ImPosAnt

Wichtige Daten im Überblick

Projekttitel:	Entwicklung impulskompensierter Positionier-Antriebssysteme (ImPosAnt)
Laufzeit:	06/2021 – 05/2023
Verbundvorhaben:	ja
Teilprojekttitel:	Entwicklung von Berechnungsalgorithmen für die Ansteuerung der zur Realisierung der Impulskompensation erforderlichen Kompensationsantriebe sowie Auslegung und gestalterische Optimierung der Komponenten des Positioniersystems
Finanzierung:	AiF, BMWi Programm: ZIM
Förderkennzeichen:	KK5023207PK0
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Marcel Merx Dr.-Ing. Jens Müller Dipl.-Ing. Christoph Peukert
Kooperation:	Jenaer Antriebstechnik GmbH
Logline:	Im Rahmen des Projekts werden mit dem Projektpartner JAT intelligente Servoverstärker und ein impulskompensiertes Positioniersystems entwickelt.

Zielstellung

Motivation

Die Impulskompensation ist ein an der Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen entwickeltes und patentiertes Verfahren, bei dem die strukturanregenden Reaktionskraftanteile von elektrischen Vorschubantrieben durch eine gezielte Ansteuerung zusätzlicher Antriebe (Kompensationsantriebe) kompensiert und dadurch eine Erhöhung der Dynamik der Bewegungsvorgaben bei gleichbleibenden bzw. verbesserten Bewegungsgenauigkeiten erreicht wird (vgl. [TUD06] und [Ihl20]). Für die industrielle Anwendbarkeit des Verfahrens ist es erforderlich, die Bahnplanungsalgorithmen für alle beteiligten Antriebe in deren Antriebsregelgeräten zu implementieren.

Lösungsansatz

Ziel und innovativer Kern des Kooperationsprojektes ist es, adaptive Algorithmen zur Ansteuerung der Kompensationsantriebe simulationsgestützt zu entwickeln und in Form von Technologiefunktionen in die Antriebsregelgeräte der JAT GmbH zu integrieren. Die experimentelle Erprobung, der Funktionsnachweis sowie der Beleg der Dynamikerhöhung bei erhöhter Bewegungsgenauigkeit erfolgt an einem neu zu entwickelnden, den Möglichkeiten und Vorteilen der Impulskompensation angepassten Positionier-Antriebssystem. Die wesentlichen Beiträge der Kooperationspartner zum Innovationsprozess sind in Bild 1 illustriert.

Herausforderungen

Umsetzung der Algorithmen auf den Servoverstärkern der Fa. JAT

Für die effiziente und steuerungsunabhängige Ansteuerung der Kompensationsantriebe müssen die entsprechenden Berechnungsalgorithmen im Umrichter implementiert werden. Erst durch Bereitstellen der benötigten Softwarefunktionalitäten in den Antriebsregelgeräten der Fa. JAT kann die Impulskompensation erfolgreich in der industriellen Anwendung umgesetzt werden. Die Rechenleistung und der Speicherplatz im Servoverstärker sind jedoch begrenzt. Insbesondere für sehr geringe Interpolationstakte ist es denkbar, dass die benötigte Berechnungszeit für die Algorithmen zu groß ist. Zudem ist bei der Umsetzung der nichtkausalen Filterung zur Vermeidung von Phasenverschiebungen die Zwischenspeicherung von Bahnabschnitten notwendig. Es ist derzeit noch nicht geklärt, wie groß die Bahnabschnitte und damit der Speicherbedarf im Umrichter sein müssen.

Umsetzung der Querkommunikation zwischen mehreren Servoverstärkern

Um zusätzlich Störkrafteinflüsse berücksichtigen zu können, ist der Datenaustausch zwischen mehreren Umrichtern per Querkommunikation erforderlich. Für die verschiedenen von JAT unterstützten Feldbusse ist nicht bekannt, inwieweit diese eine Querkommunikation unterstützen.

Lösungsweg

Zur Erreichung der Zielstellung sind die Entwicklung und Implementierung erweiterter Funktionalitäten (Technologiefunktionen) bestehender Antriebsregelgeräte (Servoverstärker) sowie die Entwicklung von konstruktiven Lösungen zur Minimierung der Masse der bewegten Baugruppen, der thermostabilen Bauweise sowie der Integration der für die Impulskompensation notwendigen Kompensationsantriebe erforderlich.

Insbesondere sollen die folgenden grundlegenden Teilziele (Implementierungsvarianten der Ansteuerung der Kompensationsantriebe) umgesetzt werden, die den innovativen Kern des Vorhabens darstellen und gleichzeitig als Kaufargumente für den Kunden gelten, da je nach Bedarf und Anwendung der passende Servoverstärkertyp vom Kunden ausgewählt bzw. kombiniert werden kann (vgl. Bild 2):

Sollbahnaufbereitung in der Steuerung, Verwendung von 1-Kanal-Servoverstärkern, ohne Berücksichtigung von Störkräften (Bild 2, Variante a)
Sollbahnaufbereitung im 2-Kanal-Servoverstärker, ohne Berücksichtigung von Störkräften (Bild 2, Variante b)
Sollbahnaufbereitung im 2-Kanal-Servoverstärker, mit Berücksichtigung von Störkräften unter Nutzung interner Querkommunikation (Bild 2, Variante c)
Sollbahnaufbereitung im 1-Kanal-Servoverstärker, Querkommunikation zwischen den Servoverstärkern, ohne und mit Berücksichtigung von Störkräften (Bild 2, Variante d)

Ueberblick_Innovation — Abb. 2: Überblick zu den Innovationsstufen der Funktionalitäten in den Antriebsregelgeräten

Ergebnisse

Es wird der Technologie-Reifegrad TRL 6 angestrebt. Anhand des vollständig erprobten, impulskompensierten Positioniersystems ist eine Dynamiksteigerung um den Faktor 10 bezogen auf Beschleunigung und Ruck sowie die Reduktion der Schwingungsanregung um 80 % gemessen an der Schwingamplitude nachzuweisen.

Quellen

[TUD06]: Schutzrecht DE 102004057062B4 (22.06.2006). Großmann, K. ; Müller, J. ; Jungnickel, G. ; Mühl, A. (Erfinder); TU Dresden, 01069 Dresden (Anmelder)

[Ihl20]: Ihlenfeldt, S. ; Müller, J. ; Merx, M. ; Kraft, M. ; Peukert, C. : Simplified Manufacturing of Machine Tools Utilising Mechatronic Solutions on the Example of the Experimental Machine MAX. In: Yan, X.-T. (Hrsg.) ; Bradley, D. (Hrsg.) ; Russell, D. (Hrsg.) ; Moore, P. (Hrsg.) : Reinventing Mechatronics: Developing Future Directions for Mechatronics. Springer, 2020, S. 145–162 – ISBN 978–3–030–29131–0

Kontakt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Herr Dipl.-Ing. Marcel Merx

Antriebs- und Steuerungstechnik

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