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antriebstechnik 9/2018

antriebstechnik 9/2018

Antriebskonzept für

Antriebskonzept für unstetige Vorschubbewegungen mit trägheitsbasiertem Impulsaktor Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird ein Verfahren erforscht, welches sprungartige Geschwindigkeitsänderungen bei Vorschubantrieben ermöglicht. Hierzu wird die aus der klassischen Mechanik bekannte Impulsübertragung beim Stoß ausgenutzt. Mittels eines zusätzlichen Aktors können unstetig ausgelegte Bahnprofile mit konstanter Bahngeschwindigkeit und ohne Geometriefehler durchfahren werden. Dabei reduziert sich die Anregung der Maschinenstruktur, was für Fertigung und Handhabung Vorteile bringt. Dipl.-Ing. Peter Zahn ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart Der Link zum Video Ein Video zum Projekt finden Sie unter: www.youtube.com/watch?v=pjKDaIYcjTw Vorschubantriebe ermöglichen eine definierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück innerhalb von Produktionsanlagen. Die verfügbare Antriebskraft begrenzt jedoch das Beschleunigungsvermögen, folglich sind nur kontinuierliche Änderungen der Geschwindigkeit möglich. Zur Fertigung von Werkstücken mit einer nicht-stetigen Kontur ist dabei ein Kompromiss zwischen einer konstanten Bahngeschwindigkeit sowie einer hohen Konturgenauigkeit notwendig. Außerdem wirken hohe Beschleunigungen in den Antrieben gleichzeitig als unerwünschte Anregung auf die Maschinenstruktur zurück. Ein heute übliches Verfahren zur synchronisierten Bewegung mehrerer Achsen stellt das Überschleifen von Unstetigkeiten, z. B. Ecken eines Werkstücks, dar. Eine Verletzung der Kontur wird in Kauf genommen, um eine möglichst konstante Bahngeschwindigkeit zu halten. Eine Alternative ist der Genauhalt – hier bleibt die Geometrie exakt erhalten, da erst wieder beschleunigt wird, wenn die Antriebe komplett zum Stillstand gekommen sind. Der Ein­ 94 antriebstechnik 9/2018

Geschwindigkeit [m/s] Beschleunigung [m/s 2 ] Schleppfehler [m] |P1 (f)| VORSCHUBANTRIEBE 01 Schematischer Aufbau eines Vorschubantriebs mit Impulsaktor 02 Versuchsaufbau zur Verifikation X Aktor,rel F LDA X LDA F Aktor m impuls m tisch Maschinenbett 03 Resultierendes Bewegungsprofil des Vorschubantriebs 04 Schwingungsanregung am Gestell Bewegungsgrößen Vorschubantrieb 0.5 0 Impulsaktor inaktiv Impulsaktor aktiv 0.25 Spektrum Beschleunigungsmessung Gestell Impulsaktor inaktiv Impulsaktor aktiv –0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 500 300 100 –100 –300 –500 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 x10 –3 2 0.2 0.15 0.1 0.05 0 –2 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Zeit [s] 0 10 0 10 1 10 2 10 3 Frequenz (Hz) bruch der Bahngeschwindigkeit wirkt sich jedoch häufig negativ auf die Prozessqualität aus. Neues Konzept für Vorschubantriebe Zielsetzung eines derzeit am ISW untersuchten Verfahrens ist es, unstetigen Profilen besser zu folgen. Für die hierzu notwendigen sprungförmigen Geschwindigkeitsänderungen wird das physikalische Prinzip der Impulsübertragung mittels eines Zusatzaktors für Vorschubantriebe umgesetzt. Bild 01 stellt das Konzept schematisch dar: Eine separat angetriebene, träge Zusatzmasse, welche relativ zum Maschinentisch montiert ist, überträgt ihre Bewegungsenergie mittels Stößen auf eine oder mehrere Vorschubachsen. Daraus resultieren, äquivalent zu einem sehr hohen Beschleunigungsvermögen, maximale Bahntreue und konstante Bahngeschwindigkeit. Wesentliche Herausforderungen bilden die Auslegung des Impulsaktors sowie die steuerungstechnische Kopplung von Grundantrieb und Aktor. Für die praktische Evaluation des Konzepts wurde ein Vorschubantrieb mit Lineardirektantrieb, wie in Bild 02 dargestellt, erweitert. Der Impulsaktor wird hier am Tisch möglichst nahe des Schwerpunkts angebracht. Wesentliche Komponenten sind der Antrieb durch eine Tauchspule sowie beidseitige gehärtete Kontaktflächen zur Stoßübertragung. Ein vorberechnetes Profil für die Bewegung der Impulsmasse stellt sicher, dass zu definierten Zeitpunkten ein Stoß auf den Tisch mit, zu den Massenverhältnissen passender Geschwindigkeit, erfolgt. Hiermit ist auch eine mehrfache Geschwindigkeitsänderung der Achse möglich. Die resultierende Geschwindigkeit am Tisch kann mittels des Impulserhaltungssatzes gesteuert werden. Messtechnische Bewertung Anhand eines treppenförmigen Geschwindigkeitsprofils, (Bild 03 oben), lassen die Auswirkungen auf die Bewegungsgrößen beurteilen. Ohne Aktivierung des Aktors (rot) werden die maximalen Beschleunigungen (Mitte) durch den Grundantrieb limitiert und es stellen sich unvermeidliche Schleppfehler (unten) an den Übergängen ein. Mit Impulsaktor (grün) fällt der Schleppfehler um eine Größenordnung kleiner aus. Gleichzeitig wachsen die effektive Beschleunigung der Achse und damit die Steilheit des Geschwindigkeitsprofils stark an. Einen weiteren Vorteil stellt die reduzierte Anregung der Maschinenstruktur dar. Ohne Impulsaktor müssen die Beschleunigungskräfte vom Gestell aufgenommen werden, welches dadurch entsprechend seiner Eigenfrequenzen in Schwingung gerät. Mit aktiviertem Impulsaktor wird für die kurzzeitige Beschleunigung die Bewegungsenergie der Impulsmasse genutzt. Da der Grundantrieb entsprechend entlastet wird, treten deutlich kleinere Reaktionskräfte auf und die Anregung der Struktur wird reduziert. Dies lässt sich auch am Spektrum einer Beschleunigungsmessung (Bild 04) zeigen. Ohne Impulseintrag ist die mechanische Eigenfrequenz deutlich erkennbar, mit aktivem Aktor reduziert sich die kritische Anregung im Bereich der ersten Eigenfrequenz signifikant. Ausblick Weitergehende Untersuchungen im Rahmen eines laufenden Forschungsvorhabens befassen sich u. a. mit der Optimierung der Kontaktflächen zur Stoßübertragung, der Umsetzung für Mehrachssysteme sowie der optimierten Ansteuerung und Evaluation im Rahmen realer Prozesse. antriebstechnik 9/2018 95

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