Entwicklung des Arbeitstisches einer Linearachse mit aktiver magnetischer Lagerung und Lineardirektantrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die Realisierung einer linearen Magnetführung an einer Vorschubachse mit Lineardirektantrieb wurde ein Elektromagnetmodul mit innovativer Geometrie und permanentmagnetischer Verstärkung entwickelt und untersucht. Mit diesem Modul können durch die bidirektionale Kraftentwicklung gegenüber bisherigen Ansätzen die Hälfte der Magnetaktoren für eine vollständige Führung eingespart werden. Bereits mit einem einzelnen Modul konnte in einer Einzelaufhängung eine dynamische Störsteifigkeit von 23 N/μm erzeugt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Eigenschaften des Moduls führten zur Konstruktion einer realen Vorschubachse mit vollständiger magnetischer Lagerung, die durch nur sechs Magnetmodule realisiert wird. Die für die Schweberegelung verwendete Ansteuerung ist eine Pl-Zustandsregelung, mit jeweils einem separaten Regelkreis für einen räumlichen Freiheitsgrad. Die Parametrierung der Freiheitsgradregelung an der Vorschubachse erfolgte mittels eines modifizierten Riccati-Ansatzes mit nachfolgender Optimierung. Eine simulativ untersuchte Erweiterung dieser Regelung dient der prädiktiven Kompensation bekannter Störeinwirkungen. In der Umsetzung der Konstruktion in einen Versuchsstand konnte die Magnetführung in zwei Stufen in Betrieb genommen werden. In einer vorläufigen Ausbaustufe wurden die permanentmagnetischen Sekundärteile der Linearmotoren nicht montiert, so dass es nicht zu Störeffekten durch die sehr großen Motornormalkräfte kommen konnte. In diesem Stadium konnte die Führung erfolgreich stabilisiert und manuell uneingeschränkt in der Strecke verfahren werden. Sie zeigte eine überzeugende stationäre Schweberuhe und ein gutes Führungsverhalten. Die erreichte dynamische Steifigkeit blieb allerdings deutlich hinter den Erwartungen zurück. Die Einflüsse der Sekundärteile erwiesen sich nach ihrer Montage als sehr dominant. Sie verstärkten die destabilisierende Wirkung der mechanischen Toleranzabweichungen im Prüfstand stark und ermöglichten anstelle der angestrebten hochdynamischen Bewegungen nur einen begrenzten motorischen Vorschub. Die erfolgreiche Entlastung der Tragmagnete durch eine Neigung der Motoren zur Erzeugung einer vertikalen Normalkraftkomponente führte eine neuerliche Kopplung der Freiheitsgrade ein, welche die dynamische Steifigkeit weiter beeinträchtigte und nur teilweise kompensiert werden konnte. Entsprechend der Projektidee sollte die aufgebaute Vorschubachse das inhärente Potential einer berührungslosen Magnetführung zu hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen umsetzen und in hochdynamischen Prozessen eingesetzt werden können. Die formulierte Zielanwendung war das Pendelhubschleifen, in dem das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit und wechselnder Richtung unter einer stationären Schleifscheibe verfährt. Hier sollten zusätzlich zu einer erhöhten Dynamik die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Schlittenposition in allen Raumrichtungen im Rahmen der Luftspaltweite in den Magnetaktoren genutzt werden. Die Ergebnisse in der Prüfstandsrealisierung lassen eine derartige Anwendung zum Abschluss des Projektes nicht zu. Zur Verbesserung der Ergebnisse ist eine deutliche Überarbeitung des Prüfstands notwendig, um die mechanischen Toleranzen signifikant zu verbessern. Die erzielten Fertigungstoleranzen, die Einflüsse der permanentmagnetischen Felder auf die Stahlbauteile und die großen Ausdehnungen der Prüfstandsstruktur erschweren dabei eine genaue mechanische Justage. Die Regelungsstruktur muss um eine verbesserte Erfassung und Kompensation der Freiheitsgradkopplungen erweitert werden. Auch die Qualität der Messsignale und des elektrischen Aufbaus kann mit zusätzlichem Aufwand noch verbessert werden. Dies betrifft die Verwendung der Beschleunigungssensoren, die Störfestigkeit der Signalübertragung und die Präzision der Luftspaltmessung in den einzelnen Magnetmodulen. Diese idealere Erfassung der realen Gegebenheiten würde zu einer erhöhten Regelungsqualität führen und entsprechend das Potential der Zustandsregelung besser nutzen. Eine realistische Beurteilung von weiteren Anwendungsszenarien ist erst sinnvoll, wenn das theoretische Potential der Führung erfolgreich in die Versuchspraxis umgesetzt werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Entwicklung einer berührungslosen Vorschubachse mit Lineardirektantrieben und aktiver Magnetführung. Neue Anwendungsbereiche adaptronischer Systeme, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2 Fertigungstechnik, Nr. 666, Düsseldorf, VDI Verlag, S. 91-106
Brecher, C.; Schmidt, A.
- Schnell, dynamisch und trotzdem steif- Magnetlagerung für einen Werkzeugmaschinentisch. antriebstechnik 12/2004, Vereinigte Fachverlage, Mainz, Dezember 2004, S. 56-59
Schmidt, A.; Brecher, C.; Weck, M.
- Hochdynamische Antriebe bei Werkzeugmaschinen in Wechselwirkung mit der mechanischen Struktur. Begleitkongress der SPS/IPG/Drives 2005, 22.-24.11.2005, Nürnberg, Franzis Verlag, Poing, S. 168-186
Brecher, C.; Ostermann, T.
- Lineargetriebene Vorschubachse mit magnetischer Lagerung. Seminar „Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen", 27.- 28.10.2005, Eigendruck WZLforum, Aachen
Schmidt, A.
- Die Aufgabe entscheidet - Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen. antriebspraxis 02/06, verlag moderne Industrie, Landsberg, April 2006, S. 26-28
Pyper, M.
- Entwicklung einer magnetisch gelagerten Vorschubachse mit Lineardirektantrieb. VDI/VDE Seminar „Elektrisch-mechanische Antriebssysteme", 27.-28.9.2006, Böblingen, VDI-Berichte 1963, VDI Verlag, Düsseldorf
Schmidt, A.; Brecher, C.; Possel-Dölken, F.
- Magnetic Bearings and Guidings. Forum „Power Generation, Transportation and Distribution", 19.10.2006, Aachen, Siemens Center for Knowledge Interchange (CKI)
Brecher, C.; Ostermann, T.; Schmidt, A.; Schäfer, C.
- Prinzipien im Wettbewerb: Kugelgewindetrieb - Linearmotor - Magnetlagerung. antriebspraxis Kompendium, verlag moderne Industrie, Landsberg, August 2006, S. 40-41
Wirth, U.
- Werkzeugmaschinen - Vorschubantriebe: Ist die Zukunft magnetisch? Produktion Nr. 25, verlag moderne Industrie, Landsberg, 22. Juni 2006, S. 10
Pyper, M.
- Berührungslos und trotzdem unnachgiebig - Innovative Magnetlager für den Einsatz in linearen Vorschubachsen. WB Werkstatt & Betrieb 4/07, Carl Hanser Verlag, München, April 2007, S. 73-76
Schmidt, A.; Brecher, C.; Possel-Dölken, F.
- Novel Linear Magnetic Bearings for Feed Axes with Direct Drives. International Conference on Smart Machining Systems, CIRP and NIST - National Institute of Standards and Technology, 13.-15.3.2007, Gaithersburg, MD, USA
Schmidt, A.; Brecher, C.; Possel-Dölken, F.
