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antriebstechnik 10/2018

antriebstechnik 10/2018

Antriebsbasierte

Antriebsbasierte Schwingungsdämpfung an Industrierobotern für die spanende Bearbeitung Der mechanische Aufbau von Industrierobotern und die dadurch bedingte geringe Steifigkeit führen bei der spanenden Bearbeitung zur Schwingungsanregung, die signifikanten Einfluss auf die erzielbare Bearbeitungsqualität hat. In diesem Forschungsprojekt wird ein Verfahren zur antriebsbasierten Dämpfung dieser Schwingungen erforscht. Da die mechanischen Eigenfrequenzen im Vergleich zur Bandbreite der Antriebe niedrig sind, kann der Einsatz zusätzlicher Aktorik vermieden werden. Es soll sowohl ein verbessertes dynamisches Verhalten als auch eine erhöhte Bearbeitungsqualität erzielt werden. Patrick Mesmer, M.Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter; Dr.-Ing. Armin Lechler ist stellvertretender Institutsleiter; Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl ist Institutsleiter, alle am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeug maschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart I m Vergleich zu konventionellen Werkzeugmaschinen sind Industrieroboter heutzutage auf Anwendungen mit vergleichsweise geringen TCP-Kräften und begrenzter Positioniergenauigkeit beschränkt. Aufgrund der seriellen Kinematik und dem damit einhergehenden großen Arbeitsraum, sowie den gegenüber Werkzeugmaschinen geringeren Investitionskosten besteht der Wunsch, Industrieroboter vermehrt für die spanende Bearbeitung einzusetzen. Jedoch führt die serielle Kinematik in Kombination mit der Nachgiebigkeit der Getriebe zu einer hohen Schwingungsanfälligkeit. Folglich muss zwischen Wirtschaftlichkeit und Bearbeitungsqualität abgewogen werden. Durchgeführte Vorarbeiten haben gezeigt, dass bereits geringe Schnitttiefen bei der Fräsbearbeitung zur Selbsterregung der Struktur ausreichen. Die benötigten hohen Übersetzungsverhältnisse der Getriebe führen zu geringen Rückwirkungen auf die Antriebsseite. Zur Erhöhung der Auflösung der Winkellage für die Regelung der Achsen sind die Winkelmesssysteme üblicherweise motorseitig angebracht. In Kombination mit der Nachgiebigkeit der Getriebe führt dies jedoch zu einer Positionsabweichung unter Last. Zur Steigerung der Genauigkeit werden Industrieroboter zunehmend mit zusätzlichen abtriebsseitigen Winkelgebern ausgestattet. Diese verfügbare Zusatzsensorik wird zur Detektion der Schwingungen genutzt. Die Modellierung Da die mechanischen Eigenfrequenzen gegenüber der Bandbreite der Antriebe gering sind, kann auf den Einsatz zusätzlicher Aktorik verzichtet und die Antriebe zur Bedämpfung der Schwingungen verwendet werden. Durch das Verfahren soll ein größeres Zeitspanvolumen bei gleicher Bearbeitungsqualität erzielt werden. Die vereinfachte Systembeschreibung zur Modellierung der Nachgiebigkeit der Gelenke als Mehrmassenschwinger mit Getriebeübersetzung ist in Bild 01 dargestellt. Da die Eigenfrequenz der Mechanik im Nutzfrequenzbereich der Antriebsmaschinendrehzahlregelung liegt, ist der Einfluss im dynamischen Verhalten sichtbar. Eine schnelle Regelung der Antriebsmaschine resultiert in einer näherungsweise sprungförmigen Anregung des Zweimassensystems. Soll trotz der Resonanzstelle Stabilität gewährleistet werden, muss der Antriebsregler entsprechend langsam eingestellt oder die Resonanzfrequenz bedämpft werden. Die Verringerung der Bandbreite ist jedoch nicht gewünscht, da dies mit einem Verlust an Dynamik einhergeht. Antriebsbasierte Schwingungsdämpfung Das Verfahren basiert auf der Standard-Kaskadenregelung der Antriebsmaschine (Bild 02), die um eine auf der an- und abtriebs­ 96 antriebstechnik 10/2018

SCHWINGUNGSANALYSE 01 Modellierung der Gelenknachgiebigkeit als Zweimassensystem 02 Blockschaltbild der um die Dämpfungsregelung ergänzten Standard-Kaskadenregelung 03 Antriebs- und abtriebsseitige Position der Achse 1 bei sprungförmiger Kraftanregung am TCP seitigen Position basierende Dämpfungsregelung ergänzt wird. Eine Geschwindigkeitsdifferenz von antriebs- und abtriebsseitiger Position führt zu einem unerwünschten Moment aufgrund der Nachgiebigkeit des Getriebes. Aus der abtriebsseitigen Position kann eine mögliche Positionsvorgabe für den Antrieb berechnet werden, um Steifigkeit und Dämpfung mechatronisch zu erhöhen. Dazu wird ein synthetisiertes Geschwindigkeitssignal zurückgeführt. Die Untersuchungen für den Nachweis der Verfahren beschränken sich wegen des stark posenabhängigen dynamischen Verhaltens von Industrierobotern zunächst auf einen kleinen Arbeitsraum. Für den simulativen Nachweis des Verfahrens wird eine sprungförmige Kraft am TCP eingeprägt. In Bild 03 ist die an- und abtriebsseitige Position der ersten Achse für die aktive (rot) und die inaktive (blau) Dämpfungsregelung dargestellt. Der Verlauf der abtriebsseitigen Position q A zeigt die deutliche Reduktion der Schwingungen bei aktiver Dämpfungsregelung. Darüber hinaus ist die gegenphasige Änderung der Antriebsposition q T zur Erhöhung der mechatronischen Dämpfung und Steifigkeit ersichtlich. Die Simulationsergebnisse weisen darauf hin, dass ein verbessertes Verhalten des Industrieroboters im realen Fräsprozess zu erwarten ist. Ziele und Ausblick Weitergehende Untersuchungen befassen sich mit der experimentellen Erprobung des Verfahrens am Versuchsstand. Neben der Parameteridentifikation des Modells werden unterschiedliche Fräsversuche durchgeführt, um die erzielten Ergebnisse zu bewerten. Des Weiteren wird überprüft, ob das Modell um Nichtlinearitäten, wie Lose, Umkehrspiel und Reibung erweitert werden muss oder die Nachbildung des linearen Verhaltens ausreicht. antriebstechnik 10/2018 97

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