Verfahren zur Minimierung des Einflusses von Störkräften in lagegeregelten Vorschubantrieben

Die Achsen von Werkzeugmaschinen verwenden zum Positionieren elektromechanische Antriebe. In derartigen Antrieben beeinflusst das mechanische Übertragungsverhalten maßgeblich das Gesamtverhalten. Unter anderen bestimmen die im Antriebsstrang auftretenden Reibungskräfte und die Bearbeitungskräfte, Rückwirkungen des Bearbeitungsvorganges auf den Antrieb, die Positioniergenauigkeit. Beide Kräfte wirken als Störgrößen auf die Lageregelung ein. Diese Arbeit gibt zunächst einen Überblick über Veröffentlichungen, die sich mit der Minimierung von Störungen in der Antriebstechnik auseinandersetzen. Dabei ist festzustellen, dass sich zahlreiche Publikationen mit Reibungsphänomenen befassen, jedoch den Rückwirkungen von Bearbeitungskräften weniger Aufmerksamkeit gewidmet wird. Aus diesem Grund untersucht diese Arbeit an einem einachsigem Spindelantrieb neben der Reibungs- auch die Bearbeitungskraftkompensation. Dazu wurde ein neuartiger Bearbeitungskraftaktuator entwickelt, der aus einem Synchronlinearantrieb besteht. Somit können Bearbeitungskräfte reproduzierbar nachgebildet werden. Die Regel- und Steueralgorithmen zur Lageregelung des Spindelantriebs werden dargelegt. Zur Analyse der Regelstrecke werden zwei Verfahren angewendet. Zum einen werden die Streckenparameter online mit Hilfe eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt. Zum anderen wird die Regelstrecke mit Hilfe eines Verfahrens basierend auf der Korrelationsanalyse analysiert. Die Ergebnisse beider Verfahren werden vergleichend analysiert. Zur Verbesserung des Störverhaltens werden verschiedene Regelstrukturen mit einem in dieser Arbeit entwickelten Störkraftbeobachter verglichen. Der Störkraftbeobachter ermittelt die Summe aus Reib- und Bearbeitungskraft. Das ermittelte Signal wird zur Störgrößenaufschaltung verwendet. Simulatorisch und experimentell gewonnene Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren mit üblichen Regelstrukturen kombiniert werden kann und dessen Anwendung zu einer Verbesserung des Störverhaltens führen.

Electromechanical drives are applied to position single axes of machine tools. The mechanical characteristics of such drives determine basically the overall behavior. Beside other factors the system inherent friction force and the machining force – feedback of the machining process – influence the accuracy of the positioning system. Both forces act as disturbances internally of the closed position control loop. At the beginning of this thesis an overview is given about publications in the field of reduction of disturbance influences. Most publications investigate friction phenomena but only a less amount of publications regarding machining force influences can be found. Therefore this thesis investigates friction and machining force phenomena practically on an one axis screw spindle drive. In order to load the spindle drive a novel machining force actuator has been developed consisting of a synchronous linear motor. By using the actuator reproducible machining forces can be generated. Control loop design and algorithms of position control are explained. Two methods are used to analyze the system behavior. One based on a least square method estimates system parameters online. The other one estimates the parameters based on correlation method. Results of both analyses are compared. To investigate the behavior of the closed position control loop regarding the influence of disturbance forces various control structures are investigated and compared with one in this thesis developed disturbance force observer. It can be used as feedforward compensation to reduce the influence of the friction and machining forces. Simulated and experimental results show that the method can be combined with the common control strategies and it improves the disturbance behavior.