antriebstechnik 9/2018

Geschwindigkeit [m/s]
Beschleunigung [m/s 2 ]
Schleppfehler [m]
|P1 (f)|
VORSCHUBANTRIEBE
01
Schematischer Aufbau eines Vorschubantriebs mit
Impulsaktor
02
Versuchsaufbau zur Verifikation
X Aktor,rel
F LDA
X LDA
F Aktor
m impuls
m tisch
Maschinenbett
03
Resultierendes Bewegungsprofil des Vorschubantriebs
04
Schwingungsanregung am Gestell
Bewegungsgrößen Vorschubantrieb
0.5
0
Impulsaktor inaktiv
Impulsaktor aktiv
0.25
Spektrum Beschleunigungsmessung Gestell
Impulsaktor inaktiv
Impulsaktor aktiv
–0.5
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
500
300
100
–100
–300
–500
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
x10 –3
2
0.2
0.15
0.1
0.05
0
–2
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
Zeit [s]
0
10 0 10 1 10 2 10 3
Frequenz (Hz)
bruch der Bahngeschwindigkeit wirkt sich jedoch häufig negativ auf
die Prozessqualität aus.
Neues Konzept für Vorschubantriebe
Zielsetzung eines derzeit am ISW untersuchten Verfahrens ist es,
unstetigen Profilen besser zu folgen. Für die hierzu notwendigen
sprungförmigen Geschwindigkeitsänderungen wird das physikalische
Prinzip der Impulsübertragung mittels eines Zusatzaktors für
Vorschubantriebe umgesetzt. Bild 01 stellt das Konzept schematisch
dar: Eine separat angetriebene, träge Zusatzmasse, welche
relativ zum Maschinentisch montiert ist, überträgt ihre Bewegungsenergie
mittels Stößen auf eine oder mehrere Vorschubachsen.
Daraus resultieren, äquivalent zu einem sehr hohen Beschleunigungsvermögen,
maximale Bahntreue und konstante Bahngeschwindigkeit.
Wesentliche Herausforderungen bilden die Auslegung
des Impulsaktors sowie die steuerungstechnische Kopplung
von Grundantrieb und Aktor.
Für die praktische Evaluation des Konzepts wurde ein Vorschubantrieb
mit Lineardirektantrieb, wie in Bild 02 dargestellt, erweitert.
Der Impulsaktor wird hier am Tisch möglichst nahe des
Schwerpunkts angebracht. Wesentliche Komponenten sind der
Antrieb durch eine Tauchspule sowie beidseitige gehärtete Kontaktflächen
zur Stoßübertragung. Ein vorberechnetes Profil für die
Bewegung der Impulsmasse stellt sicher, dass zu definierten Zeitpunkten
ein Stoß auf den Tisch mit, zu den Massenverhältnissen
passender Geschwindigkeit, erfolgt. Hiermit ist auch eine mehrfache
Geschwindigkeitsänderung der Achse möglich. Die resultierende
Geschwindigkeit am Tisch kann mittels des Impulserhaltungssatzes
gesteuert werden.
Messtechnische Bewertung
Anhand eines treppenförmigen Geschwindigkeitsprofils, (Bild 03
oben), lassen die Auswirkungen auf die Bewegungsgrößen beurteilen.
Ohne Aktivierung des Aktors (rot) werden die maximalen Beschleunigungen
(Mitte) durch den Grundantrieb limitiert und es stellen
sich unvermeidliche Schleppfehler (unten) an den Übergängen ein.
Mit Impulsaktor (grün) fällt der Schleppfehler um eine Größenordnung
kleiner aus. Gleichzeitig wachsen die effektive Beschleunigung
der Achse und damit die Steilheit des Geschwindigkeitsprofils stark an.
Einen weiteren Vorteil stellt die reduzierte Anregung der Maschinenstruktur
dar. Ohne Impulsaktor müssen die Beschleunigungskräfte
vom Gestell aufgenommen werden, welches dadurch entsprechend
seiner Eigenfrequenzen in Schwingung gerät. Mit aktiviertem
Impulsaktor wird für die kurzzeitige Beschleunigung die
Bewegungsenergie der Impulsmasse genutzt. Da der Grundantrieb
entsprechend entlastet wird, treten deutlich kleinere Reaktionskräfte
auf und die Anregung der Struktur wird reduziert. Dies lässt
sich auch am Spektrum einer Beschleunigungsmessung (Bild 04)
zeigen. Ohne Impulseintrag ist die mechanische Eigenfrequenz
deutlich erkennbar, mit aktivem Aktor reduziert sich die kritische
Anregung im Bereich der ersten Eigenfrequenz signifikant.
Ausblick
Weitergehende Untersuchungen im Rahmen eines laufenden Forschungsvorhabens
befassen sich u. a. mit der Optimierung der Kontaktflächen
zur Stoßübertragung, der Umsetzung für Mehrachssysteme
sowie der optimierten Ansteuerung und Evaluation im
Rahmen realer Prozesse.
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