Modellprädiktive Regelungsstrukturen für hochpräzise Zahnstange-Ritzel-Antriebssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556052806

Die Fertigungsqualität und Dynamik von Produktionsanlagen werden maßgeblich durch das verwendete Vorschubantriebssystem bestimmt. Für Maschinen mit langen Verfahrwegen werden bevorzugt Zahnstange-Ritzel-Antriebe (ZRA) verwendet. Um die negativen Auswirkungen des Umkehrspiels zwischen Zahnstange und Ritzel zu kompensieren, werden häufig elektrisch verspannte Antriebe verbaut. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an die erreichbare Bahngenauigkeit und Vorschubdynamik stößt die bisher verwendete kaskadierte Regelkreisstruktur bestehend aus Strom-, Drehzahl- und Lageregelung zunehmend an ihre dynamischen Grenzen. Alternative Regelungsverfahren stellen eine Möglichkeit dar, das Führungs- und Störverhalten ganzheitlich zu verbessern. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll untersucht werden, welches Potenzial die modellprädiktive Regelung für elektrisch verspannte ZRA gegenüber der in der Industrie etablierten Kaskadenregelung aufweist. Dazu sollen verschiedene modellprädiktive Regelungsstrukturen eingesetzt und die jeweilige Regelgüte bewertet werden. Für die Regelung eines elektrisch verspannten ZRAs werden drei Strukturen betrachtet. Bei einer Struktur wird der P-Lageregler durch einen MPC substituiert. Eine weitere Struktur ersetzt den unterlagerten PI-Drehzahlregler durch einen MPC und behält den P-Lageregler bei. Eine dritte Struktur besteht darin, beide Regelkreise (P-Lageregler und PI-Drehzahlregler) durch einen MPC zu substituieren. Durchgeführte Vorarbeiten haben das Potenzial einer modellprädiktiven Regelung an Kugelgewindetrieben aufgezeigt, jedoch wurde bisher nicht untersucht, inwiefern die ZRA spezifischen Eigenschaften der Regelstrecke (Umkehrspiel, Gleichlauf, Verspannung) sich auf das Potenzial bezüglich einer Verbesserung des dynamischen Verhaltens (Führungs- und Störverhalten) von MPCs auswirken. Die betrachteten Strukturen werden zunächst grundlegend in einem Simulationsmodell unter Berücksichtigung der Prädiktionsmodelle, der Kostenfunktion und der Reglereinstellung untersucht. Anschließend soll der erarbeitete, für ZRA neuartige Regelungsansatz und die Methodik an einem Versuchsstand implementiert und validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Armin Lechler