Forschungsprojekte

Kompensation von Axialschwingungen im Antriebsstrang von Vorschubachsen

Zielbranchen

Fahrzeug- und Verkehrstechnologien, auch: Antriebstechnik

Problemstellung

Die Parameter einer optimierten Vorschubachse sind meist ein Kompromiss zwischen dem Leichtbau zur Realisierung hoher Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen und sehr steifen mechanischen Übertragungselementen, die zur Sicherung einer hohen Fertigungsqualität notwendig sind. Einen erheblichen Anteil an diesem Zielkonflikt hat die freie Länge der Kugelgewindespindel, die eine Nachgiebigkeit darstellt. Erschwerend kommt hinzu, dass die freie Spindellänge durch die Vorschubbewegung und die bewegte Masse auf dem Werkzeugschlitten variieren und damit ein Frequenzbereich existiert, in dem sich diese erste Eigenfrequenz einstellt.

Die Rückführung der Vorschubgeschwindigkeit kann den Nachteil der geringen Dämpfung für Standardanwendungen gut ausgleichen. Allerdings sind bei genauer Betrachtung der mechanischen Struktur noch weitere ungedämpfte Resonanzstellen vorhanden. Die Rückwirkung dieser Resonanzen der Regelstrecke auf den Geschwindigkeitsregelkreis wird durch Bandsperren verhindert, die jedoch durch ihre Eigendynamik den Geschwindigkeitsregelkreis langsamer machen. Dadurch müssen die Regler konservativ eingestellt werden. Der Steigerung der Dynamik der Vorschubachse sind damit Grenzen gesetzt.

Lösung

Die störenden Schwingungen können mit einer strukturintegrierten Aktor-Sensor-Einheit (ASE) als hochdynamischem Zusatzantrieb kompensiert werden. Unter Nutzung von Sensorsignalen, die den aktuellen Verformungszustand der Komponente registrieren, steuert die dezentrale Regelung piezoelektrische Stapelaktoren an. Die korrespondierende Verlängerung bzw. Verkürzung der Aktoren bewirkt eine Feinpositionierung des Werkzeugschlittens und kann der Einfederung der Spindel in axialer Richtung entgegenwirken. Die Differentialanordnung der Piezostapelaktoren sichert außerdem die Übertragung alternierender Belastungen. Die dezentral angesteuerten Piezoaktoren ermöglichen es, wesentlich dynamischer auf Störgrößen zu reagieren, als mit dem Positionierantrieb der zentralen Maschinenregelung.

Zur messtechnischen Untersuchung der in einer Vorschubachse verbauten ASE bietet es sich an, den lagegeregelten Antrieb direkt und indirekt zur Kraftanregung zu nutzen. Mittels antriebsinterner Sollwertgeneratoren können neben Zeitsignalen auch bandbegrenzte, binäre Rauschsignale dem Antrieb als Sollwerte vorgegeben werden. Hierdurch können sowohl Untersuchungen zum Führungsverhalten als auch zum Störverhalten durchgeführt werden. Als Mittel zur Beschreibung des Systemverhaltens wird neben sprungförmigen Zeitsignalen auch der Frequenzgang verwendet. Dieser lässt sich mithilfe der Inbetriebnahmesoftware problemlos aus aufgezeichneten Zeitverläufen von Eingangs- und Ausgangsgröße berechnen.

Die Sprungantwortfunktion gibt Aufschluss darüber, dass durch den Einsatz der ASE-Systeme das starke Überschwingen, d.h. ein zu hoher Kv-Faktor, nicht mehr auftritt. Im Frequenzgang ist ersichtlich, dass dies durch eine Bedämpfung der ersten Eigenfrequenz erreicht wird. Durch den Einsatz der ASE kann eine deutliche Steigerung der Dynamik gegenüber konventionellen Vorschubachsen erreicht werden. Hierzu wird als Bewertungskriterium für die Dynamik der Kv-Faktor gewählt. Es zeigt sich deutlich, dass der Einsatz der ASE vor allem für Handlingsachsen, insbesondere mit indirektem Positionsmesssystem, und für Grobbearbeitungssachsen die größten Optimierungspotenziale bietet.

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