antriebstechnik 9/2018

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Temperatur in °C Temperatur in °C
36
32
28
24
36
32
28
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Simulations- und Messergebnisse der Temperaturentwicklung
im Vergleich für den Fertigungsprozess
Aktuelle Struktur
Elektr. Schaltschrank
Neue Kühlsystemstrukturen für Werkzeugmaschinen
36
32
28
24
0 275 550 825 1100 0 275 550 825 1100
Zeit in s
Zeit in s
Motorspindel
24
24
0 275 550 825 1100 0 275 550 825 1100
Zeit in s
Zeit in s
Eingangstemperatur Messung
Ausgangstemperatur Messung
Tanktemperatur Messung
Temperatur in °C
Temperatur in °C
36
32
28
KAG ein
Drehtisch
Tank
KAG aus
KAG ein
Eingangstemperatur Simulation
Ausgangstemperatur Simulation
Tanktemperatur Simulation
Struktur 1 Struktur 2 Struktur 3
nenten: dem Schaltschrank, dem Rundtisch und der Motorspindel.
Trotz einer zentralen, variablen Antriebseinheit werden die Komponenten
mithilfe der Proportionalventile einzeln gekühlt. Die
Steuerung des Kühlsystems vergleicht die Ist- und Solltemperatur
der zu kühlenden Komponente und stellt auf dieser Basis die Proportionalventile
sowie die zentral geregelte Antriebseinheit ein.
Jede Komponente wird mit einem anderen bedarfsgerechten Kühlvolumenstrom
versorgt. Wenn die Temperaturentwicklung in der
Komponente nicht die vordefinierte Grenze überschreitet, bleibt
das zugehörige Ventil inaktiv. Das Temperatursignal TIST entspricht
der mittleren Komponententemperatur. Die Erfassung erfolgt
über Temperatursensoren in den Komponenten. Hierfür bedarf
es eines geeigneten Konzeptes zur Sensorintegration.
Weiterhin wird ein mittlerer äquivalenter Wärmestrom aus den
berechneten Wärmeströmen im Leerlaufprozess für jede einzelne
Komponente ermittelt und im Modell hinterlegt, dies sind 1 500 W
für die Hauptspindel und jeweils 150 W für den Schaltschrank und
den Drehtisch. Darüber hinaus wird das Verhalten des Kühlsystems
in der Simulation als stationär betrachtet, sodass die Wärmekapazität
der Bauteile vernachlässigt werden kann. Im entwickelten Simulationsmodell
werden für die Komponenten bspw. drei unterschiedliche
Solltemperaturen definiert, 26 °C für den elektrischen
Schaltschrank, 27 °C für den Drehtisch und 28 °C für die Hauptspindel.
Diese Individualisierung der Solltemperatur ist in der aktuellen
Systemstruktur nicht möglich. Die zu kühlenden Komponenten,
wie bereits erwähnt, werden in den festgelegten Temperaturbereich
des Kühlaggregates gekühlt.
Außerdem wird die Systemeintrittstemperatur auf der Saugseite
der Pumpe in der Simulation mit 25 °C berücksichtigt. Das Kühlaggregat
verbleibt in der Zwei-Punkt-Temperaturregelung als Bypass-
Kühlung und referenziert auf die Mischtemperatur des Kühlmittels
am Auslass aller Komponenten. Der Volumenstrom durch ein Proportionalventil
kann nach folgender Formel berechnet werden:
Konstante Antriebseinheit Zentral geregelte Antriebseinheit
mit konstanten Stromventilen mit Proportionalventilen
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T Soll
Maschinensteuerung
Kaltes Fluid Warmes Fluid Gemischtes Fluid mit vordefinierter Temperatur
Regelungsstrategie der Struktur 1
Schaltschrank
.
Q E
Dezentralisierte, geregelte
Antriebseinheit ohne
Stromventile
Drehtisch
.
Q T
Dezentralisierte, geregelte
Antriebseinheit, Tanks
und Kühlaggregate
Hauptspindel
.
Q MS
Bezogen auf die Regelstrategie in Bild 14 ist zu erkennen, dass die
betrachtete Kühlsystemstruktur drei Regelgrößen (Komponententemperaturen)
und vier Stellglieder (drei Proportionalventile
und eine variable Pumpe) aufweist. Das macht das System mit
einem aktuellen Konzept überbestimmt. Um dieses Problem zu
lösen, können drei Ansätze berücksichtigt werden [15]:
n Definition einer Zwangsbedingung
n Entfernen eines Stellgliedes aus dem aktiven Regelkreis
n Definition einer zusätzlichen Regelgröße
Die Gl. 16 und 17 zeigen die Abhängigkeit der einzelnen Volumenströme
von den Komponenten. Aufgrund dieser Zusammenhänge
der einzelnen Kühlkreisläufe handelt es sich um ein sogenanntes
Multiple-Input-Multiple-Output-System (MIMO-System) mit Kreuzkupplungen.
Dies bedeutet, dass ein Stellglied gleichzeitig mehrere
Stellgrößen beeinflusst.
M
Sensorsignal
Steuersignal
Pumpe
T IST
.
Q KAG
Thermische Verbindung
Hydraulische Verbindung
Wärmeeintrag/-austrag
Thermischer Widerstand
Wärmekapazität
Hydraulische Kapazität
Verstellb. Drosselventil
Tank
Struktur 2
Die zweite Optimierungsstruktur, Bild 15, der betrachteten Kühlsystemstrukturen
ist eine dezentralisierte mit drehzahlgeregelten
Antriebseinheiten ohne Stromregelventile. Die Versorgung der
Komponenten erfolgt mit individuellen Antriebseinheiten und mit
gemeinsamem Tank und Kühlaggregat. Es bedarf keiner Stromregelventile
zur Parallelisierung des Volumenstroms.
102 antriebstechnik 9/2018