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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

06 Normierter

06 Normierter Drehmoment- und Drehzahlverlauf eines exemplarischen Kautschukmischprozesses sam gelöst werden. Es ist sicherzustellen, dass durch eine geeignete Konstruktion die MMDS-Freiheitsgrade gewinnbringend genutzt werden können und die Handhabung der Freiheitsgrade während der Betriebsphase durch geeignete Werkzeuge unterstützt wird. Aufgabe des Kunden ist es, die Arbeitsprozesse so detailliert wie möglich zu kennen und hieraus Optimalitätskriterien abzuleiten, sodass mit Hilfe der Werkzeuge Betriebsstrategien für das MMDS ermittelt werden können. In den beiden nachfolgenden Beiträgen dieser Reihe werden Ansätze aufgezeigt, mit denen eine geeignete Konstruktion eines MMDS und die Betriebsstrategien zur gezielten Nutzung der Freiheitsgrade realisiert werden können. Unabhängig von diesen Methoden lassen sich allerdings allgemeine Anforderungen an die Betriebsphase eines MMDS formulieren, die für alle MMDS Gültigkeit besitzen und erfüllt sein müssen, wenn diese Antriebssysteme eine Marktakzeptanz erreichen sollen. n Anwendungskomfort Antriebssysteme werden von ihren Anwendern als Werkzeuge zur Leistungserstellung betrachtet und sollen möglichst einfach anzuwenden sein. Konventionelle SMDS erfüllen durch eine langjährige Entwicklung diesen Anspruch. Nach der Inbetriebnahme – welche heute bereits teilautomatisiert ist – reicht die Sollwertvorgabe oder das Einschalten des Antriebssystems aus, um dieses zu nutzen. MMDS müssen mit diesem Stand der Technik konkurrieren und mindestens denselben Anwendungskomfort bieten. Aufgrund der gesteigerten Komplexität durch die zusätzlichen Freiheitsgrade würden sie ohne Hilfsmittel während der Betriebsphase jedoch einen Mehraufwand erzeugen, da der Anwender die Freiheitsgrade permanent koordinieren müsste. Um diesen Mehraufwand zu vermeiden, muss die Freiheitsgradnutzung während der Betriebsphase soweit wie möglich automatisiert werden. Eine Erweiterung dieser Anforderung kann sogar die autonome Nutzung der Freiheitsgrade durch das Antriebssystem selbst sein. n Einhaltung bekannter und üblicher Schnittstellen MMDS müssen konventionelle SMDS in bestehenden Anwendungen substituieren können oder zumindest bei der Konzeption neuer Antriebssysteme als Alternative zu SMDS in Betracht gezogen werden. Folglich müssen von SMDS bekannte und übliche Werte in den geometrischen Schnittstellen, den Abmessungen und dem Gewicht eingehalten werden. Anwendungsbeispiel: Der Kautschukmischprozess Die detaillierte Betrachtung der einzelnen Freiheitsgrade sowie die Formulierung der Ansätze zur gezielten Nutzung dieser in den beiden nachfolgenden Beiträgen wird anhand des durchgängigen Anwendungsbeispiels des Kautschukmischprozesses in einem Kautschukinnenmischer betrachtet. Kautschukinnenmischer werden für die Produktion von Reifen oder technischen Gummiwaren eingesetzt und besitzen je nach Ausführung Antriebsleistungen im Bereich von einigen 100 kW bis zu 7 MW. Das Antriebssystem treibt die in der Mischkammer befindlichen und gegenläufig rotierenden Knetwellen an. Mit diesen wird Rohkautschuk mit Synthesekautschuk und Additiven vermischt, um eine Kautschukmischung mit homogenen Produkteigenschaften und somit ein Halbzeug für die nachfolgenden Produktionsschritte herzustellen [Hof01; Sch98]. Der Mischprozess findet in unterschiedlichen Phasen statt, die beispielsweise durch das Aufbrechen des Rohmaterials oder durch eine gezielte Temperaturführung gekennzeichnet sind. Aufgrund der Prozessführung und der chemischen Reaktionen innerhalb des Mischgutes zeigt der Prozess sowohl eine variierende Drehzahl als auch ein stark variierendes Drehmoment. Bild 06 zeigt anhand einer exemplarischen Messreihe den normierten Drehmoment- und Drehzahlverlauf eines typischen Mischprozesses. Da der Mischprozess als Batchprozess (diskontinuierliche, sukzessive Verarbeitung einzelner Materialchargen begrenzten Gewichts) durchgeführt wird, werden innerhalb einer Massenproduktion mehrere Mischungen gleicher Rezeptur hintereinander durchgeführt. Hierdurch ist in nachgeschalteten Produktionsschritten ein kontinuierlicher Materialfluss gewährleistet. Dieses Anwendungsbeispiel ist aus mehreren Gründen geeignet, um die gezielte Nutzung der MMDS-Freiheitsgrade während der Betriebsphase zu erläutern. Auf der einen Seite handelt es sich um einen leistungsvariablen Arbeitsprozess, bei dem sowohl Drehzahl als auch Drehmoment während der Prozesszeit stark variieren (Bild 06). Somit muss das MMDS während der Prozesszeit mehrfach alle Freiheitsgrade nutzen, um die zur Verfügung gestellte Antriebsleistung dem Arbeitsprozess nachzuführen. Auf der anderen Seite führt das diskontinuierliche Batchverarbeitungsverfahren in Kombination mit den chemischen Reaktionen während des Mischvorgangs zu ähnlich reproduzierbaren, nicht aber zu identisch reproduzierbaren Drehmoment- und Drehzahlverläufen. Ähnlich reproduzierbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der prinzipielle Verlauf von Drehzahl- und Drehmoment zwischen unterschiedlichen Mischungen gleicher Rezeptur erhalten bleibt. Jedoch variieren die Zeitpunkte, zu denen Drehmomentmaxima und Drehmomentminima auftreten oder der Übergang von einer in die nächste Prozessphase stattfindet. Aus diesem Grund liegt ein nicht deterministischer Arbeitsprozess vor, für den die Freiheitsgradnutzung nicht an einem deterministischen Zeitraster festgelegt werden kann. Dieses Anwendungsbeispiel repräsentiert folglich einen sehr allgemeinen und komplexen Anwendungsfall. Verfahren und Ansätze, die für dieses Anwendungsbeispiel die Einhaltung der zuvor definierten allgemeinen Anforderungen an ein MMDS ermöglichen, lassen sich daher auf eine Vielzahl anderer Arbeitsprozesse übertragen. Ausblick auf nachfolgende Beiträge Damit die Freiheitsgrade während der Betriebsphase gewinnbringend genutzt und die allgemeinen Anforderungen an MMDS eingehalten werden können, müssen einerseits durch eine geeignet ausgelegte Konstruktion des mechanischen Aufbaus ein hoher Getriebewirkungsgrad und die Möglichkeit der mechanischen Rekonfigurierbarkeit sichergestellt werden. Andererseits muss mittels einer intelligenten Betriebsstrategie gewährleistet werden, dass die Freiheitsgrade derart koordiniert und genutzt werden, dass ein unsicherer oder unerwünschter Betriebszustand vermieden und ein Optimum bezüglich der Anwenderdefinition erreicht wird. In dem zweiten Beitrag dieser Reihe wird die Optimierung der Baustruktur von MMDS-Sammelgetrieben vorgestellt. Anhand 88 antriebstechnik 3/2016

MEHRMOTORENANTRIEBSSYSTEME einer auf Simulationen und Prüfstandmessungen basierenden Analyse der Getriebeverluste werden Ansätze aufgezeigt, mit deren Hilfe die Gesamtverluste eines MMDS-Getriebes gegenüber denen eines konventionellen SMDS-Getriebes gleicher Nennleistung reduziert werden können. Mit Hilfe der Optimierung der Getriebestruktur kann eine Kraftkompensation erzielt und die Abmessungen der verbauten Maschinenelemente reduziert werden. Weiterhin wird als Lösungsansatz zur mechanischen Rekonfigurierbarkeit die Gestaltung eines Schieberadgetriebes erörtert, welches eine mechanische Entkopplung bereits ab der Sammelradverzahnung ermöglicht (Bild 07). Der dritte Beitrag der Reihe wird sich mit der intelligenten Betriebsstrategie für MMDS beschäftigen. Mittels eines mathematischen Optimierungsverfahrens, das auf die Motordaten und Informationen über die Struktur des MMDS zugreift, wird die Einhaltung der Optimalitätsforderung des Anwenders sichergestellt. Dieser Ansatz wird an der Beispielforderung nach einem maximalen Antriebssystemwirkungsgrad dargestellt. Weiterhin werden ein Lösungs ansatz für die Struktur einer intelligenten Betriebsstrategie und die in dieser Struktur verwendeten Methoden und Algorithmen vorgestellt, die es dem System ermöglichen sollen, alle Freiheits grade auch für nicht deterministische Arbeitsprozesse autonom zu nutzen. Zu diesem Zweck wird die Integration eines neuronalen Netzes und eines entsprechenden Trainingsalgorithmus in die Betriebsstrategie vorgestellt. Das System soll somit durch die Nutzung aktueller Messwerte des Betriebszustandes und des Arbeitsprozesses zu einem lernfähigen System erweitert werden (Bild 08). Zusammenfassung In diesem Beitrag wurden die Grundlagen zu MMDS als ganzheitlich modulare Antriebssysteme vorgestellt. Sie besitzen gegenüber konventionellen SMDS erweiterte, systeminhärente Freiheitsgrade sowohl in der Konzeptions- als auch in der Betriebsphase. Es hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz von MMDS-Konzepten Vorteile von der Produktion eines Antriebssystems bis hin zur Anwendung entstehen können. So können Antriebstechnikhersteller insbesondere von den Freiheitsgraden in der Konzeptionsphase profitieren, während sich die größten Vorteile für Maschinenbauer und Endanwender durch die Freiheitsgrade in der Betriebsphase erzielen lassen. Aufgrund ihres Einflusses auf unterschiedliche Unternehmensbereiche muss die Beurteilung dieser Antriebssysteme allerdings in einem größeren Kontext stattfinden, als von konventionellen SMDS bekannt. Ziel der Forschungsarbeiten des KAt auf dem Gebiet der MMDS ist es, die Potentiale dieser modularen Antriebssysteme nutzbar zu machen, aber auch Restriktionen und Anwendungsgrenzen zu identifizieren. Foto 06: Continental Reifen Deutschland GmbH Korbach Literaturverzeichnis: [Ber15] Bernia, M. and Sicard, S.: A hierarchical algorithm for load sharing in Multi-machine Multi-converter Systems with felxible coupling. Proceeding of the 28th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Halifax, Canada : IEEE, 3. - 6.5.2015. ISBN: 9781479958290 [Ble11] Blees, C.: Eine Methode zur Entwicklung modularer Produktfamilien. Dissertation Technische Universität Hamburg-Harburg. Hamburg : s.n., 29.4.2011 [BTS15] Bernia, M., Teirar, H. and Sicard, P.: A modified pseudo inverse method for control allocation in electromechanical coupled systems. Proceeding of the 28th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Halifax, Canada : IEEE, 3. - 6.5.2015. ISBN: 9781479958290 [Dec15] Decker, D., et al.: Erfolgsmuster und Trends in der deutschen Antriebstechnik. Handlungsansätze für mehr Wachstum und Profitabilität. 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