01Maschinen rungsmagnetpaars wirken, genügt die Verwendung der vier unteren Magnete. Dadurch halbiert sich der steuerungstechnische Aufwand. Da die Kraft F PM permanent vorhanden ist (bestromt und unbestromt), führt diese zur Anziehung des Schlittens zum Fanglager. Die Fanglager wirken in diesem Fall wie eine Motorbremse und verhindern unkontrollierte Bewegungen des Schlittens. Zum Schweben des Schlittens müssen die vier unteren Führungsmagnete die statische Anziehungskraft F PM = 4280 N des SPMPM und die Gewichtskraft FG = 1600 N in Höhe von insgesamt 5880 N erzeugen können. Die für das MPS ausgelegten Magnete erreichen im Nennluftspalt von 300 μm zusammen eine maximale Dauerkraft von 12,8 kN. Abzüglich der Anziehungskraft und der Gewichtskraft resultiert eine maximale Tragfähigkeit des MPS von 6920 N. Positionierverhalten des MPS Nach der Inbetriebnahme der Magnetführung wurde die zweiseitige Positioniergenauigkeit der Y-Achse nach ISO 230 mit Hilfe eines Renishaw Laserinterferometer ML10 bestimmt. Dazu wurden elf Messpunkte fünfmal aus negativer und fünfmal aus positiver Richtung angefahren. Die Positioniergenauigkeit A beträgt 1,14 μm. Die Wiederholpräzision R liegt mit 0,37 μm im Bereich der Messauflösung der Luftspaltsensoren. Die systematische Positionsabweichung E = 0,78 μm ist eine positionsabhängige Größe und kann daher z. B. durch eine Look-Up-Tabelle kompensiert werden. Dadurch kann eine Positioniergenauigkeit von unter 1 μm realisiert werden. Neben der Positioniergenauigkeit ist das Führungsrauschen bei einer Magnetführung eine entschei- Abbildung 2: Kräfte am Schlitten in Y-Richtung Die Regelung und Steuerung des Gesamtsystems wurde mithilfe der Software Twincat 3 der Firma Beckhoff auf einem Industrie-PC umgesetzt. Die X- und Z-Achse werden mit der mitgelieferten Kaskadenregelung geregelt. Zur Regelung der Magnetführung werden die insgesamt acht gemessenen Luftspalthöhen δ mit Hilfe einer Jacobi-Matrix in die drei generalisierten Koordinaten Y, A und C umgerechnet. Diese drei Freiheitsgrade werden durch PID-Regler getrennt voneinander geregelt. Die Regler sind als Matlab Simulink Modelle in Twincat 3 Implementiert. Da es sich bei der Magnetführung um ein instabiles System handelt, wurde für die Inbetriebnahme der Magnetführung zunächst ein Simulationsmodell der gesamten Regelstrecke in Matlab Simulink umgesetzt. Darauf aufbauend wurden die Regelparameter der einzelnen PID-Regler ausgelegt und schließlich im Twincat 3 System implementiert. dende Größe, da diese einen großen Einfluss auf die Oberflächenqualität des Werkstückes hat. Im oberen Teil der Abbildung 3 ist das Führungsrauschen der Y-Achse im Vergleich zu den Simulationsergebnissen über der Zeit dargestellt. Das qualitative Verhalten der beiden Verläufe ist vergleichbar. Durch unregelmäßige Störeinflüsse, die in der Simulation nicht abgebildet werden können, reagiert das reale System vereinzelt mit Abweichungen vom Sollwert. Dadurch ist das Signalrauschen, das anhand der Standardabweichung des Positionsverlaufes berechnet werden kann, beim Prüfstandes mit σ P = 0,404 μm etwas größer als bei der Simulation mit σ S = 0,21 μm. 40 Juli/August 2018
Um das Verhalten der Führung auf Störeinflüsse zu untersuchen, wurde in Abbildung 3 unten das Auslenken der Führung bei einem Störkraftsprung von 1 kN über der Zeit gezeigt. Der Störkraftsprung wird sowohl in der Simulation, als auch beim realen System in der Regelung der Y-Achse als zusätzlicher Kraftsollwert F L aufgeschaltet. Es ist zu sehen, dass das reale Verhalten sich nahezu mit dem Verhalten der Simulation deckt. Dies zeigt, dass die Simulation valide ist und für weitere Untersuchungen verwendet werden kann. Weiterhin ist zu sehen, dass die Führung bei einer Störkraft von 1 kN im Vergleich zu herkömmlichen Führungen kurzzeitig deutlich ausgelenkt wird. Allerdings wird die Störkraft sehr schnell vollständig ausgeregelt, so dass die Führung im Rahmen der maximalen Stellkräfte eine unendliche statische Steifigkeit aufweist. Fazit und Ausblick In dem Artikel wurde ein magnetisch geführtes, direkt angetriebenes Mehrkoordinaten-Positioniersystem vorgestellt. Durch die Verbindung des direkten planaren Antriebs mit der magnetischen Führung konnten die positiven Eigenschaften beider Systeme erstmalig vereint werden. Hierdurch verfügt das System über Verschleißfreiheit, Reibungs- und Geräuscharmut, eine sehr hohe statische Lagersteifigkeit sowie die Möglichkeit zur Beeinflussung und Messung der Lagerkräfte während des Betriebs, eine kompakte Bauweise und die Erhöhung der Dynamik durch die direkte Krafterzeugung in zwei Achsrichtungen mit nur einem Antrieb. Die Y-Achse des MPS erreicht derzeit eine Positioniergenauigkeit nach ISO 230-2 von A = 1,14 μm. Die systematische Positionsabweichung beträgt E = 0,78 μm. Zur Optimierung des Positionsverhaltens wird die systematische Positionsabweichung in Zukunft durch eine Look-Up-Tabelle kompensiert, so dass eine Positioniergenauigkeit von deutlich unter einem Mikrometer erreicht wird. So ist der Einsatz dieses Systems in der Präzisionsfertigung möglich. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Magnetführung eine Störkraft von 1 kN stationär vollständig ausgleicht und somit im Bereich der maximalen Stellkräfte statisch unendlich steif ist. Durch die Verwendung erweiterter Regelungskonzepte, wie z. B. eines -Reglers soll das Auslenken im weiteren Verlauf des Projektes reduziert werden. Außerdem werden die Motorachsen X und Z in Betrieb genommen, um eine vollständige Positionierung in fünf Achsen zu ermöglichen. Danksagung Das Forschungsprojekt DE 447/126-1 mit dem Titel „Grundlagen eines Mehrkoordinaten-Positioniersystems für spanende Werkzeugmaschinen“ wird mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Das IFW bedankt sich für die finanzielle Unterstützung in diesem Projekt. Autorenbiographie Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Dr.-Ing. Benjamin Bergmann ist Leiter des Bereiches Maschinen und Steuerungen des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Dipl.-Ing. Jonathan Fuchs studierte Elektrotechnik an der Leibniz Universität Hannover und ist seit 2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Maschinen und Steuerung am IFW. ■ IFW – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover www.ifw.uni-hannover.de Abbildung 3: Führungsrauschen (oben) und Störkraftsprung der Y-Achse (unten) Juli/August 2018 41
