Modellbasierte prädiktive Kraftregelung für das mehrachsige Schruppfräsen (MPFC)

 

Industrielle Werkzeugmaschinen regeln Maschinengrößen (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung) in kaskadierten Regelkreisen. Die Maschine als Regelstrecke kann durch konventionelle, reaktive Regelverfahren (PID-Regler) modelliert und zuverlässig geregelt werden. Der Prozess selbst bleibt außen vor und wird nur rudimentär überwacht.

Die Regelung von Prozess- anstelle von Maschinengrößen bietet mehrere Vorteile. In zahlreichen Forschungsarbeiten hat sich gezeigt, dass die Prozesskraft eine Größe ist, die einen großen Einfluss auf die Sicherheit und Produktivität des Prozesses hat und zudem eine geeignete Messgröße darstellt. Die Vorteile einer Kraftregelung beim Fräsen sind:

• Optimierung der Produktivität in Bezug auf Prozesszeit und Abtragsleistung
• Verbesserung der Werkzeugstandzeit durch Sicherstellung einer konstanten Belastung bei verschiedenen Eingriffssimulationen
• Berücksichtigung von Materialunterschieden und Werkzeugverschleiß

Die Regelung der Prozesskräfte ermöglicht ganz neue Möglichkeiten, den Fräsprozess optimal zu gestalten. Die Steuerung eines Fräsprozesses anstelle einer Werkzeugmaschine bringt auch neue Herausforderungen mit sich. Das Fräsen als sehr flexibler Prozess ist durch ständig wechselnde Eingriffsbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück gekennzeichnet. Dies führt dazu, dass sich das zu steuernde System ständig ändert und daher klassische reaktive Steuerungen nicht anwendbar sind.

Moderne Regelungssysteme verlagern das Systemmodell von der Planungsphase in die Online-Phase, wodurch ein sich ständig änderndes Modell entsteht, das online identifiziert wird. Am WZL der RWTH Aachen wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Regelungstechnik (IRT) die modellprädiktive Regelung (EN. Model Predictive Control, MPC) zur Regelung der Prozesskräfte beim Fräsen erforscht. Eine MPC löst ständig ein eingeschränktes Optimierungsproblem zur Vorhersage der kurzzeitigen Eingriffssituation. Unter Verwendung eines Maschinen- und Prozessmodells ist sie in der Lage, den Vorschub des Prozesses zu optimieren, so dass die Prozesskräfte auf einem konstanten Niveau geregelt werden können.

In vergangenen Forschungsprojekten wurde eine MPC lediglich in dreiachsigen Fräsprozessen untersucht. Dieses Projekt untersucht die Erweiterung der gewonnenen Erkenntnisse auf den mehrachsigen Fräsprozess.