Principles of a multi-coordinate positioning system for metal cutting machine tools
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden verschiedene Konzepte zu Kombination einer planaren MF mit einem SPMPM erarbeitet und bewertet. Das wichtigste Kriterium ist dabei die Skalierung der Baugröße des MPS mit dem möglichen Verfahrweg. Hier gibt es zwischen den Konzepten erhebliche Unterschiede. Die für die Umsetzung des MPS zunächst als hinderlich betrachteten hohen Anziehungskräfte des SPMPM konnten durch die Wahl des Konzeptes 4 als Vorspannkraft für die Führung verwendet werden. Dadurch kann die Hälfte der Aktoren und Stromsteller eingespart werden. Durch die erarbeiteten Methoden zur Auslegung der FM auf den Anwendungsfall, ist dieser Ansatz direkt auf weitere planare und lineare MF übertragbar. Die Besonderheit dabei ist, dass der Arbeitspunkt der FM auf den linearen Bereich der Kraft-Strom-Kennlinie der Magneten eingestellt wird. Dadurch ergibt sich im Arbeitsbereich der Magneten ein lineares Strom-Kraft Verhalten, wodurch in der Regelung nur der Luftspalt berücksichtigt werden muss. Voraussetzung dafür ist die Kenntnis der Anziehungskraft der Motoren. Nach der Auslegung der SPMPM folgt die Grobkonstruktion des Schlittens. Darauf aufbauend werden die FM ausgelegt und die Detailkonstruktion erfolgt. Die im Antrag vorgeschlagene Anpassung der Wicklungen des SPMPM war nicht möglich. Daher mussten neue SPMPM aufgebaut werden. In diesem Zusammenhang wurde der SPMPM hinsichtlich der Kühlung und der Masse optimiert. So war es möglich, die Masse des Primärteils bei gleicher Vorschubkraft um 40% zu reduzieren. Nach der Optimierung der Magnete und SPMPM wurde das Gesamtsystem auskonstruiert, gefertigt und montiert. Entgegen dem Antrag wurden zu Ermittlung der X- und Z-Position des Schlittens nicht zwei Kreuzgittermessgeräte, sondern ein LIK2D der Fa. Numerik Jena verwendet. Dies bietet die Möglichkeit neben der Position der beiden Achsen auch den Verdrehwinkels mit nur einem Messkopf zu ermitteln. Außerdem wurde ein Schaltschrank aufgebaut. Die Regelung basiert auf einem Beckhoff Industrie-PC mit der Steuerungsumgebung TwinCAT 3. Diese ermöglich die Implementierung der in MATLAB/Simulink aufgebauten Regelung der Flächenführung. Zur Parametrierung der Regler der Magnetführung wurde zunächst die Regelstrecke identifiziert und in MATLAB/Simulink abgebildet. Anschließend wurden für verschieden Regelparameter fünf verschiedene Gütekriterien ermittelt. Anhand dieser Kriterien wurden die optimalen Parameter für die Führung ermittelt. Anschließend wurde die Führung zunächst ohne die Sekundärteile der SPMPM, also ohne die Vorspannkraft von ca. 4 kN und anschließend mit den Sekundärteilen in Betrieb genommen. Die für den Einsatz in der Fertigungstechnik besonders relevante Nachgiebigkeits-Frequenzgang wurde ermittelt und für beide Konfigurationen gegenübergestellt. Dabei wurde gezeigt, dass die Nachgiebigkeit des Schlittens mit der Vorspannung im niedrigen Frequenzbereich bis 20 Hz deutlich besser ist. Neben dem Einfluss der Anziehungskraft der SPMPM auf die Auslegung der FM, wurden die Wechselwirkungen der einzelnen Teilsysteme im Betrieb erforscht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Änderung der Anziehungskraft der Motoren über dem Luftspalt einen starken Einfluss auf das Störverhalten hat, weswegen dieser Einfluss in der PIDD2 Regelung vorgesteuert werden muss. Die Vorschubkraft des Motors variiert im Bereich des Luftspaltes von -1,5% bis 3%. Diese Variation ist so gering, dass sie nicht in der Kaskadenregelung der Motoren berücksichtigt werden muss. Zur Auslegung der PIDD2 Regelparameter wurde ein Simulationsmodell aufgebaut. Beim Vergleich des realen Systems mit dem Modell hat sich gezeigt, dass das niederfrequente Verhalten hinreichend genau abgebildet wird. Bei der Frequenz von 48,8 Hz sind Abweichungen zwischen Modell und Simulation zu erkennen. Die mit dem Prüfstand erreichte maximale dynamische Steifigkeit ist mit einem Minimum von 3,3 N/µm vergleichbar mit anderen Magnetführungen. Die ermittelte absolute Genauigkeit der Y-Achse der Magnetführung liegt bei 1,4 µm. Die Schweberuhe der MF ist mit der Standardabweichung von 404 nm auf den Bereich der Messauflösung der Sensoren begrenzt.
Publications
- (2018): Magnetisch gelagerter Kreuztisch, VDI- Z, 160 (2018), Nr. 3, S. 62-65
Denkena, B., Bergmann, B., Fuchs, J.
- (2018): Präziser und dynamischer bei reduziertem Bauraum, mav, Juli/August 2018, S. 38-41
Denkena, B., Bergmann, B., Fuchs, J.
- (2019): Hohe Präzision durch magnetisch geführten Planarmotor, antriebstechnik, 12/2019, S. 40-43
Denkena, B., Bergmann, B., Fuchs, J.
- (2020): Magnetische Führungssysteme optimieren die Zerspanung, MM – Maschinenmarkt, 126 (2020) 17, S. 75-79
Denkena, B., Bergmann, B., Schumacher, T., Fuchs, J., Schmidtmann, J.-P.
