Closing the loop of model predictive force control in milling with ensemble Kalman filtering

• Schließen des Regelkreises einer modellprädiktiven Kraftregelung beim Fräsen mit einem Ensemble Kalman Filter

Schwenzer, Max; Bergs, Thomas (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 13/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Zerspankraft bestimmt beim Fräsprozess Produktivität, geometrische Qualität und Prozesssicherheit. Jedoch sind klassische, reaktive Regelungsverfahren ungeeignet aufgrund der sich schnell ändernden Eingriffsbedingungen am Werkzeug und den daraus resultierenden abrupten Änderungen der Zerspankraft. Prädiktive Regelungsverfahren umgehen dies, indem sie das zukünftige Prozessverhalten modellieren und dadurch vorausschauend agieren. Die modellbasierte, prädiktive Regelung (MPC) zur Kraftregelung beim Fräsen schließt den Regelkreis durch ein Kraftmodell, welches online identifiziert wird. Dafür stellt diese Arbeit eine rekursive Identifikation mittels Ensemble Kalman Filter (EnKF) vor, welche auf einem Partikelfilter basiert. Er stellt das Alleinstellungsmerkmal der Arbeit dar. Bisherige Arbeiten nutzen diskrete, unabhängige Identifikationen mittels Kurvenanpassung über größere Intervalle und unterbrechen so den Regelkreis zwischen den einzelnen Identifikationen. Diese Regelungssysteme bilden einen Hybrid aus Kraftregelung und Steuerung. Es werden die Theorie und die Anpassung des EnKF auf den Problemfall der Identifikation eines Kraftmodells erarbeitet und mit Hilfe von Simulationen analysiert. Danach wird der neue Ansatz anhand realer Messungen validiert. Im Hinblick auf Berechnungseffizienz werden die Identifikation, der Regler selbst und das Gesamtsystem systematisch ausgelegt. Das System wird sowohl gegen einen konventionell ausgelegten Prozess mit konstantem Vorschub, als auch gegen den aktuellen Stand der Forschung einer MPC mit wiederholter Kurvenanpassung getestet. Gegenüber dem Stand der Forschung wird eine deutlich höhere Robustheit erzielt, sowie erstmalig der Regelkreis dauerhaft geschlossen. Gegenüber dem Stand der Industrie mit konstantem Vorschub wird die Fertigungszeit auf 60 - 40 % reduziert. Die Betrachtung einer potentiell besseren Ausnutzung der Werkzeugstandzeit durch eine homogenere Belastung des Werkzeugs ist nicht Gegenstand der Arbeit. Die Arbeit beschreibt die kontinuierliche Anpassung des Modells in dem MPC-basierten Kraftregler und ermöglicht dadurch einen adaptiven, optimalen Fertigungsprozess an dessen technologischen Limit.