Modellbildung und Regelung einer antriebsredundanten Linearachse mit Spiel

Das fortwährende Streben nach geringeren Taktzeiten und gleichzeitig höheren Genauigkeiten mechatronischer Anwendungen erfordert in modernen Zeiten ebenso moderne Ansätze. Es ist nicht nur mehr ausreichend einzelne Bauteile für sich ins Augen zu fassen und durch genaue Fertigungsmethoden negative Einflüsse weitestgehend zu minimieren. Fortwährend besteht die Notwendigkeit Konzepte zu entwickeln, die Möglichkeiten bieten, besagte Einflüsse grundlegend zu kompensieren. Neue Ideen wollen daher gefunden werden. In dieser Diplomarbeit werden Untersuchungen angestellt, welche die üblichen Antriebskonzepte basierend auf einem Antrieb mittels Vorsteuerung und überlagerter PD-Regelung einer Linearachse, jenen Regelverfahren für redundant aktuierte Parallelkinematiken gegenüber stellen. Mit dem grundlegenden Ziel das gegebene Getriebespiel und das damit einhergehende Umkehrspiel im Allgemeinen zu vermeiden. Dem zugrunde liegende Gedanken belaufen sich hierbei darauf, dass ein Werkzeugschlitten durch eine Verspannung seiner Antriebselemente spielfrei positioniert und somit eine Verbesserung der Positionsgenauigkeit dieses, während der gesamten Trajektorie erzielt wird. Die wesentliche Herausforderung liegt darin, dass die Zustände des Schlittens für die Antriebsregelung selbst nicht erfasst werden und somit für die Regelung nicht zur Verfügung stehen. Neben drei Regelverfahren basierend auf herkömmlichen Regelmethoden mit Vorsteuerung und überlagerter PD-Regelung, werden noch zwei weitere Regelverfahren aus der Theorie der redundant aktuierten Parallelkinematiken vorgestellt und hinreichlich ihrer Dynamik und ihres Fehlerverhaltens untersucht. Resultate werden anhand eines Versuchsaufbaus verifiziert. Dieser entspricht im einfachen Sinne einer Linearachse realisiert durch eine Zahnstange. Auf dieser bewegt sich ein Schlitten, welcher durch zwei permanentmagneterregte Synchronmotoren redundant angesteuert wird. Durch den Abstand zwischen Zahnrädern und Zahnstange kann das Spiel künstlich vergrößert werden, um dessen negative Aspekt deutlicher darstellen zu können. Neben dem Versuchsaufbau wurde auch ein entsprechendes Simulationsmodell in MATLAB/Simulink implementiert.This thesis deals with the compensation of back lash due to the use of redundant actuation of a slide moving along a linear axes. Several control schemes will be examined ranging from conventional feedforward combined with PD-controls up to control methods for redundantly actuated parallel kinematic mechanisms. The general objective is to compensate the back lash of the slide movement that is introduced by the gears, but further also the reversal back lash occuring when the slide changes its direction. Therefor five control schemes will be demonstrated. The first three have as a common goal to move the slide as fast as possible against an end position and apply an internal prestress through an active compliance control at the end of the trajectory. Furthermore there will be two control schemes based upon the theory for redundantly actuated mechanisms. The basic idea of them is to use the actuation redundancy of the system to apply an internal prestress. Thus allowing a compensation of the back lash during the whole trajectory losing the benefit of doubled acceleration, but therefor increasing the slide's positioning accuracy. One main issue that all schemes share is that the slide conditions are not being used for the control, instead only the motor conditions are being used. An experimental set-up, mainly built up by a gear rod as a linear axle along which the slide is moving, has been established to generate results. On the slide itself are two motors mounted that redundantly actuate it. The attachment plate for the motors offers the posibility of enlarging the back lash by simply rising the motors out of the gear rod. This allows to increase the influence of the back lash on the controls. According to the upper mentioned system a simulation modell was implemented in MATLAB/Simulink.eingereicht von Rupert Schlager, BSc.Universität Linz, Masterarbeit, 2017(VLID)227303