Automatisierte Strömungsmessungen Zahnstangengetriebe für den Windkanal

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Die iLA_5150 GmbH aus Aachen fertigt Strömungsmesssysteme, die in der Wissenschaft und im Motorsport zum Einsatz kommen. Für eine automatisierte Anlage mit langem Verfahrweg reichten die bisher verwendeten Kugelumlaufspindeln nicht mehr aus. Die Lösung waren Zahnstangengetriebe von Leantechnik.

Bei den Rennen der Formel 1 entscheiden Zehntel- oder Hundertstelsekunden über Sieg oder Niederlage. Die Teams sind deshalb kontinuierlich damit beschäftigt, die Aerodynamik ihrer Fahrzeuge zu optimieren um sie noch schneller zu machen. Eine unabdingbare Voraussetzung dafür ist der regelmäßige Aufenthalt im Windkanal: Hier wird der Luftwiderstand der Fahrzeuge gemessen. Auf Basis der ermittelten Daten passen die Rennställe dann die Konstruktion der Autos an. 

Strömungsmessung mit High-Speed-Geräten

Die iLA_5150 GmbH aus Aachen ist führend in der Entwicklung berührungsloser laseroptischer Geschwindigkeitsmessverfahren für Windkanäle der Formel 1. Die Messsysteme des Unternehmens basieren auf dem Particle Image Velocimetry-Verfahren (PIV), mit dessen Hilfe sich die Geschwindigkeit von Partikeln in einer Ebene einer Strömung bestimmen lässt.   Für die Messung generiert ein Highspeed-Laser eine beleuchtete Fläche mit Abmessungen von ca. 0,5 x 0,5 m und einer Lichtschnittebene mit einer Dicke von etwa 1 mm. Der Laser löst im Abstand von 20 µs bzw. 100 µs zwei Lichtimpulse aus, welche die mit Streupartikeln versetzte Luftströmung beleuchten. „Jeder Lichtimpuls dauert nur wenige Nanosekunden“, beschreibt der Geschäftsführer von iLA_5150, Frank Michaux, den Ablauf. „In genau diesen Momenten muss auch die Kamera auslösen, die das Streulicht der Partikel aufnimmt.“  

RoboPIV ermöglicht vollautomatisierte Abläufe

Seit 2012 fertigt iLA_5150 neben stationären manuell bedienbaren PIV-Anlagen für Wissenschaft und Forschung auch Systeme für den Motorsport und die Automobilindustrie. Da die Nutzung der Windkanäle für die Formel 1-Rennteams sehr teuer ist, müssen die Messungen mit größtmöglicher Effizienz durchgeführt werden. Frank Michaux und seine Kollegen entwickelten deshalb speziell für diese Zielgruppe unter dem Namen RoboPIV automatisierte Messsysteme: Hier bewegen sich Kameras und Laser auf Linearführungen mithilfe von Kugelumlaufspindeln. Bei einem neuen Windkanal-Projekt stieß diese Konstruktion allerdings an Grenzen, da Verfahrwege von bis zu 15 m Länge gefordert waren. „Wir haben deshalb nach einer alternativen konstruktiven Lösung gesucht“, so Michaux. 

Bisherige Verfahrachsen reichten nicht mehr aus

Die Strömungsmesstechnik-Spezialisten stießen bei ihrer Recherche schnell auf Leantechnik – einen Automatisierungsspezialisten aus Oberhausen, der für seine hochgenauen Zahnstangengetriebe bekannt ist. Die Getriebe ermöglichen die Ausführung präziser synchroner Positionieraufgaben und kommen seit drei Jahrzehnten in zahlreichen industriellen Anwendungen weltweit zum Einsatz.  Leantechnik fertigt mit lifgo und lean SL zwei verschiedene Zahnstangengetriebe-Serien, die jeweils ganz spezifische Eigenschaften besitzen. lifgo-Zahnstangengetriebe wurde für die präzise synchrone Positionierung schwerer Lasten entwickelt. Die vierfache Rollenführung der Getriebe gewährleistet eine sehr hohe Positioniergenauigkeit von0,05 mm und eine Wiederholgenauigkeit von 0,02 mm.  

lifgo-Zahnstangengetriebe sind in verschiedenen Baureihen mit Hubkräften von 2.000 N bis 25.000 N und Hubgeschwindigkeiten bis 3 m/s lieferbar. Darüber hinaus gibt es Ausführungen für Anwendungen mit langen Verfahrwegen, mit Greif- und Zentrierbewegungen und für Anwendungen mit einer Kombination aus Greif- und Zentrierbewegungen sowie langen Verfahrwegen. Selbst ein Zahnstangengetriebe mit geräuscharmem Lauf bietet Leantechnik an.

Zahnstangengetriebe in verschiedenen Ausführungen 

Bei einfachen synchronen Positionieraufgaben ohne Querkraftaufnahme wären die lifgo-Getriebe allerdings überdimensioniert. Für diese Einsatzgebiete wurden deshalb die lean SL-Zahnstangengetriebe entwickelt. Sie eignen sich für alle Anwendungen, bei denen eine Führung bereits vorhanden ist. lean SL-Zahnstangengetriebe sind in verschiedenen Baugrößen und in zwei Ausführungen erhältlich, können Hubkräfte von 800 N bis 25.000 N aufnehmen und erreichen Hubgeschwindigkeiten von bis zu 0,6 m/s. Neben dem Standardmodell fertigt Leantechnik eine Variante für Greif- und Zentrierbewegungen sowie eine besonders kompakte Ausführung für Applikationen mit wenig Bauraum.

Messungen erfordern höchste Präzision

Die iLA_5150 GmbH benötigte für ihre RoboPIV-Anlagen ein Positioniersystem, das mit höchster Präzision arbeitet – schließlich müssen Laser und Kamera bei den Messungen exakt aufeinander ausgerichtet sein. Bei jeder Messung machen zwei Kameras Aufnahmen von den in der Luftströmung treibenden Streupartikeln. Jede Kamera wird von einem Roboter bewegt, der frei durch den Raum bewegt werden kann. Die Bewegungen sind synchronisiert: Dreht sich ein Roboter in die eine Richtung, tun es der Kamera-Roboter und der Laser-Roboter ebenfalls. 

Positioniersystem mit drei Achsen: Hocheffiziente Montage in der Automobil-Industrie

Positioniergenauigkeit lässt sich exakt anpassen

„Der Abstand zwischen Kamera und Laser muss dabei immer gleichbleiben, damit die Vergleichbarkeit der Messergebnisse gewährleistet ist“, erklärt Frank Michaux. „Unsere Anforderungen an die Zahnstangengetriebe war, dass der Positionierfehler nicht größer als 100 µm sein darf.“ Michaux und seine Kollegen entschieden sich deshalb für die lifgo 5.3-Getriebe mit Excenter. Bei dieser Ausführung der lifgo 5.3-Getriebe wird die Ritzelwelle der Zahnstange zugestellt, sodass sich das Zahnflankenspiel individuell einstellen lässt. „So konnten wir die Positioniergenauigkeit optimal an die Anforderungen unserer Laser- und Kamerasysteme anpassen.“

Leantechnik lieferte an iLA_5150 insgesamt vier Zahnstangen à 15 m. Jede der Zahnstangen bestand wiederum aus vier Einzelteilen à 3,75 m. „Diese Teilung entspricht nicht unserem Standardprogramm, sondern wurde von uns speziell für iLA angefertigt“, berichtet Vertriebsingenieur Muhammed Eren Cayci. „Das zeigt, wie detailliert wir auf Kundenwünsche eingehen können.“ Es ist übrigens bei weitem nicht das erste Mal, dass Zahnstangengetriebe von LEANTECHNIK in automatisierten Verfahrachsen zum Einsatz kommen – sie sind z. B. in Pick-and-Place-Anlagen oder Schweißrobotern zu finden. „Aber eine Anwendung in einem Windkanal war neu für uns“, so Cayci.

Die Messtechnik-Profis von iLA_5150 bauten mithilfe der lifgo-Getriebe eine Modellanlage und testeten sie monatelang auf Herz und Nieren. Mit Erfolg: „Unser Kunde ist sehr zufrieden“, freut sich Frank Michaux. 

Kugelumlaufspindeln sind teurer 

Seit einiger Zeit liefert die RoboPIV-Anlage mit den Leantechnik-Getrieben dem Formel 1-Team bereits wertvolle Messdaten. iLA_5150 ist von den Zahnstangengetrieben inzwischen so überzeugt, dass das Unternehmen künftig auch automatisierte Messsysteme mit Verfahrwegen von unter 15 m Länge mit ihnen ausstatten will. Die Zahnstangengetriebe ermöglichen nämlich nicht nur längere Messstrecken als die Kugelumlaufspindeln. Sie sind in den meisten Fällen auch günstiger.