Entwurf, Simulation und experimentelle Untersuchung einer Sensor-Aktor-Einheit zur Kompensation von Axialschwingungen im Antriebsstrang einer Vorschubachse

Vorschubantriebe von Werkzeugmaschinen sind mechatronische Systeme bestehend aus den Teilsystemen mechanische Übertragungsglieder und Antriebsregelung. In erster Linie verbinden die Massen und Massenträgheiten der angetriebenen und der antreibenden Komponenten die allgemein praktizierte Auslegung von Mechanik und Antriebstechnik. Abgesehen von der unvermeidbaren axialen Nachgiebigkeit der Vorschubspindel stellt die fehlende Dämpfung der mechanischen Übertragungsglieder und damit der Regelstrecke die größte Schwäche des Gesamtsystems dar. Die Parameter einer optimierten Vorschubachse sind meist ein Kompromiss zwischen Leichtbau zur Realisierung hoher Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen und sehr steifen mechanischen Übertragungselementen, die zur Sicherung einer hohen Fertigungsqualität notwendig sind. Einen erheblichen Anteil an diesem Zielkonflikt hat die freie Länge der Kugelgewindespindel, die eine Nachgiebigkeit darstellt. Erschwerend kommt hinzu, dass die freie Spindellänge durch die Vorschubbewegung und die bewegte Masse auf dem Werkzeugschlitten variieren und damit ein Frequenzbereich existiert, in dem sich diese erste Eigenfrequenz einstellt. Die Rückführung der Vorschubgeschwindigkeit kann den Nachteil der geringen Dämpfung für Standardanwendungen gut ausgleichen. Allerdings sind bei genauer Betrachtung der mechanischen Struktur noch weitere ungedämpfte Resonanzstellen vorhanden. Die Rückwirkung dieser Resonanzen der Regelstrecke auf den Geschwindigkeitsregelkreis wird durch Bandsperren verhindert, die jedoch durch ihre Eigendynamik den Geschwindigkeitsregelkreis negativ beeinflussen. Dadurch müssen die Regler konservativ eingestellt werden. Der Steigerung der Dynamik der Vorschubachse sind damit Grenzen gesetzt