Diese Arbeit analysiert, basierend auf der Einführung des Funktionsprinzips des PMAC-Servofilters (Multi-Axis Motion Controller), detailliert die Einstellmethoden der Rückkopplungsparameter (Proportional-, Integral- und Differenzialverstärkung) und Vorsteuerungsparameter (Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerung) des Glasgravur-Bearbeitungszentrums. Umfangreiche Produktionspraxis hat gezeigt, dass durch die Anpassung und Optimierung der genannten Parameter Begleitfehler effektiv reduziert und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden können. 1 Einleitung: Mit steigendem Konsum erfreuen sich gravierte Glasprodukte zunehmender Beliebtheit. Derzeit erfolgt die Glasgravur hauptsächlich manuell, was die Qualitätssicherung erschwert und hohe Kosten verursacht. Daher besteht ein dringender Bedarf an computergesteuerten, automatischen Glasgravurmaschinen. Die Forschung an solchen Gravierrobotern begann im Ausland in den 1980er Jahren, und sie wurden in der Glasindustrie eingesetzt, während die Grundlagenforschung in China erst vor Kurzem begonnen hat. Um die chinesische Glasverarbeitungsindustrie zu stärken, hat dieses Projektteam erfolgreich ein großformatiges CNC-Glasgravur-Bearbeitungszentrum, auch bekannt als Glasgravurroboter, entwickelt. Es ermöglicht die Fünf-Achs-Vier-Gelenk-Bearbeitung und kann zehn Schleifscheiben automatisch wechseln. Diese Anlage eignet sich für die Tiefenbearbeitung von künstlerischen Glasgravuren und bereichert die sich stetig weiterentwickelnde Bau-, Dekorations-, Werbe- und Möbelindustrie mit neuen Technologien und Ausrüstungen. 2. Einführung in das Servosystem des Glasgravur-Bearbeitungszentrums Abbildung 1: Vereinfachtes Strukturdiagramm des Glasgravur-Bearbeitungszentrums Abbildung 2: Vereinfachtes Strukturdiagramm des Positionsservosystems Das Glasgravur-Bearbeitungszentrum (Strukturdiagramm 1) ist eine typische Fünf-Achs-Vier-Gelenk-Werkzeugmaschine. Die X-Achse wird synchron von zwei Motoren, einem Master- und einem Slave-Motor, bewegt, während die Drehachse die Werkzeugbahn steuert. Es verfügt außerdem über einen automatischen Werkzeugwechsler mit Master- und Slave-Werkzeugmagazinen, der die schnelle und präzise Bearbeitung komplexer Glasmuster ermöglicht. Das vereinfachte Strukturdiagramm des Positionsservosystems dieses Bearbeitungszentrums ist in Abbildung 2 dargestellt. Es verwendet einen AC-Servomotor der Mitsubishi HC-FS-Serie für den Antrieb. Ein am Motor montierter Inkrementalgeber erfasst die Position des Servomotors innerhalb einer Umdrehung und zählt die Umdrehungen, wodurch eine Positionsregelung im halbgeschlossenen Regelkreis realisiert wird. Die Drehzahlregelungseinheit verwendet einen Drehzahlverstärker der Mitsubishi MR-J2S-A-Serie. Der Verstärker schließt den Drehzahlregelkreis direkt, wodurch die Differenzverstärkung des PMAC-Drehzahlregelkreises entfällt. Gleichzeitig schließt der Verstärker intern den Stromregelkreis, der zur Kommutierung des Motors dient. Ein Hochleistungsgeber mit einer Auflösung von 131.072 Impulsen pro Umdrehung wird eingesetzt, wodurch eine Positionsrückmeldung im Mikrometerbereich erreicht wird. 3. Funktionsprinzip des Servofilters Abbildung 3: Funktionsprinzip des PMAC-PID-Servoregelkreises. Als leistungsstarker Servobewegungsregler verfügt der PMAC-Mehrachsen-Bewegungsregler über einen internen PID-Positionsregler, der eine präzise und schnelle Steuerung der Werkzeugmaschine ermöglicht. Dieses Bearbeitungszentrum verwendet die PMAC-LITE-Steuerkarte. Das zugehörige PID-Servofilter-Regelgesetz ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Proportionalverstärkung Kp (Ix30) bestimmt primär die Systemgeschwindigkeit. Ein höherer Wert für Kp führt zu einer schnelleren Systemreaktion, höherer Einstellgenauigkeit und besserer Steifigkeit. Ein zu hoher Wert für Kp führt jedoch zu Systeminstabilität; ein zu niedriger Wert verringert die Einstellgenauigkeit. Die Integralverstärkung Kd (Ix33) eliminiert den statischen Fehler des Systems. Ein zu hoher Wert für Ki erhöht die Anzahl der Systemschwingungen, während ein zu niedriger Wert die Einstellgenauigkeit verringert. Der Differenzialkoeffizient Kd (Ix31) verbessert die dynamischen Eigenschaften des Systems. Ein zu hoher Wert für Kd führt zu einem großen Überschwingen, erhöht die Dämpfung und reduziert Schwingungen bei der Systemeinstellung. Je höher der Wert, desto größer die Dämpfung und desto länger die Einstellzeit. Ist Kd zu niedrig, ist das Überschwingen groß und die Einschwingzeit lang. Nur bei einem optimalen Wert wird ein zufriedenstellendes Einschwingverhalten erzielt. Die Geschwindigkeits-Vorsteuerungsverstärkung Kvff (Ix32) reduziert den durch die Dämpfung verursachten Folgefehler (proportional zur Geschwindigkeit). Die Beschleunigungs-Vorsteuerungsverstärkung Kd (Ix35) reduziert oder eliminiert den durch die Systemträgheit verursachten Folgefehler (proportional zur Beschleunigung). 4. Spezifischer Modulationsprozess der Filterparameter 4.1 Unterstützende Software und Modulationsmethoden für die Parametermodulation PEWIN ist eine von Delta Tau Data Systems entwickelte Steuerungssoftware zur PMAC-Kartenkonfiguration. Es handelt sich um ein ausführbares Programm für das Windows-Betriebssystem, mit dem das PMAC-System einfach konfiguriert, gesteuert und debuggt werden kann. Dieses Programm bietet eine einfache Methode zur Einstellung des PID-Filters. Durch Ausführen einer Standardbewegung werden die Antwortdaten als Kurve auf dem Bildschirm dargestellt, und die intuitive dynamische Anzeige optimiert die Einstellung. Die PID-Einstellparameter werden durch Ausprobieren ermittelt. Die Testlaufmethode beinhaltet die Beobachtung der Systemantwortkurve durch simulierten oder tatsächlichen Betrieb im geschlossenen Regelkreis. Anschließend werden die Parameter (Kp, Ki, Kd) anhand ihres Einflusses auf das Systemverhalten wiederholt optimiert, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen und so die PID-Reglerparameter (Kp, Ki, Kd) zu bestimmen. Dies lässt sich in zwei Schritte unterteilen: die Optimierung der Rückkopplung anhand der Sprungantwort und die Optimierung der Rückkopplung anhand der parabolischen Antwort. 4.2 Rückkopplungsmodulation basierend auf der Sprungantwort: Die Optimierungsschritte sind Proportional-, Integral- und schließlich Differenzialanteil. Obwohl die Vorsteuerung die Systemstabilität nicht beeinträchtigt, beeinflusst sie die Sprungantwort. Daher sollten bei der Anpassung der Sprungantwort sowohl die Geschwindigkeits- als auch die Beschleunigungsvorsteuerung auf null gesetzt werden. Die Sprungantwort spiegelt den Anpassungszustand in Echtzeit anhand dreier Schlüsselparameter wider: Anstiegszeit (die Zeit, die der Sprung benötigt, um von 10 % auf 90 % anzusteigen), Überschwingen und Einschwingzeit. Ziel der Anpassung ist es, die kürzeste Anstiegszeit, das geringstmögliche Überschwingen und die kürzeste Einschwingzeit zu erreichen. Mit steigender Proportionalverstärkung (Ix30) verkürzt sich die Anstiegszeit, und die Bearbeitungsgeschwindigkeit steigt deutlich an, allerdings nimmt auch das Überschwingen zu. Um die optimale Steifigkeit der Werkzeugmaschine zu erreichen, wird Ix30 üblicherweise auf den Maximalwert eingestellt. Dies führt jedoch bei einer Einzelschrittbewegung zu erheblichen Vibrationen und Geräuschen im mechanischen System. Der Wert von Ix30 liegt typischerweise zwischen 40.000 und 90.000. Die Integralverstärkung (Ix33) reduziert den statischen Fehler des Systems und minimiert die Abweichung zwischen Soll- und Istposition (vom Encoder zurückgemeldet). Da dieser Servofilter eine Vorwärtsverstärkung besitzt, kann er den Folgefehler während der Werkzeugmaschinenbewegung dynamisch anpassen; daher wird Ix34 auf 1 gesetzt. Die Integralverstärkung beträgt typischerweise etwa 3000. Wird ein Drehzahlverstärker verwendet, empfängt dieser direkt den Drehzahlbefehl vom Regler und das Rückmeldesignal vom Encoder. Dadurch wird der analoge Drehzahlregelkreis direkt im Verstärker geschlossen, und somit wird die Differenzverstärkung des Drehzahlregelkreises direkt im Verstärker eingestellt. Da die digitale Drehzahlregelung nicht durch Quantisierungsfehler und die Abtastfrequenz begrenzt ist, lassen sich eine höhere Verstärkung, Steifigkeit und Störfestigkeit erzielen. Bei der Einstellung der Verstärkung des Servoverstärkers muss lediglich Parameter Nr. 2 (Ansprechgeschwindigkeit) manuell angepasst werden. Nach der Einstellung dieser Parameter verfügt die Werkzeugmaschine über die für ein schnelles Ansprechverhalten erforderliche Steifigkeit und Dämpfung, während statische Fehler effektiv eliminiert werden. 4.3 Vorsteuerung basierend auf parabolischer Antwortkurve ( Abbildung 4, Abbildung 5) Fehlt einem System die Vorsteuerung und die Integration des dynamischen Positionsfehlers, akkumulieren sich Fehler und führen zu Abweichungen zwischen Soll- und Istposition. Die Begleitfehler sind proportional zu Geschwindigkeit und Beschleunigung; durch Vorsteuerung von Geschwindigkeit und Beschleunigung lassen sich diese Begleitfehler eliminieren. Mathematisch ausgedrückt: Ändern sich zwei Datenpunkte, wie z. B. Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfehler, proportional zueinander, beträgt ihre Korrelation 1. Ändern sich die Größen völlig unabhängig voneinander, beträgt die Korrelation 0. Je proportionaler die Änderungen sind, desto näher liegt ihre Korrelation bei 1. Visuell betrachtet: Je ähnlicher die Kurvenverläufe sind, desto höher ist die Korrelation. Ein weiterer wichtiger Datenpunkt ist die Proportionalitätskonstante zwischen den beiden Datenpunkten, d. h. das durchschnittliche Verhältnis zwischen den entsprechenden Punkten. Selbst bei hoher Korrelation der beiden Datenpunkte kann das durchschnittliche Verhältnis gering sein. In jedem Schritt berechnet das Programm die Korrelation zwischen Geschwindigkeit und zugehörigem Fehler sowie zwischen Beschleunigung und zugehörigem Fehler. Gleichzeitig berechnet es das durchschnittliche Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und zugehörigem Fehler sowie zwischen Beschleunigung und zugehörigem Fehler. Mit zunehmender Vorsteuerungsverstärkung sinkt das entsprechende durchschnittliche Verhältnis linear. Selbst bei relativ hoher Korrelation ist das durchschnittliche Verhältnis am niedrigsten. Die Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine kann nach dynamischer Vorsteuerung von Geschwindigkeit und Beschleunigung den Mikrometerbereich erreichen. Am Beispiel der Y-Achse lässt sich zeigen, dass aufgrund des großen Verfahrwegs die Anforderungen an die Synchronisierung der Master- und Slave-Motoren sehr hoch sind. Hier werden die beiden Motoren mittels einer Master-Slave-Serienschaltung synchronisiert. Sind die Vorsteuerungsparameter nicht korrekt eingestellt, akkumuliert sich der Fehler zu stark, was zu Abweichungen des Werkzeugs bei der Glasbearbeitung und sogar zur Beschädigung der Leitspindel führen kann. Um dies zu verhindern, wurde ein Fehlerfolgegrenzwert (Ix11) für den Motor festgelegt, der den Motor stoppt, sobald der Fehler auf beiden Seiten 2 mm überschreitet. Da es sich bei diesem Bearbeitungszentrum um ein Vier-Achs-System mit fünf Gelenken handelt, müssen die Parameter aller vier Achsen optimal eingestellt sein. Eine fehlerhafte Einstellung einer Achse beeinträchtigt die Bearbeitungsgenauigkeit. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der PID-Parametermodulation des Servofilters in diesem Bearbeitungszentrum. Abbildungen 4 und 5 zeigen die Sprungantwort- bzw. Parabelantwortkurve der Z-Achse nach den beiden Modulationsschritten. 5. Fazit: Durch Rückkopplungs- und Vorsteuerungsmodulation lassen sich die Parameter des gesamten Servoregelungssystems optimal konfigurieren und optimieren. Dies verbessert die Leistung der Werkzeugmaschine signifikant und führt zu hoher Steifigkeit, schneller Reaktionszeit und minimalem Folgefehler. Dadurch kann die Werkzeugmaschine schnell, stabil und mit hoher Präzision arbeiten. Daher ist die Auswahl einer leistungsstarken Servosteuerkarte und der Einsatz geeigneter Treiber entscheidend für die Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen.