Steigerung der Arbeitsgenauigkeit mehrachsiger Maschinensysteme durch Kompakt- und Integralbauweise am Beispiel einer 5-Achs-Maschine:
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Aachen
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| adam_text | Titel: Steigerung der Arbeitsgenauigkeit mehrachsiger Maschinensysteme durch Kompakt- und Integralbauweise
Autor: Utsch, Tobias Phillip
Jahr: 2012
Inhaltsverzeichnis
Content
1 Einleitung.............................................................................................................1
2 Stand der Technik................................................................................................5
2.1 Anforderungen im Mikroformenbau...............................................................5
2.1.1 Fertigungsverfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen.................5
2.1.2 Ableitung von Fertigungsanforderungen aus dem Mikroformenbau.9
2.1.3 Prozesscharakteristika und abgeleitete Maschinenanforderungen 11
2.2 Marktverfügbarkeit hochpräziser 5-Achs-Werkzeugmaschinen..................14
2.3 Stand der Forschung im Bereich Miniaturmaschinen..................................21
2.4 Fazit zum Stand der Technik.......................................................................23
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung..................................................................25
4 Konstruktive Aspekte zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit............27
4.1 Einflüsse auf die Arbeitsgenauigkeit von Präzisionsmaschinen..................27
4.2 Bilanzierung und Budgetierung des Maschinenfehlers................................29
4.2.1 Fehlerfortpflanzung in einer Werkzeugmaschine...........................29
4.2.2 Berechnung der skalaren Fehlereinträge.......................................35
4.2.3 Programmtechnische Konzeption..................................................37
4.3 Kompakt- und Integralbauweise zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit.....38
4.4 Fazit für den Maschinenaufbau...................................................................42
5 Konzeption einer fünfachsigen Kompaktmaschine........................................43
5.1 Lastenheft einer kompakten, fünfachsigen Werkzeugmaschine.................43
5.2 Herleitung und Bewertung alternativer Achskonfigurationen.......................44
5.2.1 Restriktionen zur Bereitstellung maschinenseitiger Freiheitsgrade 45
5.2.2 Konstruktive Konzeptbewertung.....................................................48
5.3 Konzeptdetaillierung....................................................................................52
5.3.1 Aufstellen eines Fehlerbudgets......................................................52
5.3.2 Dimensionierung der Maschinenkomponenten..............................55
5.4 Pflichtenheft einer fünfachsigen Kompaktwerkzeugmaschine.....................62
6 Konstruktion, Aufbau und Charakterisierung einer Kompaktmaschine.......65
6.1 Maschinenkonstruktion................................................................................65
6.1.1 Konstruktion der Rundachsen........................................................66
6.1.2 Konstruktion der Linearachsen.......................................................70
6.2 Aufbau und Inbetriebnahme........................................................................76
6.3 Maschinencharakterisierung.......................................................................77
6.3.1 Geometrische Maschinenfehler......................................................77
6.3.2 Quasi-statisches und dynamisches Maschinenverhalten...............84
6.3.3 Thermisches Maschinenverhalten..................................................90
7 Grundlagen einer integralen Dreheinheit........................................................95
7.1 Idee und Konzeption eines integralen Achssystems...................................95
7.1.1 Anforderungen und resultierende Idee der Lagerintegration..........95
7.1.2 Integration eines hydrostatischen Radiallagers in einen Antrieb.... 97
7.1.3 Integration von Axiallager und Messsystem.................................100
7.2 Konstruktion einer integralen Dreheinheit.................................................102
7.2.1 Auslegung der feststehenden Radiallagermechanik....................102
7.2.2 Auslegung der rotierenden Radiallagermechanik.........................104
7.2.3 Auslegung der Axiallagermechanik..............................................106
7.2.4 Gesamtkonstruktion der integralen Dreheinheit...........................108
7.3 Fertigung und Montage der integralen Dreheinheit...................................110
7.3.1 Fertigung und Integration der Lagerhülse in den Stator...............110
7.3.2 Abformung des Magnetüberzugs (Rotor).....................................111
7.3.3 Fertigung und Montage der Gesamtachse...................................112
7.4 Charakterisierung des integralen Achssystems........................................114
7.4.1 Geometrische Eigenschaften.......................................................114
7.4.2 Dynamische Eigenschaften..........................................................115
7.4.3 Thermische Eigenschaften...........................................................117
8 Optimierung einer Dreh-Schwenkeinheit......................................................119
8.1 Vergleich zwischen kompakter und integraler Drehachse.........................119
8.1.1 Geometrische, statische und dynamische Eigenschaften............119
8.1.2 Auswirkungen auf das Gesamtmaschinensystem........................120
8.2 Integration und Implementierung der Integraleinheit.................................122
8.3 Vergleichsuntersuchung zum Antrieb der Schwenkachse.........................123
8.3.1 Mechanische Eigenschaften der Antriebsvarianten.....................123
8.3.2 Dynamisches Übertragungsverhalten der Antriebsregelkreise.....124
8.3.3 Experimentelle Ermittlung des Übertragungsverhaltens..............128
9 Bewertung von Kompakt- und Integralbauweise..........................................131
9.1 Bewertung der Optimierungsziele.............................................................131
9.2 Einsatzpotential der Kompaktbauweise.....................................................132
9.3 Einsatzpotential der Integralbauweise.......................................................132
10 Zusammenfassung und Ausblick...................................................................133
11 Literaturverzeichnis.........................................................................................141
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