antriebstechnik 3/2018

LINEARTECHNIK
systems aufgrund ihrer Nichtlinearität. Um den Forderungen moderner
Produktionsanlagen gerecht zu werden, ist eine Reduzierung
der Umkehrspanne notwendig. Durch das Verspannen zweier
parallel angeordneter Ritzel kann die Umkehrspanne im Antriebsstrang
eliminiert werden. Die Literatur nennt verschiedene mechanische
und elektrische Ansätze zur Erzeugung der Verspannung
[1–3, 6–9]. Der Einfluss der Verspannung auf die Umkehrspanne,
die Reibung sowie die statische und dynamische Steifigkeit wurde
bereits eingehend betrachtet [10] und wird in diesem Artikel nicht
weiter vertieft.
In den folgenden Kapiteln wird aufgezeigt, welche Positioniergenauigkeiten
und Steifigkeitseigenschaften mit einem einzelnen
ZRA der Firma Wittenstein Alpha GmbH erreicht werden können.
Zudem werden Maßnahmen zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit
genannt und experimentell validiert. Des Weiteren
wird ein Vergleich zum elektrisch verspannten ZRA vorgenommen
und ein Ausblick auf aktuelle Forschungsarbeiten zur Anpassung
der Verspannung während des Betriebs und zur Steigerung der
Bahngenauigkeit gegeben.
Versuchsaufbau
Die in diesem Artikel vorgestellten Untersuchungen wurden an
dem in Bild 01 dargestellten Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des
ISW der Universität Stuttgart durchgeführt.
Der Maschinentisch des Versuchsstands hat eine Gesamtmasse
von 420 kg und wird von zwei parallel angeordneten, elektrisch
verspannten ZRA angetrieben. Zusätzlich steht ein LDA zur Verfügung,
über den Störkräfte aufgebracht werden können. Der
Verfahrweg beträgt 2,7 m. Die Position des Maschinentischs wird
über die vier in der Abbildung gezeigten direkten Messsysteme
erfasst. Es sind jeweils zwei Messsysteme unterschiedlicher Hersteller
entlang der gleichen Achse montiert, sodass die Messwerte
validiert werden können. Die Rotation der Motoren wird über die
Motorencoder gemessen. Die eingesetzten Komponenten sind in
Tabelle 01 zusammengefasst.
Die elektrische Verspannung zwischen den beiden Motoren wird
anhand der in Bild 02 dargestellten Regelungsstruktur erzeugt.
Diese in industriellen Steuerungen bzw. Antriebsverstärkern etablierte
Struktur wird als Momentenausgleichsregelung bezeichnet.
Beide Motoren werden jeweils über einen Standard-Kaskadenregler
geregelt. Die Verspannung wird im Drehzahlregelkreis generiert,
indem ein Drehzahloffset v V
in Abhängigkeit von der aktuellen Differenz
der Drehmomentsollwerte M 1,soll
und M 2,soll
und dem geforderten
Verspannungsmoment M V
erzeugt wird. Anhand des Drehzahloffsets
v V
wird der vom Lageregler erzeugte Drehzahlsollwert
v soll
modifiziert, sodass die Verspannung zwischen den beiden Motoren
aufrechterhalten bleibt.
Werden die so erzeugten Momente M 1
und M 2
der einzelnen
Motoren über dem geforderten Gesamt-Sollmoment M soll
aufgetragen,
so ergibt sich das in Bild 03 dargestellte Diagramm der
elektrischen Verspannung. Es ist zu erkennen, dass das geforderte
Verspannungsmoment M V
eine Verschiebung der Kennlinien M 1
und M 2
in positive bzw. negative Richtung der y-Achse verursacht,
sodass die Verspannung über den gesamten Betriebsbereich konstant
bleibt. Das maximal erreichbare Gesamtmoment M ges,max
ergibt
sich anhand von Gl. (1). Es wird durch das Verspannungsmoment
M V
reduziert.
01
1
2
3
02
01
2
1
6
4
3
5 5
ZRA1
ZRA2
LDA
Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des ISW der Universität
Stuttgart
4
5
6
6
Zahnstange
Linearführung mit integriertem Messsystem
Interferometer
1
2
4
5
3
6 6
Regelungsstruktur zur Erzeugung der elektrischen
Verspannung
Verbaute Komponenten
Aktorik 2x Synchronmotoren Siemens 1FT7086
(ZRA1, ZRA2)
Direktantrieb (LDA) Siemens 1FN3300
Mechanik Getriebe Wittenstein Alpha RP040S
Ritzel
Wittenstein Alpha RMT400
Zahnstange
Wittenstein Alpha ZST400
Sensorik 2x magnetoresistive Schneeberger AMSABS 3B
Linearmesssysteme
2x Interferometer Attocube IDS3010
2x Drive-Cliq-
Motor geber
Siemens AM24
5
antriebstechnik 3/2018 53