Increased bandwidth of feed drives of machine tools with improper inertia ratio
Final Report Abstract
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde ein neues Regelverfahren für die Verbesserung des dynamischen Verhaltens elektromechanischer Vorschubantriebe untersucht. Die Funktions- und Wirkungsweise wurde theoretisch hergeleitet, simulativ untersucht und an einem Versuchsstand messtechnisch validiert. Charakteristische Eigenschaft der Verfahren ist, dass die erste mechanische Eigenfrequenz durch einen schwach eingestellten Drehzahlregler bedämpft wird. Um das aus der schwachen Einstellung resultierende PT1-Verhalten zu kompensieren, wird ein zusätzlicher Geschwindigkeitsregler eingefügt. Der I-Anteil des Reglers wird äquivalent zum Wert des Drehzahlreglers eingestellt. Die Lageregelbandbreite konnte damit ohne zusätzlichen Sensor bzw. Aktor in den Versuchen um Faktor zwei erhöht werden. Das vorgestellte Regelverfahren weist gemäß messtechnischen Untersuchungen eine ausreichende Robustheit bei einer ±40%-Variation der Tischmasse auf und wurde sowohl an einem Antrieb mit Kugelgewindetrieb sowie mit Zahnstange-Ritzel-Getriebe experimentell validiert. Das neue Regelverfahren bietet einen weiteren Freiheitsgrad bei der Auslegung von Antriebssystemen. Die antriebsseitige äquivalente Masse m1, die hauptsächlich vom Trägheitsmoment des Motors und dem Übersetzungsverhältnis beeinflusst wird, sollte für eine optimale Nutzung des Verfahrens im Vergleich zur Tischmasse m2 möglich klein sein. Da ein entsprechend großes Massenträgheitsverhältnis jedoch auch das Beschleunigungsvermögen reduziert, sind für die Anwendung hochdynamische Motoren mit geringem Trägheitsmoment und hoher Leistungsdichte vorteilhaft. Übersetzungselemente mit geringer Getriebeübersetzung (µ=ω1/v2) wirken sich ebenfalls hin zu großen Massenträgheitsverhältnissen aus. Da für die Getriebeübersetzung ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang mit der Eilganggeschwindigkeit besteht, hat der Einsatz von Getrieben mit geringer Übersetzung neben der Verbesserung der Vorschubdynamik einen positiven Einfluss auf die Reduktion der Nebenzeit.
Publications
- (2018) A novel cascade control principle for feed drives of machine tools. CIRP Annals 67 (1) 389–392
Sun, Zheng; Pritschow, Günter; Zahn, Peter; Lechler, Armin
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.03.004) - Enhancement of feed drive dynamics using additional table speed feedback. In: Annals of the CIRP 65(1) (2016), S. 357-360
Sun, Z.; Pritschow, G.; Lechler, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.04.099) - A new control principle to increase the bandwidth of feed drives with large inertia ratio. In: Int J Adv Manuf Technol (2017)
Sun, Z.; Zahn, P.; Verl, A.; Lechler, A.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00170-016-9895-3) - Erhöhung der Bandbreite von Vorschubantrieben mit Kugelrollspindeln unter Verwendung der Lagegeschwindigkeit (Universität Stuttgart), 2018. xiii, 110 S.
Sun, Z.
(See online at https://doi.org/10.18419/opus-9688)
