antriebstechnik 4/2017

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
02 Grundidee der Umkehrspiel-Kompensation durch Erfassung
der Beschleunigung am Maschinentisch
01 Komponenten und mechanischer Aufbau des Versuchsstands
03 Aufbau des Zahnstange-Ritzel-Antriebs
untersucht das ISW die Möglichkeit die negativen Einflüsse aufgrund
des Umkehrspiels und der im ZRA-System vorliegenden nichtlinearen
Reibungseffekte durch Verwendung eines zusätzlichen Beschleunigungssensors
am Maschinentisch zu beseitigen. In diesem
Kontext soll das Beschleunigungssignal auf Basis von kostengünstigen
und einfach integrierbaren Sensoren erfasst und zur Kompensation
ausgenutzt werden. Bild 02 zeigt schematisch das Konzept, das
dafür eingesetzt wird: Die gängige Kaskaden-Reglerstruktur wird um
einen Kompensationsterm erweitert, wodurch die Einfachheit des
Regelungssystems beibehalten wird. Der Kompensationsregler erhält
neben der Information über die aktuelle Winkelstellung vom
Drehgeber des Antriebsmotors zusätzlich das Signal des Beschleunigungssensors.
Dadurch ist es möglich die tatsächliche Vorschubbewegung
zu identifizieren. Durch den Vergleich von Tisch- und Motorbeschleunigung
lässt sich das Umkehrspiel in den mechanischen
Übertragungselementen detektieren und ein entsprechendes Kompensationssignal
generieren, welches letztlich vom Antrieb umgesetzt
wird. Die Ergebnisse lassen sich durch Vergleiche mit dem vorhandenen
direkt messenden Linearmesssystem evaluieren.
MEMS-Beschleunigungssensor
Zur Erfassung der Tischbeschleunigung kommen kostengünstige Sensoren
zum Einsatz, um den Kostenvorteil gegenüber KGTs und Lineardirektantrieben
(LDA) nicht negativ zu beeinflussen. Aufgrund des
mechanischen Aufbaus von ZRA ist der Antrieb auf dem Maschinentisch
angebracht und bewegt sich mit diesem relativ zur feststehenden
Zahnstange wie in Bild 03 gezeigt. Dies ermöglicht es, den Sensor einfach
am Maschinentisch oder auch am Antriebsmotor zu applizieren.
Als kostengünstige Sensoren kommen bei den Untersuchungen
sogenannte Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) zum Einsatz.
Dies ist ein Überbegriff für Baugruppen, deren Komponenten
im Mikrometerbereich liegen und als System zusammenwirken. Dadurch
weisen sie eine hohe Integrationsdichte und somit sehr kleine
Chip-Abmessungen auf. Ausgeführt als Feder-Masse-Systeme sind
sie als Beschleunigungssensoren in Mobiltelefonen und in der Automobil-Industrie
verbreitet. Die Federn der Sensoren sind nur wenige
μm-breite Silizium-Stege. Die eingesetzte Masse zur Auslenkung der
Federn sind ebenso aus Silizium hergestellt. Die Beschleunigung wird
dann anhand der Auslenkung zwischen der gefedert aufgehängten
Masse und einer festen Bezugselektrode ermittelt. Dazu wird die
Änderung der elektrischen Kapazität aufgrund der Auslenkung gemessen
und in eine äquivalente Beschleunigung umgewandelt. Die
dabei entstehende Kapazitätsänderung beträgt oftmals nur wenige
pF und erfordert es, die Elektronik zur Auswertung bzw. Beschleunigungsermittlung
direkt auf demselben Chip zu integrieren. Diese
Anforderung vergrößert den Bauraum jedoch kaum, weshalb MEMS-
Beschleunigungssensoren dennoch sehr kleine Abmessungen vorweisen
können. Die Vorteile, die sich aber daraus ergeben, gestalten
den Einsatz von MEMS-Beschleunigungssensoren äußerst vorteilhaft.
So kann neben dem geringen Bauraum auch eine hohe Zuverlässigkeit
und ein minimaler Energieverbrauch sichergestellt werden.
Größter Vorteil sind jedoch die geringen Stückkosten von nur
wenigen Euro. Diese Randbedingungen machen MEMS-Sensoren
äußerst interessant für einen industriellen Einsatz an ZRA zur Kompensation
des Umkehrspiels. Jedoch haben sie auch Nachteile: Aufgrund
des Messprinzips liegt bei MEMS-Sensoren nur eine begrenzte
erreichbare Messgenauigkeit vor. Ebenso ist das Messverfahren temperaturabhängig,
wodurch es zur Drift kommt. [5] Diese Nachteile
zu kompensieren und MEMS-Sensoren in robustem und industriellem
Umfeld einzusetzen, stellt eine der Herausforderungen innerhalb
der Forschungsprojekte dar.
Literaturverzeichnis:
[1] Altintas, Y.; Verl, A.; Brecher, C.; Uriarte, L.; Pritschow, G.: Machine tool feed
drives. In: CIRP Annals – Manufacturing Technology 60 (2011) S. 779 – 796.
[2] Márton, L.; Lantos, B.: Control of mechanical systems with Stribeck friction
and backlash. In: Systems & Control Letters 58 (2009) S. 141-147.
[3] Arndt, H.: Vorschubachsen für große Werkzeugmaschinen – Entscheidungskriterien
zur Auslegung und zur Auswahl des Bewegungsprinzips. Abschlußbericht
Forschungspraktikum T1/99, TU Dresden, 2001.
[4] Engelberth, T.; Apprich, S.; Friedrich, J.; Coupek, D.; Lechler, A.: Properties of
electrically preloaded rack-and-pinion drives. In: Production Engineering,
Production Engineering. Bd. 9 (2015), Nr. 2, S. 269–276.
[5] Dong, Y.; Zwahlen, P.; Nguyen, A.M.; Frosio, R.; Rudolf,F.: Ultra-High Precision
MEMS Accelerometer, Solid-State Sensors. In: Actuators and Microsystems
Conference, Beijing China, 5.-9. Juni, 2011.
Danksagung
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
für die Förderung des Forschungsvorhabens VE 454/54-1.
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