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Linearantriebe optimiert

FEM Maschinen-Simulation um Antriebe und Regelung erweitert
Linearantriebe optimiert

Linear-Direktantriebe führen Arbeitsbewegungen mit höchster Dynamik und Konturtreue durch. Achsregelung und Maschinenmechanik sind hierfür jedoch sorgfältig aufeinander abzustimmen. Die Methode der Finiten Elemente, erweitert um eine integrierte Regelkreissimula-tion, hilft schon während der Konstruktion Probleme zu vermeiden.

Die Autoren Dipl.-Ing. Joachim Berkemer und Dipl.-Ing. Markus Knorr sind tätig im Bereich Maschinensimulation der Siemens Linear Motor Systems GmbH & Co. KG, München

Linearmotoren sind verschleißfrei, ermöglichen hohe Verfahrgeschwindigkeit bei hervorragender thermische Stabilität und ruhigem Lauf sowie den Aufbau mechanisch steifer Direktantriebe.
Keine Nachgiebigkeit im Antriebsstrang
Nicht-Direktantriebe haben dagegen den prinzipiellen Nachteil der Nachgiebigkeit in mechanischen Übertragungselementen wie z. B. Gewindetrieben, Riemen oder anderen Elementen. In Verbindung mit den Massenträgheiten im Antriebsstrang entstehen mechanische Resonanzfrequenzen, die in der Übertragungsstrecke zwischen Motor und Lage-Messsystem liegen und sich begrenzend auf die erreichbare Bandbreite der Regelkreise auswirken. Die Bandbreite des Lageregelkreises (ein Maß ist der Kv-Faktor) entscheidet über die Fähigkeit des Antriebs zur schnellen Reaktion auf Vorgaben der Steuerung bzw. äußere Störgrößen und bestimmt so die Genauigkeit in der Bewegung. Kennzeichen des Direktantriebs ist die Abwesenheit nachgiebiger Übertragungselemente im Antriebsstrang. Dennoch ist die Bandbreite eines Direktantriebs durch mechanische Resonanzfrequenzen infolge verteilter Nachgiebigkeiten und Massen der mechanischen Strukturen in der Praxis häufig begrenzt.
Problematische Maschinenschwingungen
Beispiele für problematische Strukturresonanzen sind Schwingformen der Maschinenaufstellung, des Maschinengestells und der Achsbaugruppen. Zu beachten sind zudem Schwingungen von Messsystemanbauteilen (z. B. Tastkopfhalter) oder lokale Plattenschwingungen im Bereich der Messsystembefestigung sowie interne Resonanzen der Messsysteme selbst. Derartige Maschinenschwingungen und insbesondere ihre Auswirkung auf die Regelung sind intuitiv oder mit einfachen Berechnungs- oder Messmethoden im allgemeinen nicht zu erfassen. Abhilfe schafft eine von den Autoren entwickelte Vorgehensweise, die auf der Methode der Finiten Elemente aufsetzt.
Simulation aus FEM-Modell
In der Konstruktionsphase höherwertiger Maschinen wird heute fast immer ein FEM-Modell zur Berechnung mechanischer Eigenschaften erstellt. Ausgehend von diesem Modell kann mit der beschriebenen Vorgehensweise eine Simulation der Regelbarkeit der Maschine und ihrer Antriebe durchgeführt werden. Als Ergebnis erhält man Aussagen zum erreichbaren Kv-Faktor sowie zur Genauigkeit (z. B. Positionsüberschwingen oder Kreisform). Wesentlich ist zudem die Identifikation der regelungstechnisch kritischen Maschinenschwingungen, woraus wertvolle Hinweise zur optimalen Gestaltung der Konstruktion abzuleiten sind. Dies kann von der Wahl eines geeigneten Ortes zum Anbau des Messsystems, über gezielte Strukturversteifungen, bis hin zur Anpassung des Maschinenkonzepts führen.
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