Modellierung der Positionsregelung von Werkzeugmaschinen

Abstract

The machine tool, as a mechatronic system, is of great economic importance. Many requirements, such as high performance, accuracy and reliability are defined for machine tools. At the same time, machine manufacturers are being expected to shorten development processes. In order to achieve these goals, the use of various simulation methods is increasing in today's product development. A machine tool represents a complex dynamic system, which implies the use of different simulation and calculation methods. The system is mathematically described in different ways. In the present thesis, a modularly structured simulation model for the investigation of the dynamic behavior of a machine tool during positioning processes is created. Special focus lies on the realistic modeling of the cascaded position control. In combination with a provided mechanical model, holistic dynamic analyses of the machine structure and the motion control are enabled. The position, speed and current control as well as their most important additional function modules can be configured freely. The model is therefore suitable for the simulation of differently parameterized machine tools. In addition to the efficient simulation of existing machines, investigations can be carried out by parameter variation. The modular structure of the model allows a demand-oriented adaptation of the system components. A comparison with a real machine shows a good agreement between the simulated and the recorded curve characteristics. With a realistic motion control trajectory, the simulation model shows a similar dynamic behavior as the reference machine, which is shown with the simulated position, speed and current curves of the axes. Additionally, the step response of the system and the frequency domain characteristics are considered. The model validated in this way can thus be used for further dynamic investigations. At the end of the thesis, an outlook on possible further applications is given.

Das mechatronische System Werkzeugmaschine ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung. An eine Werkzeugmaschine werden viele Forderungen, wie hohe Leistung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit gestellt. Gleichzeitig werden immer kürzere Entwicklungszeiträume von den Maschinenherstellern gefordert. Um diese zu erreichen, wird bei der Produktentwicklung heute vermehrt auf den Einsatz von Simulationen zurückgegriffen. Eine Werkzeugmaschine stellt ein komplexes dynamisches System dar, womit unterschiedliche Simulations- und Berechnungsmethoden eingesetzt werden müssen. Das System wird dabei auf verschiedene Arten mathematisch beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wird ein modular aufgebautes Simulationsmodell zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens einer Werkzeugmaschine bei Positioniervorgängen erstellt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der realitätsnahen Modellierung der kaskadierten Positionsregelung. Im Verbund mit einem bereitgestellten Modell der Mechanik werden ganzheitliche dynamische Betrachtungen der Maschinenstruktur und des Antriebs ermöglicht. Die Lage-, Drehzahl- und Stromregelung sowie deren wichtigsten zusätzlichen Funktionsmodule können frei parametriert werden. Das Modell eignet sich somit für die Simulation von unterschiedlich parametrierten Werkzeugmaschinen. Zusätzlich zur effizienten Nachbildung bestehender Maschinen können Untersuchungen durch Parametervariation durchgeführt werden. Der modulare Aufbau des Modells ermöglicht eine bedarfsgerechte Adaption der Systembestandteile. Ein Vergleich mit einer realen Maschine zeigt eine gute Übereinstimmung der simulierten mit den aufgezeichneten Kennwertverläufen. Bei einer realitätsnahen Bahnvorgabe weist das Simulationsmodell ein ähnliches dynamisches Verhalten wie die Vergleichsmaschine auf, was mit den berechneten Lage-, Drehzahl- und Stromkurven der Vorschubachsen gezeigt wird. Zusätzlich wird die Sprungantwort des Systems und die Charakteristik im Frequenzbereich betrachtet. Das dadurch verifizierte Modell kann somit für weitere dynamische Untersuchungen herangezogen werden. Am Schluss der Arbeit wird ein Ausblick auf mögliche weiterführende Anwendungen gegeben.