Grundlagenuntersuchungen für die Impulskompensation an Vorschubachsen mit Lineardirektantrieb

Laufzeit:	04/2008 – 03/2010
Finanzierung:	DFG
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Jens Müller Dipl.-Ing. Olaf Holowenko

Zielstellung

Lineardirektantriebe wurden in den letzten Jahren immer leistungsfähiger und gleichzeitig immer preiswerter. Aufgrund ihrer besonderen Vorteile, den hohen Kraftanstiegsgeschwindigkeiten, Verfahrgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Beschleunigungsänderungen (Ruck), eignen sie sich besonders für hochdynamische Anwendungen, wie z. B. Werkzeugmaschinen für die Leichtmetall- und HSC-Bearbeitung, Handhabungstechnik oder in der Halbleiterindustrie (z. B. Bonder). Antriebskräfte erzeugen jedoch auch immer entgegengesetzt gerichtete Reaktionskräfte, die das Gestell, je nach Kraftamplitude und Kraftänderungsgeschwindigkeit, zu Schwingungen anregen. Beim Lineardirektantrieb entsprechen diese Reaktionskräfte aufgrund der direkten Anbindung der Linearmotorkomponenten an Gestell und Schlitten sowie fehlender mechanischer Übertragungselemente, wie z. B. übersetzender und elastischer Kugelgewindetriebe oder Zahnstangen, direkt den Antriebskräften. Eine Möglichkeit, die Gestellanregung durch die Reaktionskraft zu vermeiden, ist die Kraftkompensation, bei der eine zur Reaktionskraft entgegengesetzt wirkende Kompensationskraft in das Gestell eingeleitet wird. Eine spezielle Form der Kraftkompensation ist die am IWM entwickelte Impulskompensation, bei der nur die hochfrequenten, gestellanregenden Kraftanteile mit einem zweiten, kollinear angeordneten Lineardirektantrieb kompensiert werden. Die Berechnung der Sollkraft für den Kompensationsantrieb erfolgt durch Filterung des Sollkraftsignals des Nutzantriebes mit einem Bandpassfilter. Ziel dieses Forschungsvorhabens sind Grundlagenuntersuchungen zur wirksamen Impulskompensation des Gestells einer Maschinenstruktur mit Lineardirektantrieb.

Lösungsweg

Es wurde ein Linearmotorversuchsstand aufgebaut, an dem die Impulskompensation sowie ein alternatives Verfahren, die Impulsentkopplung, untersucht werden können. Zur Erweiterung der untersuchbaren Parameterbereiche, insbesondere der Verfahrwege, sowie zur Verringerung des Messaufwandes wurden Matlab/Simulink®-Modelle des Versuchsstandes erstellt. Anhand definierter Kriterien wurden Optima und Grenzen des Verfahrens ermittelt und die erreichbare Verringerung der Gestellanregung mit der Anregung durch die unkompensierte Standard-Achse verglichen. Weiterhin wird der Einfluss der unterschiedlichen Lage von Massenschwerpunkt und Kraftangriffspunkt bei Nutz- und Kompensationsschlitten auf die Anregung von Biegeschwingungen des Gestells untersucht.

Bild 1: Einfluss der Bandbreite auf die Gestellbeschleunigung (fG=0 Hz)

Ergebnisse

Es wurden experimentell und in der Simulation mit Matlab/Simulink® Parametervariationen zur Ermittlung des Einflusses von Bandbreite und Grenzfrequenz des Bandpasses zur Sollstromgenerierung sowie der Reglerparameter des Kompensationsantriebes auf die erreichbare Impulskompensation durchgeführt. Als Beispiel ist in Bild 1 der Einfluss der Bandbreite des Filters zur Sollstromgenerierung auf die Gestellbeschleunigung bei Anregung durch einen Beschleunigungsvorgang mit

Sollgeschwindigkeit 0,5 m/s
Sollbeschleunigung 40 m/s²
Sollruck 10.000 m/s³ dargestellt

Es wurde gezeigt, dass bei der Filterparametrierung für eine optimale Impulskompensation die Grenzfrequenz fG möglichst klein und die Bandbreite fB möglichst groß zu wählen sind. Bei der Parametrierung von Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis des Kompensationsantriebes, die für die Rückführung des Antriebes in seine Ausgangsposition erforderlich sind, zeigte sich, dass der kv-Faktor kaum Einfluss auf die Gestellantwort hat, während der kp-Faktor die Gestellantwort maßgeblich beeinflusst. Der kv-Faktor kann also relativ groß gewählt werden, der kp-Faktor dagegen muss möglichst klein sein. Der I-Regler des Geschwindigkeitsregelkreises muss ausgeschaltet werden. Eine maßgebliche Abhängigkeit der Gestellantwort von den Gestelleigenschaften ist nicht erkennbar.

Um Informationen über das Verhalten des Versuchsstandsgestells zu erhalten, wurden mittels experimenteller Modalanalyse die Eigenschwingformen der Struktur gemessen. Neben Eigenschwingformen verschiedener Gestellbauteile konnten drei signifikante Eigenschwingformen des Ersatzgestells bei 110Hz, 220Hz und 341Hz ermittelt werden (Bild 2, von links nach rechts).