Lineare und rotatorische Direktantriebe besitzen aufgrund der Einsparung von mechanischen Übertragungselementen bei der Erzeugung der gewünschten Vorschubkraft ein großes Dynamikpotenzial. Die Nutzung dieses Potenzials scheitert unter anderem an den Eigenschaften der Gestellstrukturen. Hochdynamische Bahnbewegungen regen die Strukturen zum Schwingen an und verursachen Konturfehler. Die Schwingungseigenschaften werden durch die hochauflösenden Messsysteme der Direktantriebe erfasst und begrenzen die applizierbare Bandbreite der Regelung und damit die regelungstechnische Minimierung dieser Konturfehler. Eine Möglichkeit, die Rückwirkung der Strutureigenschaften zu reduzieren, ohne die Dynamik in der Bewegungsführung zur begrenzen, ist die mechanische Entkopplung der Reaktionsseite des direktangetriebenen Vorschubsystems. Da das Funktionsprinzip in den industriellen Anwendungen noch nicht nachhaltig verankert ist, greift die vorliegende Arbeit die Frage nach der Potenzialabschätzung von entkoppelten Direktantriebsstrukturen auf. Dabei wird der kausale Zusammen-hang zwischen dem Dynamikbedarf der Bewegungsführung, der Konturgenauigkeit und der Schwingungsneigung der Strukturen hergestellt. Die bestehenden Entkoppelprinzipien zur Reduzierung der Schwingungsneigung werden analysiert und eine weitere Methode zur Dimensionierung der Entkoppelparameter wird vorgestellt. Die Beurteilung des Potenzialgewinns erfolgt anhand des geregelten Vorschubsystems unter Berücksichtigung der mechanischen Struktur. Beispiele für die Anwendung der gekoppelten Simulation zwischen Regelungstechnik und Strukturdynamik werden dabei sowohl für reduzierte als auch für komplexe Strukturmodelle gegeben. Mit der vorgestellten Vorgehensweise kann der Potenzialgewinn abgeschätzt und über die zusätzlichen Systemkosten der Amortisierungszeitraum ermittelt und dem von konventionell aufgebauten Direktantriebssystemen gegenübergestellt werden.

1 Einleitung 2 Stand der Technik und der Forschung 2.1 Spanende Technologien mit hochdynamischen Bewegungsaufgaben 2.2 Dynamikanforderungen an die Bearbeitungs-maschine 2.3 Mechatronische Antriebsstruktur in Produktionsmaschinen 2.3.1 Bahnerzeugung und Führungsgrößenanpassung 2.3.2 Istwerterfassung und Bewertung 2.3.3 Motoren für Direktantriebssysteme 2.4 Struktureller Aufbau von Vorschubsystemen 2.4.1 Vorschubsysteme mit mechanischen Übertragungselementen 2.4.2 Direktgetriebene Vorschubsysteme 2.4.3 Mechanische Entkopplung der Direktantriebseinheit 2.4.4 Fazit aus dem Stand der Technik und der Forschung 3 Zielstellung und Vorgehensweise 4 Bewegungsanalyse mit Wirkung der Bahndynamik auf die Gestellstrukturen 4.1 Ruck vs. Konturgenauigkeit 4.2 Ruck vs. Dynamik 4.3 Analyse mittels normierter Bewegungsfunktionen 5 Analyse und Synthese der Berechnungsmodelle 5.1 Mechanikmodelle zur Bestimmung der Eigenschaften der Entkoppelglieder 5.1.1 Entkoppelstruktur mit Tiefpasseigenschaften 5.1.2 Entkoppelstruktur mit Tilgereigenschaften 5.1.3 Erweiterung des mechanischen Ersatzmodells 5.2 Systemverhalten des mechatronischen Ersatz-modells 5.2.1 Auswirkung der Entkoppelstruktur auf das Regelverhalten des Direktantriebes 5.2.2 Komplexe Strukturmodelle mit geregeltem Vorschubschlitten 5.2.3 Einfluss der Coulombschen Reibung auf die Entkopplung 5.3 Beurteilung der Dimensionierungsvarianten – Optimale Auslegung 6 Integration und Bewertung prototypischer Anwendungen 6.1 Versuchsstand mit entkoppeltem linearen Direkt-antrieb 6.2 Rundtakttisch mit entkoppeltem rotatorischen Direktantrieb 6.3 Komplexe mehrachsige Maschinenstruktur mit entkoppeltem Direktantrieb 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Anlagen