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Lasten auf Luft bewegen

Flexibel erweiterbares Führungssystem mit stabilisierten Luftkissen

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Anbieter zum Thema

Linde Material Handling GmbH
Knuth Werkzeugmaschinen GmbH
Renishaw GmbH

Bei 4 bar Druck kann eine Tonne Gewicht geladen werden

Als Gleitkissen wird ein branchenüblicher Balg (B8HD) von Aerofilm Systems verwendet. Bei einem Versorgungsdruck von 4 bar erreicht dieser eine maximale Traglast von 1.000 kg. Werden mehrere dieser Gleitkissen in einem Schlittenverbund verwendet, summiert sich die Traglast. Die Kraft von Reluktanzaktoren ist nichtlinear abhängig vom Luftspalt zwischen Magnet und Rückschluss und der Stromstärke des Elektromagneten. Um die Regelung der Schwebehöhe über den Elektromagneten zu entwerfen, wurde dieses nichtlineare Verhalten in einem Kennfeld linearisiert. Dieses charakteristische Kennfeld, bestehend aus Schwebehöhe, Stromstärke des Elektromagneten und Reluktanzkraft, wurde experimentell untersucht. Hierbei wurden die Stromstärke und die Schwebehöhe systematisch variiert und die daraus resultierende Reluktanzkraft aufgezeichnet. Mit dem Kennfeld wird das nichtlineare Verhalten des Elektromagneten beschrieben und die Regelungsaufgabe vereinfacht.

Auch der Schwebezustand der Führung wird stabilisiert

Zur Stabilisierung der Schwebehöhe der Hybridaktorik, bestehend aus Gleitkissen und Elektromagnet, stehen mehrere Regelungsmethoden bereit. Lineare PID-Regler sind für die Regelung eines einzelnen Prototyps, der in der Z-Achse stabilisiert werden soll, ausreichend. Jedoch stoßen diese Regler im Schlittenverbund aus mehreren Hybridaktoren an ihre Stabilitätsgrenze. Stattdessen sind komplexere Zustandsregler vorzusehen, die eine höhere Stabilität ermöglichen. Für diese Regelungsstrategien wurde ein „Linear Quadratic Integral“-Regler (LQI-Regler) entwickelt, der das zugrunde liegende System mittels eines einfachen Zustandsraums mit zwei Zuständen, der Position und der Geschwindigkeit, beschreibt. Das in Bild 2 dargestellte Blockschaltbild zeigt die Regelstruktur. Der Regelfehler e als Abweichung zwischen Sollluftspalt und Istwert wird integriert und mit dem Faktor Ki verstärkt. Anschließend bildet dieser Wert, mit dem geschätzten und um den Faktor Kx verstärkten Zustand x̂, die Stellgröße u. Die Stellgröße u ist dabei die berechnete resultierende Kraft mit der das Schwebeverhalten der Aktorik beeinflusst wird. Da die Geschwindigkeit messtechnisch nicht erfasst werden kann, wird ein Luenberger-Beobachter zur Schätzung von x eingesetzt. Die Ausgangsgröße y ist der gemessene Luftspalt. Die Differenz aus y und Schätzung des Luftspaltes ŷ wird mit Beobachterverstärkung L multipliziert und zur Korrektur des Modellfehlers verwendet.

Bild 2: Das ist das Prinzip des Zustandsreglers mit Beobachter, durch da die Inbetriebnahme der hybriden Aktorik gelingt.(Bild: IFW)
Bild 2: Das ist das Prinzip des Zustandsreglers mit Beobachter, durch da die Inbetriebnahme der hybriden Aktorik gelingt.
(Bild: IFW)

Per Kennfeld wird die Magnetkraft des Systems berechenbar

Das Systemmodell beinhaltet ein Kennfeld zur Berechnung der Magnetkraft. Dies ermöglicht eine präzisere Beschreibung der wirkenden Kräfte als ein mathematisches Modell. Die Stellgröße u ist eine resultierende Kraft auf die hybride Aktorik, die durch die Stromstärke im Magneten beeinflusst wird. Die Magnetkraft wird dabei aus der gegenwärtigen Schwebehöhe mit dem gemessenen Kennfeld berechnet und dient zur Stabilisierung des Kräftegleichgewichts. Mit dem Elektromagnet kann damit gezielt die Schwebehöhe regelt werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine präzisere Modellierung der wirkenden Kräfte und verbessert damit die Regelungsgenauigkeit und stabilisiert die Schwebehöhe des Prototyps.

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