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Projekt
Echtzeitfähige Methoden für die Regelung
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Martin Mönnigmann
Fachliche Zuordnung
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512940050
Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung und Umsetzung der grundlegenden Methoden zur Regelung des Auftragprozesses der Schweißnaht beim Laserauftragschweißen. Die beiden großen Herausforderungen sind dabei die Gewährleistung der Schweißnaht-Geometrie bei der Freiformfertigung und die gleichzeitige Regelung grundlegender Materialeigenschaften der Schweißnaht. Die gewünschten Materialeigenschaften sollen erzielt werden, indem das Abkühlverhalten des aufgetragenen Materials in einer Mehrgrößenregelung simultan zu den Größen, die die Schweißnahtgeometrie bestimmen, kontrolliert wird. Im Projekt wird zunächst ein bestehendes nichtlineares dynamisches Mehrgrößenmodell so weiterentwickelt, dass es die Zielgrößen einerseits verlässlich beschreibt und andererseits für einen echtzeitfähigen Einsatz mit Abtastzeiten im Bereich von 5-10ms geeignet ist. Auf der Basis dieses Modells werden anschließend ein Zustandsbeobachter in Form eines nichtlinearen Kalmanfilters und eine prädiktive Regelung entwickelt. Mit Hilfe des Kalmanfilters können Sensordaten der multimodalen Messtechnik fusioniert werden, die im zur Verwendung kommenden, bereits existierenden Großgerät verfügbar ist. Mit der prädiktiven Regelung können untere und obere Schranken an die Abkühlrate berücksichtigt werden, um die gewünschte Kornstruktur bzw. die gewünschte Erstarrungsreihenfolge zu erzielen. Dieses Vorgehen ist sehr vorteilhaft, weil es die Flexibilität gegenüber fixen Sollwerten erhöht und zudem die Beschreibung mit Intervallen der Abkühlrate statt scharfen Werten den physikalischen Gegebenheiten besser entspricht. Aus aktuellen experimentellen Arbeiten ist bekannt, dass die Regelung für ebene Schmelzbäder auch für die nicht-ebene Fertigung (bis hin zur Fertigung "über Kopf") geeignet ist, wenn Fertigungsparameter wie Vorschub und Materialzufuhr winkelabhängig angepasst werden. Zur Regelung sollen daher aus Messreihen datenbasierte Funktionen gelernt werden, die Verkippungen der Grundfläche und des Laserkopfes auf geeignete Schranken an die Prozessparameter (Vorschub, Materialzufuhr, Laserleistung) abbilden. Diese Schranken können wiederum zwanglos in die prädiktive Regelung aufgenommen werden. Zur technischen Umsetzung ist ein eingebettetes System vorgesehen, dessen Kern ein Industrie-PC mit einem echtzeitfähigen Betriebssystem ist. Die Echtzeitfähigkeit des Mehrgrößenmodells, die für den Einsatz zur Sensordatenfusion und im prädiktiven Regler erfolgskritisch ist, wird dabei zum einen durch den Einsatz von analytischen oder halbanalytischen Lösungen der Wärmeleitungsgleichung sichergestellt. Zum anderen ist absehbar, dass eine Reihe von Techniken (z.B. Move Blocking, Constraint Removal) zur Beschleunigung des prädiktiven Reglers umgesetzt werden müssen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
