Auslegung mechatronischer Systeme aus Antrieb, Regelung und ungleichmäßig übersetzendem Getriebe
Schwingungsminderung
Ungleichförmig übersetzende Getriebe in Kombination mit gesteuerten Antrieben werden zum Beispiel für Bewegungsaufgaben eingesetzt, bei der zeitliche Verlauf der Abtriebsbewegung entlang der Bahnkurve verändert wird. Bei schnelllaufenden ungleichmäßig übersetzenden Getrieben und insbesondere bei solchen, die zwecks Verringerung der Antriebsleistung in Leichtbauweise ausgeführt sind, führt die Nachgiebigkeit einzelner Bauteile zu einer unerwünschten Schwingbewegung.
Wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bewegungen gestellt werden, muss das Ausgangssystem um Komponenten zur Schwingungsminderung erweitert werden. Diese Komponenten enthalten zum Beispiel modellbasierte Regelungen in denen die Bewegungsfehler aufgrund der nachgiebigen Bauteile oder des dynamischen Verhaltens der Antriebe berücksichtigt werden. Es handelt sich um komplexe dynamische Systeme, die als ganzes betrachtet und ausgelegt werden müssen. Im Rahmen der Synthese soll das Gesamtsystem so ausgelegt werden, dass das gewünschte dynamische Verhalten realisiert wird. Hierzu sind vier Schritte notwendig:
- die Synthese des Ausgangssystems aus ungleichmäßig übersetzendem Getriebe und Antriebsmotor
- die Analyse des Ausgangssystems
- die Synthese des Reglersystems
- die Implementierung des Reglersystems
Synthese des Ausgangssystems
Für das ungleichmäßig übersetzende Getriebe werden im Rahmen einer Struktur- und einer Maßsynthese eine für die gegebene Bewegungsaufgaben geeignete Getriebestruktur und die zugehörigen kinematischen Abmessungen ermittelt. Hierbei kommen zum Beispiel Wissensspeicher und Syntheseprogramme zur Anwendung. Anschließend erfolgt die Dimensionierung der Bauteile und der Lagerungen. Bei der konstruktiven Umsetzung ist gegebenenfalls die bei der Synthese vorausgesetzte Spielfreiheit und Steifigkeit der Bauteile nicht gewährleistet.
Die Synthese des Antriebes beschränkt sich meist auf die Auswahl eines geeigneten Motors, der die erforderlichen Geschwindigkeits- und Momentenverläufe erfüllt und außerdem genug Spielraum für Stelleingriffe durch die Regelung zulässt.
Analyse des Ausgangssystems
Für den zielgerichteten Entwurf von Maßnahmen zur Schwingungsminderung ist eine gute Kenntnis des physikalischen Gesamtsystems in Form von physikalischen und mathematischen Modellen notwendig. Sie gibt zum Beispiel Aufschluss über
- die Entstehungsmechanismen der Schwingungen.
- die Realisierbarkeit von unterschiedlichen Maßnahmen zur Schwingungsminderung.
- die notwendigen Messgrößen und Aktuatoren.
- die Anforderungen an die Aktuatoren, die zur Schwingungsminderung eingesetzt werden.
Synthese des Reglersystems
Um das dynamische Verhalten des Ausgangssystems zu verbessern, um unerwünschte Schwingungen zu minimieren, muss das Ausgangssystem um die zusätzlichen Komponenten wie Aktuatoren und Regelungen zur Schwingungsminderung erweitert werden.
Implementierung und Test der Minderungsmaßnahmen
Für die Implementierung der Regelkonzepte können Programme wie Matlab/Simulink benutzt werden. Hier kann die Regelung zunächst auf einem Entwurfsrechner erstellt und in einer virtuellen Umgebung getestet werden. Anschließend kann die Regelung direkt auf die Hardware eines Steuerungsrechners portiert werden.