Maschinenbau Effizientere Antriebe durch smarte Steuerung

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Bearbeitungszentren sollen heutzutage nicht nur präzise und dynamisch zerspanen, sondern dabei auch noch Energie sparen. Nutzt man intelligente Regelungsalgorithmen bei den Zahnstange-Ritzel-Antrieben (ZRA), vermindert sich so auch noch der Verschleiss, beweisen Experten vom ISW in Stuttgart.

Die Antriebssysteme moderner Fertigungsanlagen zeichnen sich nicht nur massgeblich durch die erzielbare Genauigkeit und Dynamik aus, sondern sie tragen auch entscheidend zum Energieverbrauch bei, sind aber besonders von Verschleiss betroffen. Um dabei hochdynamische Linearbewegungen zu erreichen, werden im Wesentlichen Kugelgewindetriebe (KGT), Lineardirektantriebe (LDA) sowie Zahnstange-Ritzel-Antriebe (ZRA) eingesetzt. Letztere weisen eine vom Verfahrweg unabhängige, hohe Steifigkeit sowie eine hervorragende Skalierbarkeit bei hoher Leistungsdichte auf. Deshalb sind ZRA die bevorzugte Wahl, wenn grosse Lasten bewegt werden sollen oder lange Verfahrwege gefordert sind.

Um dabei den zentralen Nachteil des sogenannten Umkehrspiels der Verzahnung zu kompensieren und somit die Genauigkeit zu erhöhen, werden mit Blick auf Anwendungen mit hohen Anforderungen elektrisch verspannte ZRA eingesetzt. Bei diesen werden zwei parallele Antriebe verbaut, die von der Antriebsregelung mit einem Differenzmoment beaufschlagt werden. So wird sichergestellt, dass niemals beide Antriebe gleichzeitig das Umkehrspiel durchlaufen. So kann das System jederzeit seine Position präzise kontrollieren. Beim aktuellen Stand der Technik wird das Verspannungsmoment im Rahmen der Inbetriebnahme anhand von Faustformeln abgeschätzt und anschliessend im Betrieb dauerhaft konstant gehalten. Doch die dauerhafte Belastung der Antriebe führt zu erhöhtem Energieverbrauch und Verschleiss. Ein aktuelles Forschungsprojekt am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Ansatzes zur intelligenten Anpassung des Verspannungsmoments während des Betriebs von ZRA.

Untersuchungen an industrieller Hardware

Im Rahmen des Projekts wurden zunächst die Eigenschaften von elektrisch verspannten ZRA detailliert untersucht. Das ISW betreibt zu diesem Zweck eine in Bild 1 dargestellte Versuchsanlage in Form einer Linearachse, die mit verschiedenen Konfigurationen von ZRA betrieben werden kann. Ausser Positionsmesssystemen in den Antrieben und den Führungen stehen Beschleunigungs- und Temperatursensoren zur Verfügung, um das Systemverhalten umfassend beobachten zu können. Als Besonderheit verfügt die Anlage über einen redundanten LDA (Lineardirektantrieb), mit dem Lastkräfte aufgebracht werden können. Die Steuerung erfolgt über eine am ISW entwickelte offene Plattform, die es erlaubt, neuartige Steuerungs- und Regelungsalgorithmen zeiteffizient in Verbindung mit industrieller Hardware zu testen.

So wurden die wichtigsten Systemeigenschaften von ZRA für variierende Verspannungsmomente untersucht. Zu diesen Eigenschaften zählen das Auftreten des Umkehrspiels, das Gleichlaufverhalten, das die Auswirkung von Montage- und Fertigungstoleranzen der Antriebskomponenten beschreibt, aber auch das Reibungsverhalten. Hinzu kommen die statische und dynamische Steifigkeit, wovon massgeblich die erzielbare Bandbreite des Systems abhängt, die Positionier- und Bahngenauigkeit, die Störsteifigkeit sowie nicht zuletzt die Effizienz, bezogen auf Energieverbrauch und Belastung der Antriebskomponenten. Diagramm 1 fasst die Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammen. Die Systemeigenschaften sind dabei normiert und in Abhängigkeit vom Verspannungsmoment aufgetragen.

Zielkonflikt zwischen Effizienz und Leistung

Dabei zeigen sich zwei gegenläufige Trends: Während sich die der Dynamik und Genauigkeit des Antriebssystems zuträglichen Eigenschaften mit zunehmender Verspannung verbessern, verschlechtern sich gleichzeitig die Energieeffizienz, die Reibungseigenschaften sowie die Belastung und damit der Verschleiss. Je nach betrachteter Systemeigenschaften ist demnach eine hohe oder eine niedrige Verspannung sinnvoll. In der Folge besteht aber stets ein Zielkonflikt zwischen einem möglichst effizienten Betrieb und maximaler Performance. Je nachdem, welche Anforderungen an das Antriebssystem gestellt werden, sind einige der Systemeigenschaften auch wichtiger als andere, wobei die Anforderungen sich dabei auch in Abhängigkeit vom Betriebszustand ändern können. Zusätzlich zu den dargestellten Systemeigenschaft sind auch die physikalischen Grenzen der Komponenten zu beachten. So können hohe Verspannungsmomente nicht dauerhaft gehalten werden, ohne dass Motoren und Getriebe überhitzen. Bei der Wahl eines konstanten Verspannungsmoments muss deshalb stets ein Kompromiss gefunden werden.

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