antriebstechnik 9/2018

12 Temperatur in °C

12 Temperatur in °C Temperatur in °C 36 32 28 24 36 32 28 13 Simulations- und Messergebnisse der Temperaturentwicklung im Vergleich für den Fertigungsprozess Aktuelle Struktur Elektr. Schaltschrank Neue Kühlsystemstrukturen für Werkzeugmaschinen 36 32 28 24 0 275 550 825 1100 0 275 550 825 1100 Zeit in s Zeit in s Motorspindel 24 24 0 275 550 825 1100 0 275 550 825 1100 Zeit in s Zeit in s Eingangstemperatur Messung Ausgangstemperatur Messung Tanktemperatur Messung Temperatur in °C Temperatur in °C 36 32 28 KAG ein Drehtisch Tank KAG aus KAG ein Eingangstemperatur Simulation Ausgangstemperatur Simulation Tanktemperatur Simulation Struktur 1 Struktur 2 Struktur 3 nenten: dem Schaltschrank, dem Rundtisch und der Motorspindel. Trotz einer zentralen, variablen Antriebseinheit werden die Komponenten mithilfe der Proportionalventile einzeln gekühlt. Die Steuerung des Kühlsystems vergleicht die Ist- und Solltemperatur der zu kühlenden Komponente und stellt auf dieser Basis die Proportionalventile sowie die zentral geregelte Antriebseinheit ein. Jede Komponente wird mit einem anderen bedarfsgerechten Kühlvolumenstrom versorgt. Wenn die Temperaturentwicklung in der Komponente nicht die vordefinierte Grenze überschreitet, bleibt das zugehörige Ventil inaktiv. Das Temperatursignal TIST entspricht der mittleren Komponententemperatur. Die Erfassung erfolgt über Temperatursensoren in den Komponenten. Hierfür bedarf es eines geeigneten Konzeptes zur Sensorintegration. Weiterhin wird ein mittlerer äquivalenter Wärmestrom aus den berechneten Wärmeströmen im Leerlaufprozess für jede einzelne Komponente ermittelt und im Modell hinterlegt, dies sind 1 500 W für die Hauptspindel und jeweils 150 W für den Schaltschrank und den Drehtisch. Darüber hinaus wird das Verhalten des Kühlsystems in der Simulation als stationär betrachtet, sodass die Wärmekapazität der Bauteile vernachlässigt werden kann. Im entwickelten Simulationsmodell werden für die Komponenten bspw. drei unterschiedliche Solltemperaturen definiert, 26 °C für den elektrischen Schaltschrank, 27 °C für den Drehtisch und 28 °C für die Hauptspindel. Diese Individualisierung der Solltemperatur ist in der aktuellen Systemstruktur nicht möglich. Die zu kühlenden Komponenten, wie bereits erwähnt, werden in den festgelegten Temperaturbereich des Kühlaggregates gekühlt. Außerdem wird die Systemeintrittstemperatur auf der Saugseite der Pumpe in der Simulation mit 25 °C berücksichtigt. Das Kühlaggregat verbleibt in der Zwei-Punkt-Temperaturregelung als Bypass- Kühlung und referenziert auf die Mischtemperatur des Kühlmittels am Auslass aller Komponenten. Der Volumenstrom durch ein Proportionalventil kann nach folgender Formel berechnet werden: Konstante Antriebseinheit Zentral geregelte Antriebseinheit mit konstanten Stromventilen mit Proportionalventilen 14 T Soll Maschinensteuerung Kaltes Fluid Warmes Fluid Gemischtes Fluid mit vordefinierter Temperatur Regelungsstrategie der Struktur 1 Schaltschrank . Q E Dezentralisierte, geregelte Antriebseinheit ohne Stromventile Drehtisch . Q T Dezentralisierte, geregelte Antriebseinheit, Tanks und Kühlaggregate Hauptspindel . Q MS Bezogen auf die Regelstrategie in Bild 14 ist zu erkennen, dass die betrachtete Kühlsystemstruktur drei Regelgrößen (Komponententemperaturen) und vier Stellglieder (drei Proportionalventile und eine variable Pumpe) aufweist. Das macht das System mit einem aktuellen Konzept überbestimmt. Um dieses Problem zu lösen, können drei Ansätze berücksichtigt werden [15]: n Definition einer Zwangsbedingung n Entfernen eines Stellgliedes aus dem aktiven Regelkreis n Definition einer zusätzlichen Regelgröße Die Gl. 16 und 17 zeigen die Abhängigkeit der einzelnen Volumenströme von den Komponenten. Aufgrund dieser Zusammenhänge der einzelnen Kühlkreisläufe handelt es sich um ein sogenanntes Multiple-Input-Multiple-Output-System (MIMO-System) mit Kreuzkupplungen. Dies bedeutet, dass ein Stellglied gleichzeitig mehrere Stellgrößen beeinflusst. M Sensorsignal Steuersignal Pumpe T IST . Q KAG Thermische Verbindung Hydraulische Verbindung Wärmeeintrag/-austrag Thermischer Widerstand Wärmekapazität Hydraulische Kapazität Verstellb. Drosselventil Tank Struktur 2 Die zweite Optimierungsstruktur, Bild 15, der betrachteten Kühlsystemstrukturen ist eine dezentralisierte mit drehzahlgeregelten Antriebseinheiten ohne Stromregelventile. Die Versorgung der Komponenten erfolgt mit individuellen Antriebseinheiten und mit gemeinsamem Tank und Kühlaggregat. Es bedarf keiner Stromregelventile zur Parallelisierung des Volumenstroms. 102 antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK Wie in Struktur 1, die Steuerung des Kühlsystems vergleicht die Ist- und Solltemperaturen der zu kühlenden Komponenten und regelt auf dieser Basis die Drehzahl der Pumpen und folglich den Volumenstrom. Jede Pumpe fördert somit einen unterschiedlichen, bedarfsorientierten Kühlvolumenstrom. Wenn die Temperaturentwicklung in der Komponente nicht die vordefinierte Grenze überschreitet, bleibt die Pumpe inaktiv. Durch die individuelle Versorgung der einzelnen Komponenten mit den dezentralen drehzahlvariablen Antriebseinheiten arbeiten die Kreisläufe unabhängig voneinander. Daher besteht dieses System aus mehreren unabhängigen Single-Input-Single-Output-Steuerungen (SISO-System). Somit kann jede Temperatur über einen PI-Regler geregelt werden. Der I-Anteil des Reglers eliminiert die verbleibende Regelabweichung des P-Anteils. Die Systemrandbedingungen der Struktur 1 gelten auch für die Struktur 2 hinsichtlich der Solltemperatur der Komponenten, der Wärmezufuhr, der Systemeintrittstemperatur und der statischen Betriebsbedingungen des Kühlsystems. Struktur 3 Der Systemaufbau der Struktur 3 in Bild 16 ist ein dezentrales System. Jeder Kreislauf im System verfügt über eine drehzahlvariable Antriebseinheit, einen Tank und eine Kühleinheit. Der Kreislauf könnte mehr als eine zu kühlende Komponente beinhalten. Genau wie bei Struktur 2 benötigt diese Struktur keine Stromregelventile. Die Steuerung des Kühlsystems vergleicht die Ist- und Solltemperatur der zu kühlenden Komponenten und stellt auf dieser Basis die drehzahlvariablen Antriebseinheiten ein. Die grundsätzliche Idee zur Untersuchung dieser Struktur liegt in vollständig getrennten Kreisläufen. Dadurch können insbesondere bei großen Bearbeitungsmaschinen die Leitungslängen verkürzt werden, indem das jeweilige Kühlsystem möglichst nah an der zu kühlenden Komponente platziert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Struktur liegt in der Möglichkeit, die unterschiedlichen Komponenten mit unterschiedlichen Kühlmedien zu kühlen. Dies ist mit den Kühlsystemstrukturen 1 und 2 durch den gemeinsamen Tank nicht möglich. Das übrige Modell ist im Vergleich zu Struktur 2 unverändert. 15 T Soll 16 T Soll Regelungsstrategie der Struktur 2 M Sensorsignal Steuersignal Pumpe T IST Maschinensteuerung Maschinensteuerung M Schaltschrank . Q KAG . Q E Schaltschrank . Q E M M Drehtisch . Q T Thermische Verbindung Hydraulische Verbindung Wärmeeintrag/-austrag Thermischer Widerstand Regelungsstrategie der Struktur 3 Drehtisch . Q T M M Hauptspindel . Q MS Wärmekapazität Hydraulische Kapazität Verstellb. Drosselventil Tank Hauptspindel . Q MS Ergebnisse und Auswertung Die Auswertung der Ergebnisse der neuen Kühlstrukturen sollte mit der Regelung des Temperaturverlaufs des Kühlsystems als erstes Bewertungskriterium beginnen. Im Ergebnis der Simulationsmodelle werden bei allen drei untersuchten Kühlsystemstrukturen die vorgegebenen Solltemperaturen eingehalten. Die berechneten Temperaturverläufe von Schaltschrank, Drehtisch und Hauptspindel sind in Bild 17 in Abhängigkeit des Wärmeeintrags dargestellt. Die vorgegebenen Solltemperaturen sind jeweils durch eine hellblau gestrichelte Kennlinie, die berechneten Ist-Temperaturen durch eine durchgezogene hellblau eingefärbte Kennlinie und die Temperaturen der aktuellen Systemstruktur anhand einer lila eingefärbten Kennlinie ersichtlich. Durch einen Vergleich der Temperaturverläufe von den drei geregelten Systemstrukturen und dem aktuellen System fallen zwei Unterschiede auf. Erstens sind, durch die Verwendung eines Regelkreises, die erreichten Fluidaustrittstemperaturen der jeweiligen Komponente (Schaltschrank, Drehtisch und Hauptspindel), im Gegensatz zum aktuellen System, in allen Kühlkreisläufen konstant. Das heißt, trotz des erhöhten Wärmeeintrags in den Komponenten der neuen Kühlstrukturen bleiben die Fluidaustrittstemperaturen der Komponenten, auch als Komponententemperatur angenommen, bis auf geringe Abweichungen konstant bei den Solltemperaturen (26, 27 und 28 °C). Dies ist auf die Anpassung der Kühlvolumenströme an Sensorsignal Steuersignal Pumpe T IST . . Q KAG1 . Q KAG2 Thermische Verbindung Q KAG3 Wärmekapazität Hydraulische Verbindung Wärmeeintrag/-austrag Thermischer Widerstand Hydraulische Kapazität Verstellb. Drosselventil Tank den jeweiligen Kühlbedarf durch die Regeleinheit zurückführbar. Eine konstante Komponententemperatur führt zur Minimierung oder zum Ausschluss von thermischer Biegung an den Komponenten, sodass die Komponente nur eine translatorische Verformung aufweist, die durch die Korrekturmethoden einfach kompensiert werden kann und minimiert die Verlagerung des TCP [16,17]. Im aktuellen Kühlsystem steigen die Fluidaustrittstemperaturen der Komponenten mit steigendem Wärmeeintrag an. Der zweite große Unterschied besteht in der Einstellbarkeit des Temperaturniveaus der jeweiligen Komponente durch vorgegebene Solltemperaturen (Bild 17 a–c) am Regelkreis. Das aktuelle Kühlsystem wird lediglich einmalig auf einen gemittelten Kühlvolumenstrom eingestellt und anschließend immer mit einem fest vorgegebenen Volumenstrom unabhängig vom tatsächlichen Kühlbedarf betrieben. Als Folge dieses Systemverhaltens steigen die Ist-Temperaturen mit steigendem Wärmeeintrag beim aktuellen antriebstechnik 9/2018 103