Modale Regelung II

Wichtige Daten im Überblick

Zielstellung

Motivation

Hochdynamische Bewegungsvorgänge und Prozesskräfte regen sowohl die bewegte Baugruppe (z. B. Schlitten) als auch die unterlagerte Maschinenstruktur (z. B. Gestell) zu Schwingungen an. Insbesondere für Leichtbaustrukturen ergeben sich hohe Schwingungsamplituden. Schwingungen in Werkzeugmaschinen führen zur Verschlechterung der Bearbeitungsqualität und sind daher auf ein Minimum zu reduzieren. Um eine Steigerung der Dynamik bei Erhalt oder Verbesserung der Bewegungsqualität zu ermöglichen, sind Maßnahmen zur Schwingungsreduktion bzw. -vermeidung erforderlich. Generell ist die Reduktion der dynamischen Nachgiebigkeit am Tool Centre Point anzustreben, um die Prozessstabilität und die Rattergrenze zu erhöhen. Dies kann durch die Erhöhung der Systemdämpfung erreicht werden, wozu beispielsweise aktive Dämpfungssysteme, sogenannte Active Damping Devices, zum Einsatz kommen. I. d. R. werden die zur Bewegungserzeugung benötigten Antriebe sowie die Zusatzaktoren unabhängig voneinander und ohne Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung geregelt. Die Auswahl sowie die Parametrierung mechanisch verkoppelter Antriebe bzw. Zusatzaktoren gestaltet sich dadurch schwierig. Zudem ist die Regelkreisperformance solcher überaktuierten Systeme begrenzt.

Im Rahmen einer vorausgegangenen ersten Projektphase wurden drei Versuchsobjekte mit unterschiedlichen Untersuchungsschwerpunkten realisiert sowie simulativ und experimentell untersucht (siehe Bild 1). Zur simulationsgestützten Untersuchung hinsichtlich geeigneter Regelungskonzepte [Peu19a], der Ermittlung der modalen Größen [Pöh17], der optimalen Sensor-/Aktor-Platzierungen [Pöh18] und zur Vorauslegung der Komponenten der Versuchsaufbauten wurden für alle Konfigurationen numerische Modelle entwickelt. Zuerst wurde die MR zur Schwingungsdämpfung einer elastischen Struktur (fixierte Gantry-Brücke) mittels zweier ADDs simulativ und experimentell untersucht (Konfig. 1). Am Beispiel einer linearmotorgetriebenen Gantry-Achse, die messtechnisch ohne (Konfig. 2) und mit (Konfig. 3) Zusatzaktorik untersucht wurde, konnten die Zusammenhänge, Vorteile, aber auch Schwierigkeiten bei der Anwendung der modalen Regelung für Werkzeugmaschinen herausgearbeitet werden (siehe [Peu19b] und [Peu19c]). Der modale Regelungsansatz ist vorteilhaft, da in jedem modalen Regelkreis alle Sensorsignale berücksichtigt werden. Zudem werden die zur Schwingungsdämpfung erforderlichen modalen Kräfte gezielt von allen vorhandenen Aktoren erzeugt. Die modale Regelung ermöglicht es, die Eigenformen individuell zu regeln. Die modale Regelung der kaskadierten Lage- und Geschwindigkeitsregelkreise ist besonders bei einer starren Kopplung der Antriebe (vgl. Konfig. 2) und der damit verbundenen starken dynamischen Wechselwirkung der Antriebe von Vorteil, da diese das System entkoppelt und die Einstellung höherer Verstärkungsfaktoren ermöglicht, wodurch eine hohe dynamische Bahngenauigkeit und damit eine hohe Genauigkeit am Werkstück erzielt werden kann. Allerdings ist die Erhöhung der Regelbandbreite aufgrund auftretender Spillover-Effekte begrenzt. Zudem konnte für zwei Stellungen des Querschlittens bzw. der Zusatzmasse (manuelle Verstellung) gezeigt werden, dass sich mit Hilfe der modalen Entkopplung die Parametrierung der Regler aller beteiligten Antriebe und Aktoren vereinfacht sowie die Rückwirkung der aktiven Zusatzsysteme auf die Lageregelung der Vorschubantriebe verringert (vgl. Konfig. 3).

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Lösungsansatz

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mittels modaler Regelung (MR) eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften von Bewegungssystemen, wie z. B. Werkzeugmaschinen, die über mehr Antriebe oder Aktoren als Bewegungsfreiheitsgrade verfügen, zu erreichen. Die modale Regelung ermöglicht es, Eigenformen individuell zu regeln und die angeregten Schwingungen mit allen verfügbaren Aktoren gezielt zu bedämpfen. Durch die modale Entkopplung soll die Parametrierung der Regler aller beteiligten Antriebe und Aktoren vereinfacht sowie die Rückwirkung der aktiven Zusatzsysteme auf die Lageregelung der Vorschubantriebe verringert werden. Es wird eine erhöhte Regelbandbreite der Vorschubachsen und eine Reduktion der dynamischen Nachgiebigkeit am TCP angestrebt, um eine hohe dynamische Bahngenauigkeit und damit eine hohe Genauigkeit am Werkstück sowie eine erhöhte Prozessstabilität zu erzielen.

Forschungsfrage

Kann mit der modalen Regelung von elektromechanischen Vorschubachsen eine signifikante Verbesserung der dynamischen Bahngenauigkeit erzielt werden?

Ist mit Hilfe der modalen Regelung eine Erhöhung der Stabilitätsgrenzen beim Fräsen möglich?

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Lösungsweg

Zur Erreichung der Zielstellung sind, aufbauend auf den Ergebnissen der 1. Projektphase (Modale Regelung I), folgende weiterführende Untersuchungen geplant: Um den Beobachtungs-Spillover zu reduzieren, sind Untersuchungen zur Verbesserung der modalen Separation vorgesehen. Dazu wird der vorhandene Versuchsstand (siehe Bild 2, links) um eine Achse erweitert, um die MR für Strukturen mit positionsveränderlichen Systemeigenschaften zu untersuchen und Methoden zur Adaption der Modaltransformationen bzw. der modalen Reglerparameter zu entwickeln. Anhand eines weiteren, bereits vorhandenen Versuchsstandes (DFG-Projekt IH124/6), siehe Bild 2 Mitte, soll die MR elektromechanischer Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieben (KGT) untersucht werden, um die Beschränkung der Anwendung auf linearmotorgetriebene Achsen aufzuheben. Des Weiteren sind Fräsversuche auf der Experimentalmaschine MAX (siehe Bild 2, rechts, vgl. DFG-Projekt GR1458/48) durchzuführen, um den Nachweis für die bei der MR erwartete Erhöhung der Stabilitätsgrenzen zu erbringen.

Quellen

[Peu19a] Peukert, C. ; Pöhlmann, P. ; Ihlenfeldt, S. ; Müller, J. ; Merx, M. : Modale Regelung von Werkzeugmaschinen – Anwendung der modalen Regelung für eine Gantry-Anordnung. In: wt Werkstattstechnik online 109 (2019), Nr. 5, S. 358–364. – ISSN 1436–4980

[Peu19b] Peukert, C. ; Pöhlmann, P. ; Merx, M. ; Müller, J. ; Ihlenfeldt, S. : Investigation of local and modal based active vibration control strategies on the example of an elastic system. In: Journal of Machine Engineering 19 (2019), Nr. 2, S. 32–45. – ISSN 2391–8071

[Peu19c] Peukert, C. ; Pöhlmann, P. ; Merx, M. ; Müller, J. ; Ihlenfeldt, S. : Modal-space Control of a Linear Motor-driven Gantry System. In: MM Science Journal (2019), S. 3285–3292

[Pöh17] Pöhlmann, P. : Recherche und Implementierung effizienter Berechnungsverfahren modaler Größen für die modale Regelung von Werkzeugmaschinen. Studienarbeit, TU Dresden, 2017

[Pöh18] Pöhlmann, P. : Simulationsgestützte Untersuchung zur modalen Regelung einer Gantry-Achse und Auslegung zusätzlicher Aktorik und Sensorik. Diplomarbeit, TU Dresden, 2018

Kontakt

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Herr Dipl.-Ing. Christoph Peukert

Antriebs- und Steuerungstechnik

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