Impulskompensation Kreuzschlitten

Laufzeit:	07/2011 – 06/2013
Finanzierung:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Jens Müller Dipl.-Ing. Hubert Höfer

Zielstellung

Die für die Bewegung von Maschinenbaugruppen erforderlichen Antriebskräfte können sowohl die bewegten Baugruppen als auch das Gestell zu unerwünschten Schwingungen anregen. Einen möglichen Lösungsansatz zur Vermeidung dieser gestellseitigen Anregung stellt die Impulskompensation dar, bei der mittels zusätzlicher, kollinear angeordneter Antriebe eine Kompensationskraft in die Struktur eingeleitet wird. Die Wirksamkeit des Verfahrens wurde in vorhergehenden Forschungsprojekten für einachsige Achsanordnungen nachgewiesen.

Bei verkoppelten Achsanordnungen, wie sie an mehrachsigen Werkzeugmaschinen auftreten, ergeben sich infolge der mechanischen Koppelung der Achsen, der veränderlichen Strukturmechanik der verkoppelten Achsen selbst sowie der zusätzlichen Kompensationsantriebe einschließlich der durch die Kompensationsbewegung verursachten Massen- und Trägheitsverlagerungen neue Anforderungen für den Einsatz der Impulskompensation. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen sowohl gestalterisch-konstruktive als auch antriebs- und regelungstechnische Grundlagenuntersuchungen zum Einsatz der Impulskompensation an verkoppelten Achsstrukturen am Beispiel eines Kreuzschlittens durchgeführt werden.

Lösungsweg

Im Rahmen des Forschungsprojektes werden folgende Teilaufgaben bearbeitet:

Entwicklung von Gestaltungsprinzipien zur Masseminimierung, Steifigkeitserhöhung, Verstellbarkeit der Schwerpunktlagen, Integration der Nutz- und Kompensationsantriebe
Simulation des Gesamtsystems
Konstruktion des Kreuzschlittens
Fertigung, Montage, Inbetriebnahme des Kreuzschlittens
Programmierung der Steuerung
Simulationsgestützte Untersuchungen zur Bahn-Vorausberechnung der Kompensationsantriebe

Ergebnisse

Es wurde der im Bild gezeigte Kreuzschlitten konstruiert, gefertigt, montiert und in Betrieb genommen. Er besteht aus gezogenen Aluminium-Platten, die ineinander gesteckt und mit Zugankern verspannt wurden. Ein wesentlicher Anspruch an die Konstruktion war die kraftflussgerechte Gestaltung. Im Bereich der Führungen wurde das erreicht, indem die Führungswagen von x- und y-Schlitten direkt, um 90 Grad verdreht, miteinander verbunden werden. Die x-Führungsschiene wird vom x-Schlitten mitbewegt. Dadurch erfolgt die Kraftleitung vom x-Schlitten über die beiden Führungsschuhe direkt in die mit dem Gestell verbundene Führungsschiene des y-Schlittens. Um eine möglichst geringe Strukturanregung zu erreichen, wurde für die getragene x-Achse zwei Kompensationsantriebe symmetrisch zum Nutzantrieb angeordnet, um eine, bezogen auf die tragende y-Achse, symmetrische Masseverteilung zu erreichen. Da es bei gekreuzten Achsen mit Einzelantrieben nicht möglich ist, dass die Antriebe weitgehend im Massenschwerpunkt der bewegten Massen angreifen, wurden für die tragende Achse zwei Antriebe in Gantry-Anordnung mit jeweils einem parallel angeordneten Kompensationsantrieb vorgesehen, wodurch sich wiederum eine weitgehend symmetrische und damit momentenarme Krafteinleitung ergibt.

Abb. 1: Montierter Kreuzschlitten in Leichtbauweise

Für die Ansteuerung des Versuchsträgers wurde eine TwinCat-Steuerung der Firma Beckhoff Automation GmbH parametriert und die erforderlichen SPS-Funktionen implementiert. Für die Bedienung und Untersuchung des Kreuzschlittens wurde eine Bedienoberfläche in C++ programmiert.

Weiterhin wurde eine Variante der Impulskompensation entwickelt, bei der die Sollbahn der Kompensationsantriebe direkt aus den Bewegungsvorgaben der Nutzantriebe berechnet wird, um die Impulskompensation weitgehend unabhängig von verwendetem Feldbus und Antriebsregelgeräten umsetzen zu können. Zudem wurde ein umfangreiches Simulationsmodell des impulskompensierten Kreuzschlittens erstellt, mit dem Untersuchungen zur Impulskompensation mittels Sollbahn-Vorausberechnung für die Kompensationsantriebe durchgeführt wurden. Anhand der Simulationsergebnisse wurde dargelegt, dass eine deutlich verringerte Strukturanregung bei hohem Sollruck erzielt werden kann. Dadurch können die mit Lineardirektantrieben möglichen Kraftanstiegsgeschwindigkeiten und damit die Erhöhung des maximal zulässigen Rucks bei der Bahnvorgabe erreicht werden. Durch geeignete Ansteuerung der Y-Kompensationsantriebe können die aus der Verlagerung des Massenschwerpunktes des Achsverbundes aufgrund der Positionierung der getragenen Achse (X-Schlitten) sowie der X-Kompensationsschlitten resultierenden Momente auf die tragende Achse (Verdrehung des Y-Schlittens) signifikant reduziert werden.