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Eine adaptive Verspannung schafft Abhilfe

Um dieses Problem zu lösen und die Eigenschaften von elektrisch verspannten ZRA bestmöglich auszunutzen, wird am ISW ein Ansatz zur Adaption des Verspannungsmoments während des Betriebs entwickelt. Die Idee ist, das System immer nur dann maximal zu verspannen, wenn eine hohe Bandbreite erforderlich ist. Das ist etwa der Fall, wenn örtlich hohe Genauigkeitsanforderungen und eine gute Prozesskraftunterdrückung oder eine hohe Dynamik gewünscht sind. In Betriebszuständen, in denen die Anforderungen geringer sind, beispielsweise während Prozessnebenzeiten, wird das Verspannungsmoment minimiert. Das spart Energie und reduziert den Verschleiß. Ergänzend dazu wird das Verspannungsmoment bei hohen externen Lasten auf das Antriebssystem reduziert, um die zur Verfügung stehenden Motormomente weiterhin ganz nutzen zu können. So wird die maximal erreichbare Vorschubkraft des Antriebssystems nicht beeinflusst.

Um die adaptive Verspannung umzusetzen, wird auch ein neuartiges Regelgesetz zur bedarfsgerechten Adaption entwickelt, das den Verspannungsbetrag basierend auf dem Systemzustand variiert. Dazu gehören etwa das Antriebsdrehmoment, die Vorschubgeschwindigkeit sowie Störgrößen, die auf das Antriebssystem wirken (Bearbeitungs- und Lastkräfte). In Abhängigkeit von diesen Größen und den zuvor identifizierten verspannungsabhängigen Systemeigenschaften wird per Kennlinienregler das momentan erforderliche Verspannungsmoment berechnet. Dieses wird dann durch eine Momentenausgleichsregelung (MAR) auf die beiden Motoren aufgeteilt und eingeregelt. Die resultierende Regelungsstruktur ist in Bild 2 dargestellt.

Der Einfluss der adaptiven Verspannung auf alle betrachteten Systemeigenschaften ist qualitativ in Diagramm 2 dargestellt. Im Vergleich zum etablierten Stand der Technik kann durch die automatische Adaption der Verspannung die Bandbreite und Genauigkeit des Systems in den relevanten Betriebszuständen gesteigert werden, indem höhere Verspannungsmomente als üblich eingestellt werden. Verschleiß und Energiebedarf sinken dagegen, weil in Betriebsphasen mit geringeren Anforderungen und Lasten die Verspannung minimiert wird.

So konnte für das untersuchte System die mittlere mechanische Belastung um rund 15 Prozent reduziert werden. Die Verspannung wird dabei jedoch weiterhin stets so dimensioniert, dass das Umkehrspiel sicher unterdrückt wird. In Bezug auf die Störsteifigkeit des adaptiv verspannten Antriebssystems kann keine allgemeingültige Aussage getroffen werden. Die Störsteifigkeit hängt vom aktuellen Bewegungszustand des Systems sowie dem Betrag und der Richtung der Störkraft ab. Durch Variation der Verspannung kann die Steifigkeit des Systems, wie in Diagramm 1 dargestellt, innerhalb eines Rahmens beliebig festgelegt werden. Das Ziel ist es, die Steifigkeit gezielt zu erhöhen, wenn Störkräfte zu erwarten sind, sie aber zu reduzieren, wenn nicht (Prozessnebenzeiten).

So sieht das Fazit der Untersuchungen aus

Das Verspannungsmoment von elektrisch verspannten ZRA beeinflusst sowohl das Umkehrspiel als auch weitere dynamikrelevante Eigenschaften, wie Steifigkeit und Dämpfung. Das nutzt die neuartige Regelungsstruktur, bei der die Verspannung adaptiv wird, um die dynamikbeeinflussenden Systemeigenschaften bedarfsgerecht einzustellen. Eine hohe Verspannung des Systems erlaubt eine hohe Genauigkeit und Bandbreite des Antriebssystems. In Betriebszuständen mit geringeren Anforderungen oder Lasten können durch reduzierte Verspannungsbeträge der Energieverbrauch sowie die mechanische Belastung und damit der Verschleiß reduziert werden. Das neu entwickelte Verfahren zur adaptiven Verspannung leitet das momentan erforderliche Verspannungsmoment selbstständig anhand entsprechender Zustandsgrößen ab und verteilt es über eine Momentenausgleichsregelung auf die Antriebe. Das Resultat ist ein bezüglich der Antriebsleistung optimal geregelter, elektrisch verspannter ZRA. Gefördert wurde das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).  (pk)

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