Als Reglungskonzept von elektromechanischen Achsen, die in nahezu allen Produktionsmaschinen Anwendung finden, hat sich die Servoregelung in Kaskadenstruktur etabliert. Deren Potential ist mittlerweile jedoch weitestgehend ausgereizt und sie ist nur sehr eingeschränkt in der Lage auf eine zeitabhängige, nichtlineare Dynamik des Prozesses oder sich ändernde Bearbeitungsbedingungen zu reagieren. An dieser Stelle rücken Regelungskonzepte in den Fokus der Betrachtungen, die relevante Prozessvariablen als Regelgröße berücksichtigen, wie z.B. Bearbeitungskräfte, die oftmals den limitierenden Faktor darstellen.
In dieser Arbeit wird ein hybrides Regelungskonzept entwickelt und vorgestellt, welches die kaskadierte Lageregelung elektromechanischer Vorschubachsen mit einem Kraftregler kombiniert. Dies umfasst ebenfalls die Untersuchung und Auswahl von verschiedenen Einstellvorschriften für eine geeignete Parametrierung des Kraftreglers. Zudem ermöglicht die Definition der Wichtungsfunktionen und des Konfidenzbereichs gezielte Übergänge von der Lage- zur Kraftregelung. Weiterhin wird ein Adaptionsprinzip entworfen, mit dem sich der Kraftregler in jedem Takt an Streckenänderungen anpasst. Der Adaptionsvorgang basiert auf der Implementierung einer Parameterschätzeinheit. Mit dieser erfolgt die Online-Schätzung der Steifigkeit als relevanter Entwurfsparameter der Kraftregelung anhand der aktuellen Messwerte. Die simulativen und experimentellen Betrachtungen belegen die Funktionsfähigkeit des Konzeptes.
Dies ermöglicht dynamische Positioniervorgänge mit einem sicheren Übergang zur Kraftregelung für die Beeinflussung von Prozesskräften. Dabei wird die Stabilität bei Änderungen der Streckenkennwerte durch die Adaption gewährleistet..
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Aufbau der Arbeit
2. Elektromechanische Vorschubachsen in der Produktionstechnik
2.1. Aufbau und Bestandteile einer elektromechanischen Achse
2.1.1. Steuerungen und Anwendungsklassen
2.1.2. Informationskopplung
2.1.3. Antriebssystem
2.1.4. Mechanik
2.2. Regelungsstruktur
2.3. Identifikation und Modellbildung von elektromechanischen Achsen
2.4. Reglerparametrierung/ Synthese
2.4.1. Übersicht der Methodik
2.4.2. Ausgewählte Parametrierungsmethoden für elektromechanische Achsen
2.5. Modellbildung und Auslegung der Antriebsregelung in Kaskadenstruktur
2.5.1. Ersatzmodell für den Stromregelkreis
2.5.2. Ersatzmodell für den Drehzahlregelkreis
2.5.3. Lageregelkreis
3. Konzepte für die Regelung von Prozessgrößen
3.1. Advanced Process Control
3.2. Prozessregelung in der Fertigungstechnik
3.2.1. Adaptive Regelungskonzepte
3.2.2. Kognitive Regelungskonzepte
3.2.3. Prädiktive Regelungskonzepte
3.3. Überblick zu Konzepten und Anwendungen der Kraftregelung
4. Motivation und Zielstellung der Arbeit
5. Ansatz für den Entwurf der Regelungsarchitektur
5.1. Hybride Kraft-/Lageregelung
5.2. Abgrenzung und Anpassung des Konzeptes für die Produktionstechnik
6. Untersuchung und Umsetzung der einzelnen Bausteine
6.1. Versuchsaufbauten
6.1.1. Steuerungskomponenten und -software
6.1.2. Reglerkonfiguration
6.2. Parametrierung der Kraftregelung
6.2.1. Streckenidentifikation
6.2.2. Reglerperformance
6.2.3. Zusammenfassung/Fazit
6.3. Implementierung der hybriden Regelungsstruktur
6.3.1. Simulative Untersuchung der hybriden Kraft-/ und Lageregelung
6.3.2. Experimentelle Umsetzung und Untersuchung
6.4. Entwicklung und Umsetzung des Adaptionskonzeptes
6.4.1. Adaptionsprinzip
6.4.2. Regelalgorithmus
6.4.3. Reglerentwurfseinheit
6.4.4. Parameterschätzeinheit
6.4.5. Wirkungsweise des Adaptionskonzeptes in der Steuerung
6.4.6. Simulationsbasierte Untersuchung des Adaptionskonzeptes
