Sliding-Mode-Maschinentischregelung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb (SliMoReK2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438835664

Stetig steigende Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit und Produktivität moderner Werkzeugmaschinen setzen hochdynamische Vorschubantriebssysteme mit exzellenten Führungs- und Störeigenschaften voraus. Das dynamische Verhalten von Kugelgewindetrieben, die für hochdynamische Vorschubachsen vorwiegend zum Einsatz kommen, lässt sich dabei durch regelungstechnische Verbesserungen wesentlich steigern. In der ersten Förderperiode dieses Projekts wurde die Eignung eines Sliding-Mode-Lagereglers unter Beibehaltung der übrigen Kaskadenregelung gezeigt: im Vergleich zur P-PI-Kaskadenregelung konnte im Führungsverhalten eine Reduktion des absoluten Schleppfehlers um 82 % und Steigerung der Bandbreite um 6.7 Hz auf 16.4 Hz bei gleichzeitiger Verbesserung des Störverhaltens experimentell nachgewiesen werden. Die hohe Robustheit des Ansatzes wurde mit Variationen der Modellparameter um ±20 % und Variation der Beobachter verifiziert. Der Inbetriebnahmeaufwand bleibt dabei vergleichbar zu dem eines P-Lagereglers. Somit zeigt der untersuchte SMC-PI-Regler ein großes Potenzial zum industriellen Einsatz, insbesondere für Prozesse mit hohen dynamischen Genauigkeitsanforderungen. Das lineare Regelgesetz wurde zudem als nichtlinearer Sliding-Mode-Regler erweitert und die Performance der beiden Regler einander gegenübergestellt. Im hier beantragten Folgevorhaben (2. Förderperiode) sollen nun zwei wesentliche Hürden zur praktischen Einsatzfähigkeit genommen werden: Einerseits soll zum Nachweis der Übertragbarkeit des Stellgesetzes auf verschiedene Achsen, sowie für die industrielle Umsetzbarkeit der Regler auf eine mehrachsige Fräsmaschine mit industrieller Steuerung übertragen und praktisch (u.a. In Fräsexperimenten) validiert werden. Andererseits soll die automatisierte, gleichzeitige Reglerparametrierung (und Modellidentifikation des modellbasierten Reglergesetzes) von Lage- und Geschwindigkeitsregler anhand von zwei verschiedenen Methoden untersucht werden, um eine optimale, robust stabile Einstellung der Parameter der Kaskaden zueinander zu erhalten. Eine vergleichbare Methodik besteht im Stand der Technik bisher nicht, da das Modell des Lagereglers von der Einstellung des Drehzahlreglers abhängt und die Einstellung der beiden Kaskaden somit gekoppelt ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Armin Lechler