Algemeen

Kogelomloopaandrijving repareert zich zelf

kogelomloopaandrijving Fraunhofer-IWU
Kogelomloopaandrijvingen hebben grote voordelen, maar onderhoud kan duur uitvallen (foto's: Fraunhofer-IWU)

Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz hebben samen met industriële partners in het onderzoeksproject LastPass een kogelomloopaandrijving ontwikkeld, die met behulp van een vormgeheugenactuator zelfstandig slijtage- en materiaalmoeheid tegenwerkt. Daarmee zou de levensduur en de nauwkeurigheid van aandrijvingen voor werktuigmachines permanent verbeteren en kunnen onderhoudstijden beter worden gepland.

Kogelomloopaandrijvingen behoren binnen de machinebouw tot de meest gebruikte aandrijfsystemen. Een spindel wordt rechtstreeks aangedreven door een motor, een tandwielkast of riemaandrijving. Tussen de spindel en de moer bewegen kogels in loopbanen, waardoor ze tijdens het draaien van de spindel langs de as worden verplaatst. Via een terugvoerkanaal van de spindelmoer worden de kogels weer teruggevoerd en sluiten hiermee de omloop van de beweging. Op deze manier kunnen roterende bewegingen worden omgezet in lineaire bewegingen.

Kogelomloopaandrijving

Voordelen van kogelomloopaandrijvingen zijn vooral het hoge mechanische en energetische rendement. Door het overbrengen van de kracht met behulp van kogels kan het benodigde aandrijfvermogen worden gereduceerd. Bovendien hebben deze systemen een geringe slijtage van de loopbanen.

Maar mocht een kogelomloopaandrijving een keer defect raken, dan kunnen de reparatiekosten flink oplopen. Zou dit tijdens productie gebeuren, dan kan in het ongunstigste geval schade ontstaan aan andere machinecomponenten. Preventieve vervanging zorgt echter voor onnodige stilstandtijden van de machine.

De producent heeft nog een andere uitdaging. Om de aandrijving zo nauwkeurig mogelijk te kunnen positioneren, wordt een relatief hoge mechanische voorspanning ingesteld, wat betekent dat de speling tussen spindel en de moer wordt gereduceerd tot een paar micrometer.

Dit zorgt echter weer voor een verhoogde wrijving, materiaal vermoeidheid en uiteindelijk slijtage. Hierdoor wordt de speling tussen de moer en de spindel weer groter, waardoor de voorspanning en dus de bewerkingsnauwkeurigheid van de machine permanent minder wordt. De kogelomloopaandrijving moet óf worden vervangen óf zo snel mogelijk opnieuw worden afgesteld.

Wetenschappers van Fraunhofer-IWU is het gelukt, om samen met industriële partners binnen het project LastPass, om vormgeheugenactuatoren te integreren in een kogelomloopaandrijving. Deze ‘smart’ aandrijving varieert zijn voorspanning ‘intelligent’ doordat hij de warmte, die ontstaat tussen de rollende contacten, gebruikt voor de activering van de gebruikte actoren. Deelnemers in het project zijn Berger GmbH & Co, Deckel-Maho Pfronten GmbH, A. Steinmeyer GmbH & Co. KG, Union Werkzeugmaschinen GmbH, Metrom GmbH en Digalog GmbH.

Vormgeheugen

Legeringen met vormgeheugen hebben de eigenschap om na een mechanische vervorming en de daaropvolgende opwarming terug te keren in een gedefinieerde uitgangsvorm. Ze kunnen daarmee worden gebruikt voor het realiseren van actuatorfuncties. Voor het variëren van de voorspanning hebben de onderzoekers een ringvormig actuatorelement geïntegreerd tussen de twee delen van de moer.

Fraunhofer-IWU kogelomloopaandrijving
Voor het variëren van de voorspanning in de kogelomloopspindel hebben de onderzoekers een ringvormig actuatorelement geïntegreerd tussen de twee delen van de moer.

Door de wrijvingswarmte zet de vormgeheugenactuator uit tot een vooraf ingestelde waarde en verhoogt zodoende de voorspanningskracht permanent. Deze uitzetting blijft behouden na een eenmalige activering en heeft verder geen energietoevoer nodig. Tijdens de eerste testen kon de voorspanning gemiddeld met ongeveer 60% worden verhoogd.

Het ontwikkelde demonstratiemodel voor de slijtagecompensatie werd ook nog uitgevoerd met een extern verwarmingselement en is hierdoor gericht aan te sturen. De onderzoekers van Fraunhofer denken al verder en willen ook het onderhoudsproces vormgeven, inclusief energie-efficiëntie. Bij de volgende stap moet het systeem in het kader van Industrie 4.0 met behulp van sensoren worden bewaakt. Bij een terugloop van de nauwkeurigheid kan de kogelkringloopaandrijving automatisch worden voorgespannen. De onderhoudsintervallen verminderen en kunnen beter worden afgestemd op de productie.

Toekomstperspectieven

Het gebruik van legeringen met vormgeheugen is een nog relatief nieuwe ontwikkelingstendens waarvoor maar weinig richtlijnen en normen beschikbaar zijn. Het Fraunhofer IWU werkt samen met partners aan een richtlijn voor het gebruik van deze materialen en deze moet in 2016 beschikbaar zijn.

Met de ontwikkelde actuatoren kunnen de partijen echter nu al met een concreet voorbeeld aantonen, dat ze de complexe eigenschappen van het materiaal bruikbaar kunnen maken en dat deze materialen een grote potentie hebben. De noodzakelijke extra kosten voor de inbouw van de nieuwe actuatoren vormen maar een deeltje van de investeringskosten van een complete kogelomloopaandrijving.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven