MPS II – Mehrkoordinaten-Positioniersystem für spanende Werkzeugmaschinen

Konventionelle Mehrachssysteme realisieren Bewegungen durch die serielle Anordnung einzelner Vorschubachsen. Dadurch entstehen hohe bewegte Massen, begrenzte Beschleunigungen sowie eine Summierung von Geometrie- und Positionierfehlern. Die Nachgiebigkeit ist richtungsabhängig, und die Dynamik der Gesamtbahn wird durch die untergeordneten Achsen begrenzt. Mehrkoordinatenantriebe mit integrierter Führung vermeiden diese Nachteile, da sie mit geringeren Massen arbeiten, eine höhere Steifigkeit erreichen und ohne Reibkontakte auskommen. Der am IFW entwickelte Ansatz kombiniert einen synchronen Planarmotor mit einer elektromagnetischen Flächenführung und bietet damit einen kompakten und praxistauglichen Lösungsansatz für hochdynamische Werkzeugmaschinen.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung eines reibungsfreien Mehrkoordinaten-Positioniersystems, das einen synchronen Planarmotor mit einer elektromagnetischen Flächenführung kombiniert. Dadurch sollen Vorschubbewegungen in sechs Freiheitsgraden hochpräzise und dynamisch realisiert werden. Durch die getrennte Ansteuerung der acht Motorwicklungen wird eine rotatorische Feinpositionierung der B-Achse ermöglicht. Eine strombasierte Vorsteuerung auf Basis gemessener Kraftkennfelder kompensiert die periodisch auftretenden Rastkräfte und verbessert so die Bahnqualität. Die Regelung der Magnetführung erfolgt modellbasiert mithilfe eines Zustandsreglers, der durch einen Beobachter und einen Kalman-Filter ergänzt wird, um Bandbreite, Schweberuhe und Robustheit zu erhöhen. Das gesamte System wird in einer industrietauglichen Steuerungsumgebung mit präziser Positionsmessung implementiert und für den realen Einsatz in Werkzeugmaschinen erprobt.

Vorteile

Das Mehrkoordinaten-Positioniersystem steigert die Bahn- und Positioniergenauigkeit, da alle Bewegungen direkt und ohne mechanische Kopplung ausgeführt werden. Durch den Wegfall von Reibkontakten entfallen Verschleißeffekte, wodurch sich das dynamische Verhalten reproduzierbar einstellen lässt. Die reibungsfreie Magnetführung erhöht die Steifigkeit und Stabilität des Systems, während die separate Ansteuerung der Planarmotoren eine präzise rotatorische Feinpositionierung ermöglicht. Damit werden höhere Dynamiken und eine gleichmäßigere Vorschubbewegung erzielt, was insbesondere für hochpräzise Bearbeitungsprozesse von Vorteil ist.

Vorgehen

Das Mehrkoordinaten-Positioniersystem nutzt vier Planarmotor-Module, die entkoppelt angesteuert werden und damit neben den translatorischen Bewegungen auch eine rotatorische Feinpositionierung der B-Achse ermöglichen. Ein Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Optimierung und Inbetriebnahme der Antriebseinheiten sowie der Entwicklung einer Vorsteuerung, die die positionsabhängigen Rastkräfte kompensiert und die Bahnqualität verbessert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die modellbasierte Regelung der magnetischen Führung in Y-, A- und C-Richtung, die mithilfe eines Zustandsreglers und Beobachters Stabilität und Dynamik des Gesamtsystems erhöht. Hochauflösende Kreuzgitter- und kapazitive Sensoren erfassen alle Freiheitsgrade präzise.

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