Dieser Artikel beschreibt den Online-Debugging-Prozess eines AC-Positionsservosystems in der Online-Vorstanzvorrichtung einer Kaltbiegeanlage für Regalsysteme sowie die Grundlagen der zugehörigen dynamischen Leistungsanalyse. Die dynamische Antwortkurve, die dynamische Leistungsanalyse und der Erfüllungsgrad der wichtigsten technischen Kennzahlen des Positionsservosystems in dieser Konfiguration werden dargestellt. 1. Einleitung Die Bewegungsleistung und die Regelgenauigkeit der Online-Vorstanzvorrichtung einer Kaltbiegeanlage für Regalsysteme haben einen signifikanten Einfluss auf die Abstimmung der Gesamtliniengeschwindigkeit, die Erstausbeute der Produkte sowie die Stabilität und Montagefreundlichkeit der Regalkonstruktion. Die Stabilität der Bewegungsleistung wirkt sich direkt auf die Einstellung der Gesamtlinienkonfiguration und -parameter, die Entstehung von Ausschussprodukten, die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter und die Kontrolle der Produktions- und Betriebskosten des Unternehmens aus. Die Regelgenauigkeit wirkt sich direkt auf die Verbesserung des technischen Inhalts der Regalsysteme, die Kontrolle der Montagegenauigkeit sowie die Konstruktionsplanung und Stabilität des Regalsystems aus. Aufgrund der rasanten Entwicklung der heimischen Logistikbranche benötigen Kaltbiege-Produktionslinien für Regalsysteme häufig eine hochpräzise und schnelle Positionsregelung. Ausgehend von unserer Erfahrung mit der Online-Fehlerbehebung und der dynamischen Leistungsanalyse des AC-Positionsservosystems erörtern wir daher die Hauptprinzipien und Funktionen der Online-Fehlerbehebung des Positionsantriebs durch dynamische Leistungsanalyse des AC-Positionsservosystems. Der für das AC-Positionsservosystem ausgewählte dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmotor zeichnet sich durch ein hohes Drehmoment-Trägheitsmoment-Verhältnis aus, wodurch er auch im niedrigen Drehzahlbereich nahe Null ein stabiles Nenndrehmoment und eine gute Regelgenauigkeit gewährleistet. Er findet derzeit breite Anwendung in Präzisions-Positionsregelungssystemen. Unter Last kann es beim Servosystem der Online-Vorstanzvorrichtung der Kaltbiegeeinheit des Regalsystems zu einer dynamischen Anpassung zwischen System und Last kommen. Die Kaltbiegeeinheit des Regalsystems ist so ausgelegt, dass sie entweder eine Reihe von Produkten mit unterschiedlichen Blechdicken und gleichen Spezifikationen verarbeitet oder auf einer einzigen Produktionslinie Regalsysteme mit verschiedenen Spezifikationen und Größen mittels unterschiedlicher Kaltbiegeverfahren herstellt. Daher variieren Größe und Art der Belastung des AC-Positionsservosystems. Selbst Laständerungen bei gleicher Spulenmaterialspezifikation führen zu Instabilität und Veränderungen. Diese Schwankungen beeinträchtigen die Systemleistung, insbesondere das dynamische Verhalten, und verursachen Schwingungen, Überschwingen oder sogar instabilen Betrieb. Tatsächlich ist es unmöglich, am Teststandort genaue dynamische Leistungskennzahlen des Systems unter Last und des Servosystems unter Online-Last zu ermitteln. Während des Testprozesses ist eine dynamische Leistungsanalyse und -messung des Systems nicht möglich. Die Fehlersuche erfolgt oft manuell und erfahrungsbasiert, was sehr schwierig und zeitaufwändig ist. Im Allgemeinen werden Anpassungen nur nach Gefühl vorgenommen, bis die beweglichen Teile des Systems „funktionsfähig sind und keine Fehlfunktionen aufweisen“. Diese Art der Fehlersuche führt selten zu einem optimalen Systemzustand. Der Teststandort erfordert zudem einen erheblichen Personalaufwand für Datenerfassung, -organisation, -analyse und -verarbeitung, was leicht zu einem hohen Aufwand bei der Fehlersuche führen kann. Darüber hinaus gibt es während des Testprozesses zahlreiche unbekannte Einflussfaktoren. 2. Grundlegender Aufbau und Funktionsprinzip des Hauptservosystems Abbildung 1. Schematische Darstellung des elektrischen Steuerungsprinzips der Servo-Festlängenzuführung für die Online-Vorstanzvorrichtung der Regal-Kaltbiegeanlage. Das Servosystem selbst verfügt über eine hochpräzise Rückkopplungssignal-Testeinrichtung und einen Regler, die ein geschlossenes Positionsregelungssystem bilden. Das grundlegende elektrische Steuerungsprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. Der spezifische Wert des Zuführschrittabstands für jedes Werkzeug wird von der übergeordneten Steuereinheit (SPS) festgelegt, die die entsprechende Anzahl von Zählimpulsen oder den Längenumrechnungswert festlegt. Dies wird durch das passive Messrückkopplungssignal des an der oberen Führungsrolle angeschlossenen Winkelgebers koordiniert (programmgesteuert). Das in der SPS ausgewählte Servopositionierungsmodul steuert die Servoeinheit und den Servomotor, um eine einstellbare, hochpräzise und fehlerfreie Zuführung und Stanzung des Stanzblechs mit einem bestimmten Schrittabstand zu erreichen. Der kumulative Fehler wird durch den im Programm festgelegten Fehlerkompensationsalgorithmus oder durch manuelle Online-Korrektur ausgeglichen. Die Basispositionierung besteht aus dem Positioniermodul SIEMENS SIMATIC S7-300 FM 354, dem Servosystem YASKAWA SDGB-03ADG, dem Servomotor SGMG-3DA und dem Impulsgeber OMRON zur Positionserfassung. Ein externer Geber mit einer Auflösung von 2000 Impulsen pro Umdrehung dient der Längenpositionsregelung mit Positionsrückmeldung. Die weiche Regelung wird durch das 4-fache elektronische Getriebe im Controller realisiert und verbessert so die Regelgenauigkeit des Systems. 3. Dynamisches Verhalten und Kennwerte des AC-Positionsservosystems. Ein Servosystem ist im Allgemeinen ein Aktor. Die servogetriebene Vorschubvorrichtung mit fester Länge in der Kaltbiegeeinheit des Gestells arbeitet im intermittierenden Vorschubmodus. Die Vorschublänge und die Bearbeitungszeit der Stützvorrichtung werden durch den Bewegungszyklus des AC-Positionsservosystems, seine Regelgenauigkeit und sein dynamisches Verhalten bestimmt. Das dynamische Verhalten lässt sich im Allgemeinen durch die Zeitantwortkurve des Systems auf ein Einheitssprungsignal beschreiben. Die Anforderungen an die Regelung des Servosystems in der Kaltbiegeeinheit sind sehr hoch; es toleriert keine Schwingungen oder Überschwinger. Andernfalls kommt es zu großen Positionsfehlern an den seitlichen und vertikalen Bohrungen der Gestellkomponenten sowie zu einer ungleichmäßigen Bohrungsverteilung. Dies beeinträchtigt die Montagegenauigkeit und die Leistung des Gestells erheblich, reduziert die Ausbeute und erhöht die Produktions- und Betriebskosten. Der Positionierungspunkt kann nur schrittweise durch verschiedene Justierungsänderungen erreicht werden, wie in Abbildung 2 (Dynamisches Leistungsdiagramm des AC-Positionsservosystems) dargestellt. Wir streben den monotonen Änderungsmodus (1 in der Abbildung) an und wollen die oszillierenden Wellenformen (2 oder 3) vermeiden. Der Justierungsmodus (4) führt zu unvollständigen Positionierungsfehlern oder großen Nachführfehlern des Servosystems, verlängerten Justierzeiten usw., was die Geschwindigkeitsanpassung und die Regelgenauigkeit des Systems beeinträchtigt. Die üblicherweise verwendeten dynamischen Leistungsindikatoren (siehe Abbildung) umfassen: Anstiegszeit (tr), Einschwingzeit (ts) und Überschwingen (σ%). Die Anstiegszeit (tr) spiegelt die dynamische Empfindlichkeit des Systems und die Geschwindigkeit seiner Einschwingreaktion wider; die Einschwingzeit (ts), auch als Einschwingzeit bezeichnet, ist ein wichtiger Indikator für die Systemgeschwindigkeit. Der Überschwingwert (σ%) spiegelt die Glätte des Einschwingverhaltens wider. Es besteht eine Korrelation zwischen den dynamischen Leistungskennzahlen des Systems und seinen Parametern. Während der Systemdebuggung können die geeigneten Werte für die Systemparameter durch Online-Softwaretests und Datenanalyse dieser dynamischen Leistungskennzahlen ermittelt werden. Beispielsweise kann die SIMATIC STEP 7-Software die Parameter und Daten in der DB1200 des SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO-Moduls anpassen, um die Regelgenauigkeit und die Betriebsgeschwindigkeit zu optimieren und das Servosystem online zu überwachen. Sie analysiert die Trends wichtiger Parameter wie Bewegungsüberschwingwert, Geschwindigkeit und Stromstärke, um das Servosystem in seinen Idealzustand zu bringen. Abbildung 2: Dynamisches Leistungsdiagramm des AC-Positionsservosystems . Abbildung 4: Einfluss der Leistungsmerkmale des AC-Positionsservos auf die Bearbeitungsgenauigkeit von Gestellkomponenten. Das Positionsservosystem der Gestell-Kaltbiegeeinheit verwendet hauptsächlich ein geschlossenes Abtastregelungssystem. Da moderne CNC-Systeme sehr kurze Positionsabtastzyklen, geringe Antriebs- und digitale Totzonen aufweisen und der durch die Steifigkeit der mechanischen Übertragung verursachte Fehler sehr gering gehalten werden kann, tritt praktisch kein Positionierfehler auf. Es existiert jedoch stets ein Folgefehler, der in gewissem Maße von den Schwankungen der externen Antriebslast abhängt und zwangsläufig zu einer Abweichung zwischen der theoretischen Regelgenauigkeit und der tatsächlichen Position führt. Die Überwachungssoftware des Servomoduls zeigt, dass die theoretische Regelgenauigkeit 0,1 mm erreichen kann, während die tatsächlich gemessene Schwankungsbreite ±0,3 mm beträgt. Das allgemeine Regelgesetz besagt, dass der Bearbeitungsfehler direkt proportional zum Quadrat der Vorschubgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Quadrat der Systemverstärkung ist. Im praktischen Testbetrieb konnte ein stabiler Betrieb des Servomotors bei einer maximalen Betriebsgeschwindigkeit von 70 m/min erreicht werden, wobei die tatsächliche Positionsgenauigkeit σ des Produkts ±0,15 mm betrug. 5. Realisierung der dynamischen Eigenschaften und Online-Debugging des AC-Positionsservosystems: Um das dynamische Verhalten des AC-Positionsservosystems online zu testen, wird zunächst die Abweichung der Bewegungselemente des Servosystems vom Befehl des Host-Rechners ermittelt. Die Befehlsabweichung kann automatisch oder manuell korrigiert werden. Anschließend werden die Anpassungsparameter von Servoregler und Servomotor, wie z. B. die Verstärkung der Drehzahlvorgabe, die Drehzahlregelung und weitere Verstärkungsparameter, optimiert. Danach werden die Servoregelungsparameter des SIMATIC S7-300 Host-Rechners und des SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO-Moduls eingestellt und angepasst. Die Hauptaufgaben sind: (1) Echtzeit-Datenerfassung, d. h. Testen der dynamischen Leistungsparameter des Lastsystems, wie z. B. tatsächliche Drehzahl und tatsächliche Position, hauptsächlich mithilfe spezieller Parametereinheiten sowie Berechnungs- und Überwachungssoftware. Mithilfe dieser Werkzeuge und Mittel werden relevante Parameter eingestellt, überwacht, Wellenformen angezeigt, Ein-/Ausgabe geprüft und überwacht, Online-Anpassungen vorgenommen, Bewegungsparameter erfasst und verarbeitet usw. (2) Unterstützung bei der grafischen Darstellung dieser Parameter in Form von Kurven, wie z. B. Geschwindigkeits- und Positionskennlinien. (3) Berechnung der dynamischen Leistungskennzahlen des Systems, wie z. B. Anstiegszeit tr, Einschwingzeit ts und Überschwingen σ%. (4) Ausgehend vom Verlauf der dynamischen Leistungskennzahlen des Systems wird ein neues Online-Debugging-Schema für die Dynamik des AC-Positionsservosystems entwickelt. Dadurch kann die Bewegungssteuerung der Servopositionierung innerhalb der Schwankungsbreite der Encoder-Winkelimpulse realisiert werden. Beispielsweise beträgt der von unserem Unternehmen gewählte Encoder 4000 Impulse pro Umdrehung (p/r), der Umfang der Messrolle 300 mm, und die Genauigkeit der Lochpositionsregelung des Regalbauteils kann theoretisch ±0,075 mm erreichen. Unter Berücksichtigung des Einflusses anderer Faktoren, wie z. B. der Oberflächenebenheit der kaltgebogenen Spule, ist die tatsächliche Genauigkeit der Lochpositionsregelung geringer. Laut der Datenanalyse aus der Produktion erreicht die tatsächliche Genauigkeit σ der Lochpositionsregelung ±0,15 mm, und der Fehler folgt im Wesentlichen einer Normalverteilung. Dies gewährleistet, dass der kumulative Fehler über die Gesamtlänge minimiert wird und im Wesentlichen innerhalb von 6σ stabil bleibt. 6. Dynamische Leistungsanalyse des AC-Positionsservosystems: Bei der Online-Fehlerbehebung der dynamischen Leistung des Positionsservosystems der Kaltbiegemaschine stellen unterschiedliche dynamische Kennlinien (z. B. Positions- und Geschwindigkeitskennlinien) deutlich unterschiedliche Anforderungen an die dynamischen Leistungsindikatoren. Aufgrund der Anlageneigenschaften der Kaltbiegemaschine sowie der Vielfalt und Spezifikationen der Gestellprodukte sind die tatsächlichen Lastcharakteristika der Anlage sehr komplex. In vielen Fällen können die Anstiegszeit tr und die Einschwingzeit ts in der Positionskennlinie länger sein, um ein Überschwingen zu vermeiden und den Überschwingwert σ% = 0 so weit wie möglich zu reduzieren. Daher liegt der Fokus bei der Analyse der dynamischen Kennlinien der Positionsantwortkurve vor der Optimierung der Reglerparameter des Positionsregelkreises auf dem Überschwingen σ%. Erst wenn die Positionsantwortkurve garantiert überschwingfrei ist, sollte die Ansprechgeschwindigkeit berücksichtigt werden, d. h. die Anstiegszeit tr und die Einschwingzeit ts entsprechend verkürzt werden. In der Praxis sind jedoch Kompromisse bei einigen Parametern notwendig. Um den Übergangsprozess in der Ansprechgeschwindigkeitskurve während des Anfahrens oder Beschleunigens zu beschleunigen, wird das Eingangssignal auf die maximal zulässige Spannung eingestellt, wodurch die Anstiegszeit tr und die Einschwingzeit ts minimiert werden. Generell ist ein Überschwingen der Ansprechgeschwindigkeit zulässig, solange das Überschwingen σ% einen bestimmten Prozentsatz nicht überschreitet. Dies liegt daran, dass die Servosteuereinheit (z. B. SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO-Modul) dasselbe absolute Koordinatensystem verwendet, Impulsverluste nach dem Reset eliminiert und Kompensationsberechnungen im nächsten Servo-Ansteuerbefehl durchführt. Basierend auf den Messdaten vor Ort, Tabellen und Diagrammen wurden eine optimale dynamische Kennlinie und eine geeignete Stellzeit des Servosystems ermittelt, um eine Geschwindigkeitsanpassung für die gesamte Kaltbiegemaschinenlinie zu gewährleisten. 7. Fazit: Eine effektive dynamische Leistungsanalyse und das Online-Debugging des Servosystems ermöglichen eine höchstmögliche Positioniergenauigkeit: Der gemessene maximale elektrische Positionierfehler entspricht lediglich einem Übergang des Encoder-Impulssignals, was die Systemzuverlässigkeit deutlich verbessert. Die effektive dynamische Leistungsanalyse verkürzt den Debugging-Zyklus und reduziert die Debugging-Kosten.