SliMoReK

Sliding-Mode-Maschinentischregelung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb

Projektförderung

Hintergrund

In modernen Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen kommen lagegeregelte Vorschubantriebe zum Einsatz, welche die Bewegungsanweisung der Steuerung in eine Vorschubbewegung des Maschinentisches umsetzen. Auf diese Weise werden definierte Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück ermöglicht, welche die Grundlage zur Durchführung von Bearbeitungsaufgaben darstellen. Dabei werden enorm hohe Anforderungen an die Bahngenauigkeit und Dynamik der Vorschubantriebssysteme gestellt, da diese direkt mit der erreichbaren Fertigungsgenauigkeit und der Bearbeitungsdauer zusammenhängen.

ABB.1: Kugelgewindetrieb

Problemstellung

Aus den Anforderungen an Vorschubantriebe ergibt sich insbesondere die Forderung nach hohen Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitig möglichst geringer Lageregelabweichung, was auch für kurze Bewegungssätze und unter Einfluss von Störkräften gewährleistet sein muss. Eine Möglichkeit zur Dynamiksteigerung sind regelungstechnische Verbesserungen, beispielsweise durch modellbasierte oder nichtlineare Verfahren oder Erweiterungen der Regelstruktur. Als Resultat der Dynamiksteigerung werden höherfrequente Effekte am Vorschubantrieb verstärkt, wie die Anregung mechanischer Eigenmoden, die regelungstechnisch berücksichtigt werden müssen.

ABB.2: Regelstruktur

Zielsetzung/Ergebnisse

Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens wird eine neuartige Sliding-Mode-Maschinentischregelung für die Anwendung an Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb untersucht. Die Sliding-Mode-Regelung soll dabei den für die konventionelle PPI-Kaskadenregelung typischen P-Lageregler unter Beibehaltung von PI-Drehzahl- und Stromregelung ersetzen. Der Sliding-Mode-Regler wird basierend auf einem Modell der schwingungsfähigen Mechanik entworfen, wodurch diese explizit berücksichtigt wird und kompensiert werden kann. Durch gleichbleibendem Parametrierungsaufwand in der Inbetriebnahmephase bei gleichzeitiger Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Regelstrecke wird auch die industrielle Akzeptanz adressiert. Während der Projektdauer wird ein ganzheitlicher Vergleich zur industriell dominierenden PPI-Kaskadenregelung durchgeführt. Dabei werden das Führungsverhalten (in Form der Bandbreite und des Schleppfehlers), die Störunterdrückung sowie die Robustheit gegenüber Parameterschwankungen, etwa durch Variation der Lastmasse, verschleißbedingte Regelstreckenänderungen und posenabhängige Steifigkeit der Kugelrollspindel, untersucht. Erste Versuche zeigen eine vielversprechende Reduktion des Schleppfehlers bei gleichzeitig höherer Störsteifigkeit. Insofern trägt der Ansatz dazu bei, die enormen Genauigkeits- und Produktivitätsanforderungen an zukünftige Werkzeugmaschinen erfüllen zu können.

Ihr Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Christoph Hinze
M. Sc.

Christoph Hinze

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Mechatronische Systeme und Prozesse"

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