Grundlagen für den effizienten Einsatz mehrachsig interpolierender Servoantriebe in Verarbeitungsmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Verarbeitungsmaschinen dienen der automatisierten Produktion von Massenbedarfsgütern. Dabei wird aus wirtschaftlicher Sicht eine stetige Erhöhung der Produktausbringung bei gleichzeitiger Individualisierung der Produktion gefordert. Der Individualisierung wird oft Rechnung getragen durch den Einsatz von Servoantrieben, mit denen Bewegungsvorgaben flexibel – auch im laufenden Betrieb – angepasst werden können (elektronische Kurvenscheibe). Die Produktausbringung kann gesteigert werden durch Erhöhung der Arbeitstaktrate, mit der die Güter produziert werden. Dabei treten in der Praxis häufig Probleme auf, die sich z. B. in Prozessinstabilitäten, Fundamentschwingungen, Lärm, erhöhtem Energieverbrauch oder sinkender Produktqualität äußern. Die Arbeitstaktratensteigerung ist dadurch begrenzt. Im Projekt wird ein dreiteiliger Lösungsansatz verfolgt. Es basiert (1) auf einem neuen Ansatz zur Bewegungsoptimierung, bei dem mit erweiterten Verhaltensmodellen die begrenzenden Effekte simuliert und optimiert werden können. Damit werden für (2) ausgewählte Taktraten Bewegungsvorgaben optimiert, wobei gezielt geometrische wie auch zeitliche Kenngrößen der Bewegungsvorgaben beeinflusst werden können. Die Ausführung dieser taktratenabhängigen Bewegungsvorgaben erfolgt (3) mit einem speziellen Steuerungsansatz. Mit diesem Ansatz wird die Arbeitstaktratenbegrenzung verschoben und die Produktivität erhöht werden. In der letzten Projektphase wurden von LWM im Arbeitspunkt B.1 Ansätze zur Steigerung der Effizienz der offline-Bewegungsaufbereitung untersucht. Es wurden zuerst einsetzbare Algorithmen betrachtet und bewertet. Weiterhin wurde der Einfluss der kinematischen Transformationen auf die Effizienz untersucht und ein Ansatz zur Reduktion des Berechnungsaufwandes hergeleitet. Im Rahmen von B.2 wurden alle für die Projektdurchführung notwendigen steuerungstechnischen Erweiterung integriert und betreut. Das Projekt schloss mit einem erfolgreichen Funktionsnachweis und der Demonstration aller drei beantragten Prozessklassen. Zusätzlich zu den beantragten Punkten wurde ein adaptives Interpolationsverfahren entwickelt, welches eine Erweiterung des bisher verfolgten einfachen Ansatzes darstellt. Es birgt erhebliche Vorteile bei der Anwendung auf der Prozessklasse Fluidtransport. Neben der verbesserten Qualität der Bewegung für den Prozess konnten im Beispiel 33% Berechnungsaufwand eingespart werden. Ein zweiter nicht beantragter Arbeitsanteil, der jedoch maßgeblich für zum Gelingen des Projekts beigetragen hat, war die mit der Steuerung synchronisierten Vermessung des Versuchsstandes mithilfe der Methoden der Photogrammetrie. Durch die Kombination von Bildmessung und Messung steuerungsinterner Werte konnte ein deutlicher Mehrwert im Vergleich zur Nutzung der Einzelmessungen generiert werden. Während der Projektbearbeitung wurden Methoden und Werkzeuge zur photogrammetrischen Bildauswertung angewendet, die im Rahmen eines anderen DFG-Projektes am LWM „Optische Posemessung“ entwickelt wurden. Von VAT wurden hierbei in den ersten beiden Projektphase nötige Grundlagen zur Bewegungsoptimierung geschaffen und grundlegende Arbeiten zur Prozessmodellierung unter Berücksichtigung der veränderlichen Taktrate durchgeführt und der Nachweis des Erfolges dieses Ansatzes für das erste Prozessbeispiel Stückguttransport gebracht. In der letzten Projektphase wurden diese Erkenntnisse und Ergebnisse genutzt und die allgemeine Anwendbarkeit an zwei weiteren Prozessbeispielen demonstriert. Es hat sich herausgestellt, dass das gemeinsam von LWM und VAT entwickelte Vorgehen in allen drei untersuchten Prozessbeispielen zum Erfolg geführt hat und vergleichbare Ergebnisse erzielt werden konnten. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dem verfolgten Ansatz die Arbeitstaktraten an Verarbeitungsmaschinen deutlich erhöht und die Fenster, in denen die Prozesse stabil laufen, deutlich vergrößert werden können. Mit der Übertragung auf und dem Funktionsnachweis an mehreren Prozessklassen wurde die Verallgemeinerbarkeit des Lösungsansatzes nachgewiesen. Das Vorhabensziel wurde erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gestaltungsaspekte des prozessorientierten Bewegungsdesigns am Beispiel des intermittierenden Stückguttransports. In: VDI-Berichte 2331 zur 19. VDI-Getriebetagung Bewegungstechnik in Karlsruhe. S. 67 – 80. ISBN: 978-3-18- 092331-4
Troll, C. und Majschak, J.-P.
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Potenziale der Photogrammetrie bei der Vermessung von Verarbeitungsmaschinen. In: Tagungsband der Fachtagung Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik VVD 2012 - Verarbeitung & Verpackung 4.0, S. 127–152
Riedel, M.; Holowenko, O.; Ihlenfeldt, S.
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Anwendung prozessorientierter und taktratenabhängiger Bewegungen in Verarbeitungsmaschinen. In: Gössner, S. (Hrsg.): 13. Kolloquium Getriebetechnik. Berlin : Logos Verlag, S. 249–268
Troll, C. ; Majschak, J.-P. ; Holowenko, O. ; Ihlenfeldt, S.
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Investigation on the Application of Operating Speed Dependent Motion Profiles in Processing Machines at the Example of Controlling Liquid Slosh. In: Advances in Mechanism and Machine Science, 2019, Vol. 73, p. 1909 – 1918
Troll, C.; Tietze, S. und Majschak, J.-P.
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Controlling Liquid Slosh by Applying Optimal Operating-Speed-Dependent Motion Profiles. In: Robotics, Vol. 9, 18
Troll, C.; Tietze, S. und Majschak, J.-P.
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Modeling Transient Liquid Slosh Behavior at Variable Operating Speeds Induced by Intermittent Motions in Packaging Machines. In: Applied Sciences, Vol. 10(5), 1859
Troll, C.; Majschak, J.-P.
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Performance Evaluation of Offline Motion Preparation Approaches on the Example of a Non-Linear Kinematics. Applied Science, 2020, 10, 8014
Holowenko, O.; Drowatzky, L.; Ihlenfeldt, S.
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A Novel Adaptive Interpolation Approach for the Implementation of Operating-Speed-Dependent Motion Profiles in Processing Machines. In: Engineering Science and Technology, an International Journal, 2021
Holowenko, O.; Troll, C.; Ihlenfeldt, S.; Majschak, J.-P.
