Schwingungsunterdrückung für Präzision und Leistung
Die moderne Technologie zur Schwingungsunterdrückung von STXI Motion sorgt für eine sanftere Bewegung, schnellere Einschwingzeit und genauere Positionierung.
Industrieroboter und Maschinensysteme sind oft anfällig für Schwingungen, die Auswirkungen auf das Lagesteuerungssystem haben und Instabilität im System verursachen. Schwingungen werden typischerweise durch Resonanzfrequenzen und nichtlineare Kräfte verursacht, die von den Robotergelenken oder Maschinenkupplungen ausgehen.
Die steigenden Taktraten und die leichte Bauweise moderner Maschinen führen ebenfalls zu einer erhöhten Schwingungsneigung. Bei der Konstruktion von Portalrobotern können z. B. aufgrund von Gewichts- oder Kostenbeschränkungen weniger starre mechanische Strukturen verwendet werden. Bei solchen Anwendungen mit überhängenden Lasten kann es durch die flexiblen Verbindungen zwischen Endeffektor und Portalroboterachsen bei jedem Stopp oder Umkehrpunkt einer Bewegung zu übermäßigen Schwingungen kommen. Um weiterhin für Genauigkeit zu sorgen, muss die Maschine pausieren, bis die Schwingungen aufhören. Zur Wahrung der maximalen Systemkapazität müssen die Einschwingzeiten so kurz wie möglich sein.
Abbildung 1: In Anwendungen mit überhängenden Lasten, wie z.B. bei Portalrobotern, ist aufgrund der Schwingungsunterdrückung kine massive mechanische Struktur mehr erforderlich
Unsere fortschrittliche Regelung zur Schwingungsunterdrückung, die in der CDHD-Baureihe von Servoantrieben implementiert ist, dient zur schnellen Stabilisierung von Systemen, die Schwingungen mit konstanter Frequenz entwickeln. Proprietäre Regelalgorithmen reduzieren den Schleppfehler und die Einschwingzeit der Last.
Die Schwingungsunterdrückungsfunktion läuft in einem geschlossenen Regelkreis, erkennt Schwingungen, sobald sie auftreten, und dämpft sie sofort. Durch die aktive Dämpfung von Lastschwingungen verkürzen Servotronix Antriebe die Zeit erheblich, die eine schwere Last oder ein Endeffektor benötigt, um sich in der Zielposition einzupendeln. Obwohl der Schleppfehler auf Encoder-Ebene höher sein kann, wird die Gesamtleistung des Systems, bewertet an der Lastposition, deutlich verbessert.
Abbildung 2: Die CDHD-Baureihe der Servoantriebe mit Schwingungsunterdrückung
Verfahren zur Schwingungsunterdrückung
Das Verfahren der Schwingungsunterdrückung umfasst vier Phasen, die in Abbildung 3 dargestellt sind.
Phase 1: Störungen des Systems werden mit Hilfe von Regelgrößen, wie Positionsabweichung und Strom, als Eingabe erkannt. Ein Störwert wird berechnet.
Phase 2: Der Störwert wird durch ein schmales Bandpassfilter geleitet, um die Störungen zu selektieren, die durch die Systemschwingungen hervorgerufen werden. Die Mittenfrequenz und die Breite des Bandpassfilters werden durch zwei Parameter eingestellt.
Phase 3: Korrekturausgabewerte werden berechnet.
Phase 4: Die Korrekturausgabewerte werden über einen Parameter zur Dämpfungsverstärkung zu den Regelgrößen addiert.
Abbildung 3: Verfahren zur Schwingungsunterdrückung
Für Schwingungen, die bei hohen Frequenzen auftreten, setzen die CDHD-Antriebe auf Standard-Tiefpass- und -Sperrfilter. Die proprietäre Schwingungsunterdrückungsfunktion wurde entwickelt, um Schwingungen zu kontrollieren, die durch niedrige Resonanzfrequenzen im Bereich von 5 Hz bis 400 Hz verursacht werden. Die Funktion ist auch in der Lage, Systeme zu dämpfen, in denen mehrere ausgeprägte Resonanzen auftreten.
Die Schwingungsunterdrückung erfolgt automatisch durch das Autotuning-Verfahren des Antriebs. Zunächst wird die Schwingungsfrequenz gemessen und eine Schwingungsunterdrückungsfrequenz eingestellt. Dann wird eine Verstärkung der Schwingungsunterdrückung schrittweise erhöht, bis eine Dämpfung festgestellt wird. Mit der Software für die Benutzeroberflächen ServoStudio™ von Servotronix kann der Anwender die Einstellungen auch einfach manuell überwachen und anpassen.
Das STXI Verfahren zur Schwingungsunterdrückung verbessert deutlich die Leistung von Servosystemen, bei denen eine Last von einer elastischen Kupplung getragen wird, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Demonstration einer Schwingungsunterdrückung (für Video hier klicken)
Diese Art der Kopplung bietet ein erhebliches Maß an Flexibilität. Wenn die Servoregelung des Motors während der Bewegung auf einen Positionsfehler nahe Null eingestellt ist, schwingt die Last bei jeder Position stark. Außerdem kommt es bei jeder Änderung der Beschleunigung zu einem Ruck, der die Schwingung der Last weiter verstärkt.
Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die aufgezeichneten Kurven der Einschwingzeit vor und nach Anwendung der Schwingungsunterdrückung in diesem System. Ohne Schwingungsunterdrückung beträgt die Einschwingzeit mehr als eineinhalb Sekunden. Mit Schwingungsunterdrückung wird die Einschwingzeit auf fast eine Viertelsekunde reduziert.
Abbildung 5: Ohne Schwingungsunterdrückung, die Einschwingzeit ist übermäßig
Abbildung 6: Über die Schwingungsunterdrückungsfunktion kann der Antrieb die Schwingungsenergie absorbieren, die Einschwingzeit verringert sich deutlich
Die STXI Schwingungsunterdrückung hat sich bei Roboteranwendungen, bei denen schwere Lasten Abweichungen von der gewünschten Bahn verursachen, als äußerst effektiv erwiesen. Abbildung 7 zeigt die Verfolgung der Bahn durch den Roboter vor und nach Anwendung der Schwingungsunterdrückung in einem System mit CDHD-Antrieben. Ohne die Funktion verursachen Schwingungen Abweichungen von der vorgesehenen Bahn. Sobald die Funktion angewendet wird, wird die Bahnverfolgung präzise und gleichmäßig.
| Ohne Schwingungsunterdrückung ist die präzise Einhaltung der Bahn gestört | Mit Schwingungsunterdrückung ist die Bahnverfolgung genau und gleichmäßig |
Abbildung 7: Die Genauigkeit der Bahnverfolgung verbessert sich deutlich bei aktivierter Schwingungsunterdrückung
Wann immer eine automatisierte Anwendung mit einer hängenden Last, Kugelumlaufspindeln oder riemengetriebenen Linearschlitten oder einer nicht starren Motor-Last-Kopplung arbeitet, besteht die Gefahr von Schwingungen. Mit der serienmäßigen Schwingungsunterdrückung können CDHD-Antriebe die Zykluszeit und Leistung von Maschinen bei Anwendungen wie Elektronikmontage, Halbleitenr, Werkzeugmaschinen und Laborautomatisierung effektiv verbessern.