Design, simulation and experimental investigation of a sensor/actuator unit for the compensation of axially directed oscillations in mechanical drives of machine tools
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Bandbreitenbegrenzungen in der Regelung von Vorschubachsen sind aktuell hauptsächlich auf die schwache Dämpfung niedriger Eigenschwingformen zurückzuführen. Durch den Fertigungsprozess angeregte Schwingungen, führen zu einer Minderung der Fertigungsqualität und werden durch entsprechend konservative Optimierung der Reglerparameter bzw. direkte Rückführung der Werkzeuggeschwindigkeit weitestgehend vermieden. Ein solches Vorgehen reduziert jedoch die angestrebte hohe Dynamik der Anlage und verursacht besonders aufgrund zusätzlich notwendiger Messsysteme höhere Beschaffungs- und Instandhaltungskosten. Eine besondere Schwierigkeit beim Bekämpfen dieser Effekte ist die Variabilität der Eigenfrequenzen, abhängig von Werkzeug, Last und freier Spindellänge. Zur Vermeidung solcher Schwingungen ist beispielsweise der Einsatz adaptronischer Komponenten möglich, um Dämpfung und Steifigkeit des Systems aktiv zu beeinflussen. Während der vergangenen beiden Antragsperioden wurden hierzu verschiedene piezobasierte Aktor-Sensor-Einheiten (ASE) entwickelt und insbesondere bezüglich der Kompensation von Axialschwingungen experimentell untersucht. Gegenstand der hier vorgestellten, dritten Projektphase sind der Einsatz und die Erprobung einer ASE zur axialen Schwingungsreduzierung sowie Gegenüberstellung und Test diverser regelungstechnischer Konzepte zur Anbindung an die bestehende Motorregelung. Dazu steht am Fraunhofer IWU ein modularer Vorschubachsenprüfstand zur Verfügung, welcher auf zuvor erstellte anwendungsbezogene Konfigurationen angepasst werden kann. Wesentliche Aspekte dieser Konfigurationen sind die Einflussfaktoren Spindellänge und Spindeldurchmesser, das Verhältnis der bewegten Masse zur Massenträgheit des Motors, die Verwendung von direktem oder indirektem Wegmesssystem (WMS), die Verhältnisse zwischen Massen und Steifigkeiten sowie die Art der Anregung. Anhand dreier Fertigungsszenarien und vier zugeordneten Konfigurationen des Prüfstandes wurde dessen Verhalten mit und ohne adaptronische Komponente untersucht. Betrachtet wurden sowohl unterschiedliche Anordnungen der mechanischen Übertragungselemente als auch verschiedene Sensorkonzepte der Vorschubachse und der aktiven Komponente. Als wesentliche Kriterien zur Bewertung der erzielten Effekte dienten hierbei Ampiitudengänge des Führungs- und Störverhalten die Reaktion der Anlage auf eine sprungförmige Sollwertänderung und die entstehenden Systemkosten für notwendige Mess- und Regelungssysteme. Neben den experimentellen Untersuchungen, waren verallgemeinerte Auslegungsregeln für Vorschubachsen mit einer aktiven Komponente zu erstellen, die typische Konfigurationen berücksichtigen. Hierzu wurde das im zweiten Projektzeitraum entworfene Simulationsmodell mit den Parametern des Versuchstandes abgeglichen und seine Übereinstimmung mit der Realität gezeigt. Das Modell wurde anschließend genutzt, um eine grobe Auslegung der ASE- Regelung vorzunehmen, welche am Versuchstand lediglich leicht zu variieren war. Ziel der durchgeführten Arbeiten war die vollständige steuerungstechnische Integration und Validierung der adaptronischen Komponente zur Schwingungskompensation im mechatronischen System Vorschubachse. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Analyse der Wechselwirkung und die Synthese von Kriterien für die optimale Abstimmung der Steuerung und Regelung des Hauptantriebes und der Regelung der aktiven Komponente. Die aktive Komponente wurde dabei als integriertes Element des Antriebsstranges betrachtet, wobei die konventionellen Reglerstrukturen für den Vorschubantrieb erhalten blieben. Im Ergebnis operiert die ASE als aktiv gedämpftes Element der Vorschubachse. Die zugehörige Regelstrecke ist der Regelung des Vorschubantriebes unterlagert. Die durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnisse zeigen mögliche Anwendungen und weiteres Entwicklungspotential auf. Prinzipiell wurde die Möglichkeit des Einsatzes der Aktor-Sensor-Komponeten zur Verbesserung des Fertigungsprozesses in Werkzeugmaschinen gezeigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch ihre Verwendung bei schnellen Verfahrbewegungen eine signifikante Verbesserung der Positioniergenauigkeit und Dynamik bei gleichen oder sogar geringeren Systemkosten, im Vergleich zu konventionellen Vorschubachssystemen mit direkter Positionsmessung, erzielt werden kann. Weiterhin erweist sich die Nutzung der ASE für Systeme sinnvoll, bei denen das Ersetzen der Spindel durch eine steifere Variante aufgrund besonderer konstruktiver Gegebenheiten nicht oder nur unter hohen Kosten möglich ist. Weiterer Entwicklungsbedarf besteht in erster Linie in einer Vergrößerung des Aktorhubes. Wie in den Versuchen gezeigt werden konnte, ist die Verbesserung des Regelungsverhaltens im Kleinsignalbereich deutlich stärker, als bei Anregung mit größeren Amplituden. Bei Sprunganregung beispielsweise sind jeweils nur eine Verringerung und ein schnelleres Abklingen der Schwingung festzustellen. Die nicht vollständige Auslöschung der Amplitude ist dabei auf die maximale Auslenkung der verwendeten ASE von 20μm zurückzuführen. Eine konstruktive Anpassung bietet hier weiteres Verbesserungspotential. Bei der verwendeten, unabhängigen Reglerstruktur bleiben die Wechselwirkungen der beiden Antriebe ASE und Elektromotor untereinander unberücksichtigt. Bei den durchgeführten Versuchen traten keine störenden Einflüsse auf. Es ist jedoch denkbar, dass die Motorregelung bei einer stärkeren adaptronischen Komponente gestört wird. Gegebenenfalls sind hierzu weitere Untersuchungen erforderlich. Ein mögliches Sensorkonzept - die Verwendung der Differenz zwischen direktem und indirektem Messsystem als Regelgröße - konnte im vergangenen Antragszeitraum nicht näher untersucht werden, da hierbei hardwareseitige Einschränkungen bestehen. Durch Erweiterung des Versuchsstandes, um einen derzeit noch nicht verfügbaren „offenen" Antriebsregler könnte hiermit direkt die Nachgiebigkeit der Spindeln kompensiert werden. Die hierdurch gewonnene Dynamik, muss allerdings den zusätzlichen Kosten des Lineargebers gegenübergestellt werden. Während der Messungen traten Probleme bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Schirmung von Sensoren und Aktoren auf. Durch genauere Untersuchungen hinsichtlich möglicher Verbesserungen, ist eine weitere Erhöhung der Dynamik und Wirksamkeit der ven/vendeten Regelung denkbar. Durch weitere Minimterung von Störinduktivitäten in den Versorgungsleitungen der piezoelektrischen Antriebe wird es möglich, die verwendeten Verstärker freier zu positionieren. Aktuell ist nur eine Kabellänge von gut einem Meter vertretbar. Weiterhin ist das Verhalten von komplexen Maschinen bisher nur insofern fundiert nachvollziehbar, dass nur eine einzelne Achse mit einer adaptronischen Einheit ausgerüstet wird. Die gegenseitige Beeinflussung von mehreren Komponenten, aber auch die gleichzeitige Kompensation von beispielsweise Längs- und Torsionsschwingungen an einer Achse bedarf weiterer Untersuchungen.
Publications
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Axialschwingungskompensation durch Adaptronik. 1. Arbeitsbericht zum Teilprojekt innerhalb des DFG-SPP 1156.2005
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; lllgen, A.; Naumann, G, Kranz, B.
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Axialschwingungskompensation durch Adaptronik. Zwischenbericht zum Teilprojekt innerhalb des DFG-SPP 1156. Braunschweig 2005
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; lllgen, A.; Naumann, G, Kranz, B.
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Strukturintegrierte Aktorik im Maschinenbau. In: Adaptronic Congress, Göttingen, 31.5.-1.6. 2005
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Entwicklung piezobasierter Komponenten für den Maschinenbau. Konstruktion 58(2006)3,5.61-66
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Piezo-based Actuator-Sensor-Units for Uniaxial Vibration Reduction in Machine Tools. In: Produktion Engineering. 11/2006. WGP
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; lllgen, A.; Naumann, G.
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Axialschwingungskompensation durch Adaptronik. 2. Arbeitsbericht zum Teilprojekt innerhalb des DFG-SPP 1156. 2007
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; Bucht, A.; lllgen, A.
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Axialschwingungskompensation durch Adaptronik. Zwischenbericht zum Teilprojekt innerhalb des DFG-SPP 1156. Braunschweig 2007
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; lllgen, A.; Naumann, G.
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Mechatronic Systems for Machine Tools. In: CIRP Anals Manufacturing Technologie; Elsevier 2007
Neugebauer R., Denkena B.; Wegener K.
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Piezobasierte Aktor-Sensor-Einheit zur uniaxialen Schwingungskompensation. In: ZWF 7/8 2007
Neugebauer R.; Bucht, A., lllgen A.; Wittstock, V.
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Piezobasierte Aktor-Sensor-Einheiten zur uniaxialen Schwingungskompensation in Antriebssträngen von Werkzeugmaschinen. Dissertation TU-Chemnitz; Verlag Wissenschaftliche Scripten, Zwickau, 2007
Wittstock, V.
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Schwingungsreduktion mit Aktor-Sensor-Einheiten. In: wt online 11/12 2007
Neugebauer R.; Bucht, A., lllgen A.; Wittstock, V.
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Axialschwingungskompensation durch Adaptronik. Zwischenbericht zum Teilprojekt innerhalb des DFG-SPP 1156. Braunschweig 2008
Neugebauer, R.; Wittstock, V.; lllgen, A.; Bucht, A.
