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Vorschubantrieb Bandbreite des Vorschubsystems erhöhen

| Autor / Redakteur: Zheng Sun, Peter Zahn und Armin Lechler / Stefanie Michel

Um eine hohe Eilganggeschwindigkeit zu erreichen, sind bei Werkzeugmaschinen Antriebssysteme mit niedriger Getriebeübersetzung gewünscht. Dies führt aber zu einem ungünstigeren Verhältnis der Trägheitsmomente zwischen Antrieb und Abtrieb. Ein neuartiges Regelungsverfahren wird erforscht, das das Verhalten der Vorschubantriebe verbessern soll.

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Bild 1: Ein neues Regelungsverfahren kann die Bandbreite des gesamten Vorschubssystems, hier ein Kugelgewindetrieb, erhöhen.
Bild 1: Ein neues Regelungsverfahren kann die Bandbreite des gesamten Vorschubssystems, hier ein Kugelgewindetrieb, erhöhen.
(Bild: ISW, Universität Stuttgart)

Für die Produktivität von Werkzeugmaschinen spielt die Bandbreite der lagegeregelten Vorschubantriebe eine zentrale Rolle. Von der Bandbreite sind sowohl die Geometriegenauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten als auch die Bearbeitungsdauer betroffen, da die Bandbreite unmittelbar die Anstiegszeit für die Beschleunigung bestimmt [1]. Um darüber hinaus die Nebenzeiten zu verkürzen und die Produktivität weiter zu steigern, werden in aller Regel hohe Eilganggeschwindigkeiten gefordert. Vor diesem Hintergrund ist ein Trend hin zu Antriebssystemen mit niedrigem Übersetzungsverhältnis zu erkennen. Große Spindelsteigungen, beim Einsatz von Kugelgewindetrieben (KGT) beispielsweise, ermöglichen eine hohe Vorschubgeschwindigkeit. Allerdings führt die niedrige Getriebeübersetzung zu einem ungünstigeren Verhältnis der Trägheitsmomente zwischen Antrieb und Abtrieb, was sich negativ auf die Vorschubdynamik auswirkt [2].

Erweiterte Reglerstruktur

Das am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtung (ISW) entwickelte Regelungsverfahren basiert auf der klassischen Kaskadenregelung, welche durch einen zusätzlichen Regelkreis für die Erhöhung der Bandbreite erweitert ist. Die Grundidee lässt sich dabei als Kombination aus schwach eingestelltem Drehzahlregler und einem überlagerten Geschwindigkeitsregelkreis für die Mechanik beschreiben. Bild 2 verdeutlicht die grundlegende Struktur des Regelungsverfahrens. Der innerste, schwach eingestellte Drehzahlregler des Servomotors bewirkt in diesem Fall eine geeignete Dämpfung der mechanischen Eigenschwingung des Vorschubantriebs. Der überlagerte Geschwindigkeitsregelkreis dient nun dazu, die Bandbreite des geregelten Vorschubantriebs zu erhöhen, wobei der begrenzende Einfluss der mechanischen Eigenschwingung nunmehr deutlich reduziert ist. Die Folge davon ist eine Anhebung der Phase im Bereich der ersten Eigenfrequenz wodurch sich eine nennenswerte Steigerung der Bandbreite des Vorschubantriebs erreichen lässt.

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