antriebstechnik 9/2023

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 03 Ergebnisse zu Seilschlupf und Wirkungsgrad im Diagramm sierte Regelverfahren, mit denen Störeffekte, wie Seilschlupf oder Reibung, kompensiert werden können. Am ISW wurde ein Seilwindenprüfstand entwickelt und aufgebaut, um die Schlupf- und Reibeigenschaften von laufenden Kunststofffaserseilen auf Trommelwinden zu untersuchen (siehe Bild 01). Der Prüfstand besteht aus zwei Antriebssträngen mit jeweils einer Trommelwinde, die über ein Kunststofffaserseil verspannt sind. Dadurch können definierte Lastprofile bei beliebigen Seilgeschwindigkeiten auf die Prüfseilwinde aufgebracht werden. Ziel der Untersuchung ist es, die Seilwinde getrennt vom Gesamtsystem zu betrachten, um die Stör- und Einflussgrößen zu identifizieren, die durch die Seilwinde versursacht werden. Im Anschluss sollen diese Effekte in die bestehenden physikalischen Modelle integriert werden. SIMULATIONSUMGEBUNG FÜR DEN PRÜFSTAND Um den Seilschlupf, also den Positionsfehler zwischen der Position des Antriebs (Eingang) und der Position des Seils (Ausgang), präzise zu erfassen, werden optische Linearmesssensoren verwendet. Zur Plausibilitätsprüfung werden zwei Messinstrumente mit unterschiedlichen Verfahren eingesetzt: Das Ortsfilterverfahren (mit ASCOspeed von TB Sensor) und das Laser-Doppler-Verfahren (mit LSV 2100 von Polytec). Durch die berührungslose optische Messung wird Reibung vermieden, wodurch die Bewegung des Seils nicht zusätzlich durch die Messung beeinflusst wird. Die Ausgangssignale der Linearmesssensoren sind standardisierte Encodersignale (RS422), aus denen Geschwindigkeit und Beschleunigung zeitlich abgeleitet werden können. Zusätzlich zu den Bewegungsdaten können mithilfe eines integrierten Kraftsensors in den jeweiligen Spultraversen der Trommelwinden FÖRDERUNG Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung des Projekts (Projekt Nr. 462185026). auch die wirkenden Seilkräfte gemessen werden. Die Steuerungsarchitektur des Seilwindenprüfstands ist in Bild 02 dargestellt. Der Prüfstand wird vollständig mit industriellen Komponenten betrieben, wodurch der Einsatz von standardisierter CNC-Technik ermöglicht wird. Um eine präzise Bewegung mit vordefinierten Lastprofilen zu erreichen, ist eine Verspannungsregelung der Seilkraft erforderlich. Die Auslegung der Verspannungsregelung erfolgt mithilfe eines Dynamikmodells des Prüfstands in einer Simulationsumgebung. Das entwickelte Regelkonzept wird anschließend als Softwarebaustein auf die Steuerung des Prüfstands übertragen. Ein zentrales Problem besteht in einem nichtsymmetrischen Belastungszustand des Seils. Das bedeutet, dass Bewegungen und Lasten ausschließlich in Zugrichtung auf das Seil einwirken. Die Verspannung des Systems wird durch Ausnutzung der Antriebsredundanz erzeugt, wodurch die Last auf beide Seilwinden nach definierten Anteilen verteilt wird. Es ist jedoch zu beachten, dass der Verspannungsregler die Regelstrecke beeinflusst. Das bedeutet, dass die Regelung der Verspannung Auswirkungen auf die Antriebsdrehzahl oder -drehmoment hat. Daher wurden verschiedene Regelverfahren entwickelt, um den Seilschlupf, dessen zeitliche Ableitung und die entstandene Reibung des laufenden Kunststofffaserseils zu analysieren. ERGEBNISSE Erste Experimente wurden zunächst mit konstanter Seilkraft und -geschwindigkeit mit 180 Messungen durchgeführt. Eine Messreihe beinhaltet 10 Messungen mit einer auf- und abspulenden Bewegungsrichtung der Prüfseilwinde, konstanten Seilkräften (70 N, 125 N, 180 N) und konstanten Seilgeschwindigkeiten (0,5 m/s, 2 m/s, 5 m/s). Zur Analyse wurden die 10 Messungen einer Messreihe über die Messzeit gemittelt und statistisch ausgewertet. Die Ergebnisse in Bild 03 zeigen, dass der Seilschlupf bei steigender Seillänge bzw. Messzeit zunimmt. Dieser Verlauf könnte darauf schließen, dass der Seilschlupf durch die zeitliche Integration des Seilgeschwindigkeitsfehlers entsteht. Dieser Effekt ist in allen Messreihen ab einer bestimmten Seilposition erkennbar. Zusätzlich hängt der Wert des Seilschlupfs von der Seilkraft und -geschwindigkeit ab. Auch der Wirkungsgrad der Prüfseilwinde, der ein Maß für die entstandenen Leistungsverluste durch mechanische Reibung ist, hängt von den genannten Betriebseigenschaften ab. Dank des modularen Aufbaus der messtechnischen Komponenten ist es möglich, weitere Seiltriebprüfstände mit den bestehenden Messinstrumenten aufzubauen. Beispielsweise können Treibscheiben mit Kunststofffaserseilen als Zugmittel untersucht werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, um verschiedene Aspekte der Seiltechnik und das hochdynamische Verhalten laufender Kunststofffaserseile genauer zu erforschen. Mit dem Seilwindenprüfstand können nun Experimente durchgeführt werden, die eine Voraussetzung für die Entwicklung modellbasierter Regelverfahren sind. Diese Verfahren ermöglichen es, zukünftig Störeffekte ohne zusätzliche Sensorik zu kompensieren und dadurch die Betriebseigenschaften von Seilrobotern mit laufenden Kunststofffaserseilen zu verbessern. Die erzielten Methoden und Ergebnisse aus diesem Forschungsprojekt sind nicht nur auf parallele Seilroboter anwendbar, sondern auch auf redundant verspannte Seiltriebe im Allgemeinen. Durch die Anwendung dieser Erkenntnisse können auch erweiterte Auslegungskriterien in verschiedenen Bereichen berücksichtigt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Systeme zu verbessern und möglicherweise neue Konstruktions- und Betriebsprinzipien einzuführen. Bilder: ISW Stuttgart www.lageregelseminar-stuttgart.de 42 antriebstechnik 2023/09 www.antriebstechnik.de

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