Adaptronische Schwingungsdämpfung in Präzisionsmaschinen
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die adaptronische Bedämpfung von auftretenden Schwingungen einer schwach gedämpften Achse und die Untersuchung der damit verbundenen Auswirkungen auf die Dynamik und das Gleichlaufverhalten. Bei klassischen Ferrarissensoren wird eine Erregung über Permanentmagnete eingesetzt. Bei Sensoren mit Wechselfelderregung wird mit einer hohen konstanten Erregerfrequenz gearbeitet, welche weit über der Dynamik des Sensors liegt und sich ebenfalls quasistatische Zustände im Wirbelstromblech ergeben. Bei dem in diesem Projekt untersuchten Aufbau wird das Erregerfeld auf äußere Zustände hin angepasst, sodass sich zeitlich gesehen beliebige Kombinationen von Erregerfeld und zu messender Beschleunigung ergeben können. Daher ist, im Gegensatz zu den beiden anderen Sensoraufbauten ein umfassendes Verständnis für die transienten Vorgänge notwendig. In der ersten Förderperiode erarbeitet Zusammenhänge haben sich als zu stark vereinfachend herausgestellt. Analytische Zusammenhänge für das dynamische Verhalten der Wirbelströme unter den gegebenen Voraussetzungen sind in der Literatur nicht zu finden. Daher ist eine allgemeine Beschreibung über ein FE-Modell notwendig. FE-Modelle wurden bereits aufgebaut. Diese waren jedoch nur für statische Fälle aussagekräftig. Ein Schwerpunkt musste daher nochmals auf den Aufbau von voll transienten Simulationsmodelle gelegt werden um alle relevanten Effekte untersuchen zu können da experimentell die Erfassung der sich flächig ausbreitenden Wirbelströme schwer möglich ist und die nichtlinearen Effekte wie z.B. durch Leiterbegrenzungen analytisch nicht abgebildet werden können. Da gängige FE-Systeme wie Ansys oder Permas diese Berechnung mit Standartfunktionen nicht zulassen bzw. sogar falsch rechnen, wurden umfassende Anpassungen für Ansys in Zusammenarbeit mit deren Entwicklungsabteilung erarbeitet. Die entwickelte Erweiterung von Ansys führte letztendlich auch nicht zu einer für dieses Problem einsetzbaren Lösung. Erst mit dem in der Verlängerung des Projekts zur Verfügung stehenden Softwarepakets Flux3d lassen sich nun beliebige Vorgänge im Zeitschrittverfahren durchführen. Für die Optimierung des Dämpfungsverhaltens ist es erstmals damit möglich, das dynamische Verhalten des Sensors zusammen mit der Aktorik zur simulieren und Parameterstudien über Wirbelstromleitermaterialen, Aktorkonfigurationen und Sensorplatzierung durchzuführen. Dies war bis dato nicht durchführbar und stellt einen wesentlichen Fortschritt zum Stand der Forschung dar. Aufgrund des interessanten FE-Problems bat daher die Softwarefirma von Flux3d um einen Beitrag auf deren nächsten Konferenz. Mit den ersten Auslegungen wurde eine Sensor-/Aktoreinheit mit einem Versuchsstand aufgebaut. Neben der Regelung der magnetischen Durchflutung wurde über Extrasensoren die Dämpferkraft bestimmt. Nach ersten Ergebnissen wurde ein optimiertes zweites System mit geblechtem Eisenkern aufgebaut, um die Zeitkonstante des Erregerkreises zu reduzieren. Speziell für die starre Kopplung von zwei parallel im Kraftfluss liegenden eisenlosen Direktantrieben wurde für sehr schwach gedämpfte Vorschubsysteme, wie sie z.B. bei luftgelagerten Achsen vorkommen, ein Identifikationsverfahren weiterentwickelt um die Erfassung des Gesamtsystems für die Reglereinstellung zu ermöglichen. Für die Untersuchung, wie sich das Sensor/-Aktormodul regelungstechnisch integrieren lässt wurden verschiedene Verfahren untersucht. Aufgrund der Kopplung der Dämpferkraft mit der Verfahrrichtung liegt ein nichtlineares Aktorsystem vor. Zunächst wurde für die Reglersynthese versucht, über heuristische Ansätze mit Hüllkurvenbstimmung des Beschleunigungssignals einen linearen Zusammenhang herzustellen. Unter Berücksichtigung der Sollwerte für die Grundachse stellt dies ein praktikables Verfahren dar. Weiterhin wurden nichtlineare Reglersynthesen angewendet, um optimale Reglerstrukturen aufzubauen und zu testen. Das ursprüngliche Ziel, eine Linearachse mit diesem Sensor-/Aktor-Modul zu bedämpfen konnte nicht direkt erreicht werden, da für dieses bezüglich Massen und Steifigkeiten ein Wanderfeldsystem für die Aktorik notwendig gewesen wäre, für welches während Projektlaufzeit die Modellbildung und Optimierung noch nicht durchgeführt werden konnte. Mit den im Projekt aufgebauten Simulationsmodellen und Versuchsständen wird eine systematische Analyse eines linearen asynchronen Induktionsmotors möglich werden. Ist es dabei möglich, eine mehrphasige Anregung zu untersuchen, so könnte sich die Sensorfunktion des Ferrarissensors in einen solchen Antrieb integrieren lassen. Diese Aufgabe konnte im vorliegenden Projekt aufgrund vieler unvorhersehbarer Schwierigkeiten nicht gelöst werden. Weiterhin lassen sich mit den gewonnenen Erkenntnissen allgemeine Optimierungen durchführen, z.B. hinsichtlich Miniaturisierung oder Erhöhung der Dynamik der Sensorik.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Adaptronische Schwingungsdämpfung in Präzisionsmaschinen. In: Neue Sensoren und Aktoren für produktionstechnische Anwendungen. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2, Fertigungstechnik, VDI-Verlag 2004
Hafla, A., Pritschow, G.
- Reducing mechanical oscillations by improved measurement of position, speed and acceleration in electrical drive control. ISMA, Leuven, 2004
Kirchberger, R.; Lehner, W-D.; Hafla, A.
- Potenziale der modellbasierten Regelungstechnik in der industriellen Steuerungstechnik von Werkzeugmaschinen und Robotern. Fertigungstechnisches Kolloquium Stuttgart 2008, Tagungsband S.29-76, 10.-11.09.2008
Verl, A.; Sawodny, O.; Hafla, A.; Dietmair, A.
