Antriebsforschung

Störgrößenschätzung in Zahnstange-Ritzel-Antrieben

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Versuche und Ergebnisse

Der beschriebene Ansatz zur Störgrößenschätzung wurde am bestehenden ZRA-Versuchsstand auf einem echtzeitfähigen Rapid Prototyping System mit offener Steuerungsplattform implementiert und experimentell getestet (Bild 2). Der Motorstrom wird dabei über eine analoge Schnittstelle von der zentralen Regelungsbaugruppe (CU) an das Echtzeitsystem übertragen. Das Signal des zusätzlichen tischseitig steif angebundenen MEMS-Beschleunigungssensors wird analog eingelesen, wodurch eine hochdynamische Schätzung mit schnellen Abtastraten erfolgen kann. Auf der Echtzeithardware werden die beiden analogen Sensorsignale zunächst digital aufbereitet. Anschließend erfolgt die Onlineschätzung der Störgrößen in jedem Takt. Die Auswertung sowie die überlagerten Steuerungsfunktionalitäten sind auf einem zusätzlichen Steuerungsrechner umgesetzt.

In einem ersten Schritt soll mit dem Störgrößenschätzer die im Vorschubbetrieb auftretende Reibung ermittelt werden. Dazu führt der Maschinenschlitten einen Bewegungssatz mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten aus, wobei die resultierende Reibkraft jeweils im stationären Bewegungszustand bei konstanter Verfahrgeschwindigkeit ermittelt wird. Aus den resultierenden Stützstellen kann daraus eine Reibungskurve interpoliert werden, welche die Reibkraft in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit abbildet. Die in Bild 3 gezeigte Reibkurve enthält dabei alle am Kraftfluss beteiligten mechanischen Übertragungselemente und weist das typische nichtlineare Reibungsverhalten mit verschiedenen Reibungsbereichen auf (Stribeck-Kurve). Zugleich tritt nur eine geringfügige Abhängigkeit der Reibung von der Bewegungsrichtung auf, welche unter anderem durch das Auf- respektive Abrollen des Kabelschlepps verursacht wird.

Bildergalerie

Außer den Reibungseffekten treten während des Maschinenbetriebs üblicherweise auch prozessbedingte Lastkräfte auf, welche extern auf die Achsstruktur einwirken und das dynamische Genauigkeitsverhalten negativ beeinflussen. In einem zweiten Schritt soll aus diesem Grund eine sägezahnförmige Lastkraft, welche mithilfe des verbauten LDA erzeugt wird, als zusätzliche Störkraft in die Vorschubachse eingeleitet und geschätzt werden. In Bild 4 ist hierzu die mit dem Schätzverfahren ermittelte im Vergleich zur tatsächlichen. gemessenen LDA-Störkraft dargestellt. Hierbei zeigt sich, dass auch extern einwirkende Prozesskräfte durch das beschriebene Verfahren zuverlässig geschätzt werden können.

Fazit und Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass mit abtriebsseitig integrierter MEMS-Beschleunigungssensorik reibungs- sowie prozessbedingte Störkräfte an elektromechanischen Vorschubachsen mit ZRA geschätzt werden können. Neben dem Beschleunigungssignal und dem ohnehin vorliegenden Motorstrom benötigt die entwickelte Schätzstruktur keine zusätzlichen externen Sensorsignale, wodurch das Verfahren grundsätzlich auch direkt in der Steuerung umgesetzt werden kann.

Die Kenntnis beziehungsweise die Schätzung von auftretenden Störgrößen im Maschinenbetrieb ist aus zweierlei Hinsicht zweckmäßig: Erstens können während der Vorschubbewegung respektive während des Prozesses Informationen über den aktuellen Maschinenzustand ermittelt werden. So kann beispielsweise durch eine fortlaufende Onlineidentifizierung des Reibverhaltens der Verschleiß der gesamten Maschine überwacht werden. Zweitens können die identifizierten Störkräfte der überlagerten Antriebsregelung zusätzlich zurückgeführt werden, wodurch deren Einfluss minimiert werden kann.

Die Arbeit geht einher mit einer ganzheitlichen Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Vorschubachse. Das Potenzial dieses kompensierenden Regelkreises wird derzeit durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen erforscht. Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung des Projekts „Kompensation des Umkehrspiels in Zahnstange-Ritzel-Antrieben durch die Erfassung der Beschleunigung des Maschinentisches“ (Projektnummer 271104968). MM

* Felix Brenner, M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe 4 „Antriebssysteme und -regelung“ am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) in Stuttgart. Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl leitet das Institut und ist Professor an der Universität Stuttgart. Dr.-Ing. Armin Lechler ist stellvertretender Institutsleiter und geschäftsführender Oberingenieur. www.isw.uni-stuttgart.de

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