Tube-Basierte Modellprädiktive Lageregelung von Werkzeugmaschinen (tMPC-WZM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562673097

Die Lageregelung von Vorschubachsen ist neben der mechanischen Auslegung ein wesentlicher Faktor zur Beeinflussung der dynamischen Genauigkeit und damit der Qualität gefertigter Werkstücke. Verbesserungen der Regelung sind daher ein ständig aktuelles Forschungsfeld. Ein hohes Potenzial zur Verbesserung der dynamischen Genauigkeit zeigt die modellprädiktive Regelung (MPC), welche zu jedem Zeitschritt ein Optimierungsproblem über das zukünftige, prädizierte Dynamikverhalten der Maschine löst. Da das Optimierungsproblem innerhalb der kurzen Zykluszeiten der CNC (kleiner 1 ms) berechnet werden muss, muss hierfür ein stark vereinfachtes Dynamikmodell der Maschine verwendet werden. Mittels MPC lässt sich die robuste Stabilität gegenüber Modellvereinfachungen oder auch Fräskräften nicht formal nachweisen, was für den industriellen Einsatz des Verfahrens jedoch unabdingbar ist, weil nicht sichergestellt werden kann, dass der Lageregler während der Bearbeitung stabil bleibt. In diesem Antrag soll daher der Tube-Basierte MPC untersucht werden. Dieser stabilisiert über ein zusätzliches Rückführgesetz die Abweichung zwischen vereinfachtem Modell und tatsächlichem Systemverhalten und kann speziell für robustes Verhalten ausgelegt werden. Der zusätzliche Aufwand für die robuste Auslegung entsteht dabei offline, sodass die Online-Berechnung weiterhin im Echtzeittakt der Steuerung erfolgen kann. In den eigenen Vorarbeiten wird ein Verfahren zur robusten Parametrierung des Reglers präsentiert, welches die Komplexität auf drei Einstellparameter reduziert, für welche Einstellrichtlinien entwickelt wurden. Weiterhin wird die Funktionsfähigkeit und Robustheit des Reglers simulativ nachgewiesen. Im beantragten Arbeitsprogramm findet, auf den simulativen Erkenntnissen aufbauend, die praktische Validierung des Reglers an drei Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine statt. Dabei wird die Integration der Optimierer ins Echtzeitsystem untersucht, die Bestimmung der Modellunsicherheiten aus Messungen automatisiert sowie das Führungs- und Störverhalten weiteren Reglern gegenübergestellt (darunter dem Standard-MPC sowie der regulären Kaskadenregelung). Teil der Untersuchungen sind auch Fräsexperimente sowie weitere Robustheitstests. Am Ende des beantragten Vorhabens erfolgt die Synthese des Reglers, bis auf Vorgabe der drei Einstellparameter, automatisiert und sowohl Performanz als auch Robustheit des Reglers sind experimentell ausführlich nachgewiesen und untersucht.

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