenauigkeit der einzelnen sich berührenden Kugelflächen sehr hoch ist. Durch Versuche konnten Fertigungsverfahren so weit verbessert werden, daß sowohl in Bezug auf die Form als auch auf die Oberflächengüte sehr gute Ergebnisse erreicht werden. 3

4 ➀ ➁ ➂ ➀ Schrägnadellager ➁ ➂ Pin mit Freiheitsgrad II / 45 Optional Freiheitsgrad III / 360 Axial-Radialnadellager ➃ Grundplatte mit Wälzkörperlaufbahn Freiheitsgrad I / 90 ➃ Bild 2 Kreuzgelenk mit zwei oder drei Freiheitsgraden Neben einer hohen Tragzahl ist Steifigkeit für eine spanende Werkzeugmaschine unabdingbar. Trotz Punktberührung wird unter Vorspannung, bedingt durch die günstige Lastverteilung, eine hohe Steifigkeit erzielt. Das Kugelgelenk bietet von allen Gelenken das beste Verhältnis von Tragfähigkeit und Steifigkeit in Bezug auf den Bauraum. Durch den umschließenden Dichtungsträger wird eine vollständige Abdichtung erreicht. Mit diesen Eigenschaften und Schwenkwinkeln bis zu ca. 30 wird das Gelenk vorwiegend in spanenden Werkzeugmaschinen sowie in schweren Handhabungsanlagen seinen Einsatz finden. I Schwenkwinkel-Diagramm 2.2 Kreuzgelenke mit zwei oder drei Freiheitsgraden Das Kreuzgelenk (Bild 2) ist ideal für Anwendungen im Handlingbereich. Mit seiner geringen Masse sowie den großen Schwenkwinkeln lassen sich Strukturen verwirklichen, die bei großem Arbeitsraum hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten ausgesetzt sind. Um die Baugröße und die Steifigkeit in einem angemessenen Rahmen zu halten, wurde der Schwenkwinkel in den Endlagen begrenzt (Bild 3). Aus dem Schwenkwinkel-Diagramm kann die zulässige Schwenkposition der Achsen zueinander abgelesen werden. Auf Grund der kleinen Stützweite sowie des Einsatzes von Schrägnadellagern liegen die Steifigkeitswerte trotz Vorspannung deutlich unter denen des Kugelgelenkes. Für die oben genannten Anwendungen sind diese jedoch ausreichend. Der Vorteil liegt eindeutig in der geringen Masse und den großen Schwenkwinkeln. 2.3 Kardangelenke Kardangelenke dienen für gewöhnlich der Übertragung von Drehmomenten und dem Ausgleich von Fluchtungsfehlern bei Wellenverbindungen. In parallelen Strukturen müssen Zug- und Druckkräfte übertragen werden und eine hohe Steifigkeit gewährleistet sein. Aus diesem Grund wurde das Gelenkkreuz mittels FEM-Programm auf Zug-Druck-Belastung optimiert. Im einzelnen wurden das Gelenkkreuz sowie die Gelenkgabel deutlich stärker demissioniert. Die zum Einsatz kommenden Wälzlager sind vorgespannte Axial-Radialnadellager. Diese Lager bieten, bezogen auf den Bauraum, die größtmögliche Steifigkeit, sind komplett abgedichtet und in der Wälzlagerbranche technischer Standard. Das Kardangelenk schließt die Lücke zwischen Kugelgelenk zum einen und Kreuzgelenk zum anderen. Bei sehr hohen Steifigkeitswerten ermöglicht dieses Gelenk große Schwenkwinkel. Zu beachten ist ebenfalls das in Bild 3 dargestellte Schwenkwinkel-Diagramm. Dessen Einschränkungen in Bezug auf die Relativbewegung von Achse I und Achse II gelten auch für das Kardangelenk. Damit ist das Kardangelenk ideal für Anwendungen, bei denen große Arbeitsräume durchfahren werden, gleichzeitig aber auch Steifigkeit gefragt ist (Bild 4) II Bild 3 4 Schwenkwinkel-Diagramm

5 ➂ ➁ ➀ ➀ Axial-Radialnadellager optional 3. Freiheitsgrad ➁ Gelenkkreuz ➂ Lagerbock ➃ Axial-Radialnadellager ➃ Bild 4 Kardangelenk 3. Teleskopstreben Vor zwei Jahren stellte die Firma INA auf der EMO in Hannover die ersten Teleskopstreben als Maschinenelement vor. Im Gegensatz zu den Streben, welche von Maschinenherstellern für ihre Projekte entwickelt wurden, waren dies die ersten zu erwerbenden Komponenten am Markt. Nachdem weitere Verbesserungen in die Konstruktion eingeflossen sind, stehen nun zwei Durchmesserdimensionen als Konstruktionsbasis zur Verfügung. Ausgehend von den Grundabmaßen wird die Konstruktion den Anforderungen des Kunden in Bezug auf Hubweg, Steifigkeit und zu erwartenden Reaktionskräften angepaßt. Variabel und auf die Kundenwünsche abzustimmen sind neben der Hublänge ebenso der zweite Aufhängungspunkt sowie die Bestückung mit dem gewünschten Gelenktyp. Der funktionelle Aufbau einer Teleskopstrebe mit Standrohr und Tauchrohr entspricht dem eines Hydraulikzylinders. Zur spielfreien Führung des Tauchrohres beim Ausfahren sind eine vorgespannte Linearführung im Außenrohr und patentierte eingeschliffene INA-KUVS-Laufbahn im Innenrohr vorgesehen. Je nach Steifigkeitsanforderung erfolgt der Vorschubantrieb entweder über eine Kugelrollspindel oder über einen Rollengewindetrieb. Die Antriebsspindel wird in einem Axial-Schrägkugellager der Baureihe DKLFA gelagert. Bei einer Maximaldrehzahl von /min und einer Spindelsteigung von 20 mm sind Vorschubgeschwindigkeiten von 0,8 m/s möglich (Bild 5). Die auf die Plattform einwirkenden Kräfte werden über die Gelenkkinematik in Zug- und Druckkräfte umgewandelt. Die geringen durch beschleunigte Massen der Teleskopstreben erzeugten Querkräfte werden über die Linearführungen aufgenommen. Maßgebend für die Steifigkeitsbetrachtung ist aus diesem Grund die Steifigkeit in der Teleskopstrebenachse. Bei gleichbleibendem Durchmesser ist die Steifigkeit somit eine Funktion der Hublänge. Kugelrollspindel oder Rollengewindetrieb Kardanische Aufhängung INA-Axial-Schrägkugellager DKLFA Innenrohr mit eingeschliffener patentierter INA-KUVS-Laufbahn Außenrohr INA-Linearführung KUVS Bild 5 Teleskopstrebe 5

6 Krafteinleitung Innenkugel Starres Gehäuse Einspannung Wälzkörper modelliert als elastische Feder Schwenkwinkel α = 0 - α = 10 Bild 6 Kugelgelenk, FEM-Modell 4. Steifigkeitsermittlung Gelenke, insbesondere Kugelgelenke, lassen sich bei einer Kennwerte-Berechnung nur bedingt mit Wälzlagern vergleichen. Der Ansatz liegt deshalb darin, Berechnungsverfahren zu entwickeln, mit denen Richtwerte für die Konstruktion ermittelt werden können. Diese Theorien werden im Anschluß durch Versuche auf Plausibilität geprüft und weiterentwickelt. Für die Steifigkeitsermittlung wurden die Gelenke mit einem FEM-Programm berechnet. Als Basis diente das 3-D CAD Modell. Für Kardan- und Kreuzgelenke stellt sich so die Steifigkeit als Reihen- bzw. Parallelschaltung der Einzelkomponenten dar. Die Lager verhalten sich dabei wie übliche Wälzlager. Dementsprechend läßt sich die Einfederung deutlich aufgliedern in Wälzkörpereinfederung und Verformung des Gelenkkreuzes. Bedeutend schwieriger gestaltet sich die Steifigkeitsermittlung bei Kugelgelenken. Grundsätzlich wird auch hier ein FEM- Modell erstellt. Die Wälzkörper werden durch nichtlineare Federn ersetzt und die Formungenauigkeiten durch verschiedene Federsteifigkeiten erfaßt (Bild 6). Diese Vorgehensweise ist berechtigt, da die Abweichung von der Kugelform verfahrensbedingt nahezu immer im selben Bereich auftritt. Durch diese Modellierung kann die Ungenauigkeit der Bauteile in Bezug auf die Formgenauigkeit in die Rechnung einbezogen werden. Sowohl beim Kreuzgelenk als auch beim Kugelgelenk konnte eine sehr gute Übereinstimmung von Berechnungstheorie und Versuch erreicht werden. In Bild 7 sind die gerechneten Steifigkeitswerte aller Gelenke im Vergleich aufgetragen. 5. Tragzahlen und Lebensdauer Für die Ermittlung der Tragzahlen bei Kardangelenken und Kreuzgelenken wird die klassische Wälzlagertheorie zugrundegelegt. FEM-Berechnungen haben gezeigt, daß die Anschlußbauteile keine kritischen Elemente darstellen. Eine Tragzahl definiert sich bei diesen Typen deshalb auch über die Tragzahl des schwächsten eingebauten Wälzlagers. In Bezug auf die Lebensdauerermittlung ist eine Analogie zu oszillierenden Lagerbewegungen zu erkennen, das heißt, es erfolgt keine Ermüdung im üblichen Sinn. Die beste Kennzahl, um eine Ausfallwahrscheinlichkeit zu quantifizieren, ist die statische Tragsicherheit. Durch die hohen Lagertragzahlen ist bei üblichen Anwendungen eine statische Tragsicherheit von mindestens vier gewährleistet. Kugelgelenke sind eine völlige Neukonstruktion und lassen sich nur schwer mit Wälzlagern vergleichen. Es handelt sich bei diesem Gelenktyp nicht um ein Wälzlager üblicher Form. Die Firma INA beschäftigt sich derzeit mit der Erstellung von Berechnungsgrundlagen für Kugelgelenke. Wird ein Kugelgelenk geschwenkt, kommt es nur in der Schwenkebene zur Abrollbewegung der Wälzkörper. Außerhalb dieser Ebene, d.h. bei ca. 95% der Wälzkörper, erfolgt eine Bewegung der Wälzkörper um alle drei Achsen. Zusätzlich ist durch die vollkugelige Ausführung mit einer Beeinflussung der Kugeln untereinander zu rechnen. In der Wälzlagertechnik stellt eine Belastung, wie sie bei diesem Gelenk auftritt, also eine Schwenkbewegung mit kleinen Schwenkwinkeln unter Last, einen nicht mit üblichen Mitteln berechenbaren Sachverhalt dar. Um das Ermüdungsverhalten dieser Elemente zu ermitteln, müssen längerfristige Versuche durchgeführt werden. Aus den Versuchsergebnissen lassen sich dann Rückschlüsse auf mögliche Berechnungsverfahren ziehen. Erste Ansätze für Berechnungsmethoden wurden bereits aufgezeigt. 6

7 N/micrometer gerechnete Steifigkeitswerte Kugelgelenk 40 mm (Zugbelastung) Kugelgelenk 60 mm (Zugbelastung) Kreuzgelenk 2F Kreuzgelenk 3F Kardangelenk 2F Kardangelenk 3F F = Freiheitsgrad Bild 7 Steifigkeitswerte der vorgestellten Gelenke im Vergleich 6. Schmierung Schwenkbewegungen bzw. Mikroschwingungen bei Wälzlagern stellen besondere Anforderungen an den Schmierstoff. Speziell für diesen Einsatz konzipierte Schmierfette können die in diesen Anwendungen möglichen Verschleißmechanismen verhindern. Der Einsatz von Verschleißschutzschichten an kritischen Bauteilen bietet eine weitere Möglichkeit, Tribokorrosion zu vermeiden. Auch hier laufen groß angelegte Versuche. 7. Fazit Mit der Entwicklung von Gelenken und Teleskopstreben für parallele Kinematiken werden dem Konstrukteur Maschinenelemente für diese neue Generation von Werkzeugmaschinen und Handhabungseinrichtungen zu Verfügung gestellt. Den vielfältigen Anforderungen an Gelenke und Teleskopstreben stehen nun Komponenten gegenüber, die speziell für diese Aufgaben konzipiert sind. Für die zukünftige Entwicklung müssen weitere Erkenntnisse aus den verschiedenen Forschungsprojekten wie Dynamil II oder aus der Zusammenarbeit mit Kunden richtungsweisend sein. Auf Grund der ständigen Weiterentwicklungen ist ein enger Kontakt mit dem Hersteller bei der Konstruktion mit diesen neuen Maschinenelementen unumgänglich. Weiterführende Informationen über Einsatz und Auslegungskriterien sowie über den neuesten Entwicklungsstand sind den detaillierten Ausführungen der Wälzlagerhersteller zu entnehmen oder bei deren anwendungstechnischem Beratungsservice zu erfragen. Autorenhinweis: Dipl.-Ing. (FH) Frank Dürschmied ist Anwendungsingenieur im Branchenmanagement Produktionsmaschinen und Systeme bei der INA Wälzlager Schaeffler ohg in Herzogenaurach 7

8 INA Wälzlager Schaeffler ohg D Herzogenaurach Telefon ( ) 82-0 Telefax ( ) Sach-Nr /BPK D-D Printed in Germany