Terug naar overzicht

Stijfheid: de vergeten parameter in precisie-aandrijfsystemen

Bij het ontwerpen van precisie-aandrijfsystemen ligt de focus vaak op speling, nauwkeurigheid en herhaalbaarheid. Een minstens zo belangrijke, maar vaak onderschatte parameter is stijfheid. De stijfheid van een aandrijflijn bepaalt in hoge mate het dynamisch gedrag, de regelbaarheid en de uiteindelijke positioneernauwkeurigheid van een machine.

Wat is stijfheid?

Stijfheid beschrijft de weerstand van een mechanisch systeem tegen vervorming onder belasting. In roterende aandrijvingen wordt meestal gesproken over torsiestijfheid, uitgedrukt in Nm/rad. Hoe hoger de stijfheid, hoe kleiner de verdraaiing bij een gegeven koppel.

In een aandrijflijn bestaat de totale stijfheid uit meerdere componenten, zoals:

• de tandwielkast,
• koppelingen,
• motoras en uitgaande as,
• tandheugel-rondsel of andere overbrengingen.

De laagste stijfheid in de keten bepaalt uiteindelijk het systeemgedrag.

In een servo-aandrijving met een compacte planetaire spelingsarme tandwielkast kan de torsiestijfheid van de tandwielkast een bepalende factor zijn voor de dynamische prestaties. In pick-and-place toepassingen met hoge versnellingen zorgt een stijve planetaire overbrenging ervoor dat de motorbeweging vrijwel direct aan de last wordt doorgegeven, zonder merkbare elastische verdraaiing.

Stijfheid versus speling

Speling en stijfheid worden vaak met elkaar verward, maar beschrijven verschillende effecten. Speling veroorzaakt een “dode zone” bij richtingsverandering, terwijl een lage stijfheid leidt tot elastische vervorming onder belasting. Ook volledig spelingsarme systemen kunnen daardoor positioneerfouten vertonen, met name bij wisselende of dynamische belastingen.

Spelingsvrije én superstijve constructies kunnen ook nog een positie-afwijking vertonen, dit heet “Hysterese” of “Lost-motion”.

Een typisch voorbeeld is een lineaire as die onder last enkele micrometers vervormt. De servoregeling compenseert dit door extra koppel te leveren, maar de vervorming blijft aanwezig zolang de belasting aanhoudt. Bij lineaire assen met een Apex tandheugel & rondsel systeem kan de speling nagenoeg nul zijn, terwijl de totale systeemstijfheid toch begrensd wordt door de tandheugel, het rondsel en de lagering van de tandwielkast. Onder wisselende proceskrachten (bijvoorbeeld bij contourfrezen of doseren) ontstaat dan een kleine elastische verplaatsing, ondanks een spelingsvrije overbrenging.

Invloed op dynamiek en regelgedrag

De stijfheid van de aandrijflijn heeft directe invloed op:

• de eigenfrequenties van het systeem,
• de maximaal haalbare regelbandbreedte,
• de gevoeligheid voor resonanties en trillingen.

Een lage stijfheid resulteert in een “zacht” systeem dat moeilijker stabiel en snel te regelen is. Dit leidt vaak tot conservatieve regelinstellingen, langere insteltijden en beperkingen in versnelling en cyclustijd.

In verpakkingsmachines waarin verticale bewegingen worden gerealiseerd met bijvoorbeeld Apex AP-serie tandwielkasten, is een hoge torsiestijfheid essentieel. Tijdens snelle acceleraties en vertragingen voorkomt de stijve overbrenging dat de last natrilt, waardoor hogere cyclussnelheden mogelijk zijn zonder in te leveren op positioneernauwkeurigheid.

Koppelingen als kritische schakel

In veel aandrijfsystemen blijkt de koppeling de zwakste schakel qua stijfheid. Hoewel een koppeling spelingsvrij kan zijn, betekent dit niet automatisch dat zij voldoende torsiestijf is voor dynamische toepassingen. De keuze van koppelingstype heeft daarom een grote invloed op het totale systeemgedrag.

Wanneer een servomotor met een stijve Apex tandwielkast wordt gecombineerd met een relatief flexibele elastomeerkoppeling, kan de totale aandrijflijn alsnog “verend” aanvoelen. In dergelijke gevallen biedt een Apex lamellenkoppeling (D-serie) een aanzienlijk hogere torsiestijfheid, terwijl uitlijnfouten nog steeds gecompenseerd worden. Dit resulteert in een directere respons en betere positioneerprestaties.

Tandheugel en rondsel: vaak onderschat

Bij lineaire aandrijvingen met tandheugel en rondsel wordt stijfheid niet alleen bepaald door de tandvorm, maar ook door de module, de breedte van het rondsel en de lagering van de tandwielkast.

Bij lange portaalassen met Apex tandheugels en rondsels zorgt een stijvere configuratie voor een duidelijke verbetering van de contour-volgnauwkeurigheid. Met name bij wisselende belastingen, zoals bij handling van zware producten, voorkomt een hoge systeemstijfheid dat de last elastisch “achterblijft”.

Praktische ontwerpoverwegingen

Bij het ontwerpen van een precisie-aandrijving is het raadzaam om:

• stijfheid als ontwerpparameter mee te nemen naast speling en nauwkeurigheid,
• niet alleen componenten, maar de volledige aandrijflijn te beoordelen,
• rekening te houden met maximale belasting en dynamische krachten,
• stijfheid af te stemmen op de gewenste regelprestaties.

Conclusie

Stijfheid bepaalt in hoge mate hoe nauwkeurig, snel en stabiel een aandrijfsysteem functioneert. Door deze parameter vroeg in het ontwerpproces mee te nemen, kunnen prestatiebeperkingen en regelproblemen in een later stadium worden voorkomen. In precisietoepassingen is stijfheid daarom geen detail, maar een essentiële ontwerpkeuze. Apex Dynamics helpt graag om de beste keuze in het uitgebreide aanbod van mogelijkheden te maken.

In precisietoepassingen is stijfheid daarom geen detail, maar een essentiële ontwerpkeuze.