Synthese und Umsetzung optimaler Bewegungen unter Berücksichtigung der einstellbaren Maschinendrehzahl

Autor: Troll, Clemens
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2021
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Synthese und Umsetzung optimaler Bewegungen in Verarbeitungsmaschinen. Bewegungen werden zur Steuerung von Arbeitsorganen eingesetzt und müssen im Rahmen einer Maschinenentwicklung synthetisiert werden. Sowohl die Qualität der Bewegung als auch deren Umsetzung hat wesentlichen Einfluss auf den Erfolg des Verarbeitungsprozesses sowie auf die tatsächliche Maschinenausbringung. Besondere Beachtung wird bei der Methodenentwicklung auf den Aspekt der einstellbaren Drehzahl einer Verarbeitungsmaschine gelegt. Aufbauend auf einer Darstellung sowie Abgrenzung des wissenschaftlichen Fachgebietes werden die spezifischen Anforderungen an Bewegungen in modernen Verarbeitungsmaschinen diskutiert. In diesem Zusammenhang werden die in Wissenschaft und Technik bekannten Methoden und Vorgehensweisen demonstriert, ihre Vor- und Nachteile diskutiert sowie deren Anwendungsgrenzen ermittelt. Diese Grenzen betreffen im Wesentlichen die bisher vernachlässigte Drehzahlabhängigkeit optimaler Bewegungen, welche den effektiven Drehzahlbereich limitiert und mithin auch die Maschinenausbringung. Hieraus ergibt sich die technisch-wissenschaftliche Problemstellung, zu deren Lösung diese Arbeit beitragen soll. Zur Lösung der Problemstellung werden Beispiele von Verarbeitungsaufgaben diskutiert, bei denen drehzahlabhängiges Verhalten festzustellen ist und welches Einfluss auf die Ausbringung der Verarbeitungsmaschine hat. Aus dieser Analyse resultiert die Auswahl der Verarbeitungsaufgabe Fluidtransport als repräsentatives Beispiel, das auf Grund seiner Eigenschaften zur Demonstration aller Überlegungen und Methoden geeignet ist. Grundlage für die Bewegungsoptimierung, die die Lösung der Bewegungsaufgabe für verschiedene eingestellte Drehzahlen liefert, ist ein valides Prozessmodell, das zur Beantwortung prozessspezifischer Fragestellungen befähigt. Auf Grundlage von in Experimenten gewonnenen Informationen werden Prozessmodelle unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl sowie des Formates abgeleitet und die dazugehörigen Modellgrenzen ermittelt. Mit Hilfe dieser Modelle werden unter Nutzung der Methode der optimalen Steuerung optimale Bewegungen ermittelt, wobei auch deren Robustheit gegenüber Veränderungen der Modellparameter betrachtet wird. In einem letzten Schritt wird untersucht, wie die von der eingestellten Maschinendrehzahl abhängigen optimalen Bewegungen mittels moderner Antriebstechnik umgesetzt werden können. Hierzu wird das Konzept des Bewegungskennfeldes angewandt, das es erlaubt, unter Vorgabe einer endlichen Anzahl von Bewegungen, Vorgaben für beliebige Drehzahlen in Echtzeit bereitzustellen. Zur Bewertung der entwickelten Methoden werden die Ergebnisse aller Teilschritte mit Ergebnissen verglichen, die sich aus Methoden des Standes von Wissenschaft und Technik ergeben. Den Abschluss bildet eine Zusammenfassung der Arbeit sowie eine Einordnung der erlangten Erkenntnisse in das Wissenschaftsgebiet. Weiterhin werden die aus dieser Arbeit abgeleiteten neuen Forschungsfragen präsentiert und mögliche Lösungsansätze für deren Beantwortung gegeben.
Subject of this thesis is the development of methods for the synthesis and implementation of optimal motions in processing machines. Motions are used to control working tools and have to be synthesized during a machine development. The quality of the motion as well as its implementation has a significant influence on the success of the process as well as on a machines effective output range. Special attention is paid to the aspect of the adjustable operating speed of the processing machine during the development of methods. The specific requirements for motions in modern processing machines are discussed based on a description and delimitation of the scientific field. In this context the methods and procedures known in science and technology are demonstrated, their advantages and disadvantages are discussed and their application limits are determined. These limits mainly concern the so far neglected speed dependency of optimal motions, which limits the effective speed range and consequently also the machine output. This results in the technical-scientific problem definition, to whose solution this thesis shall contribute. For this purpose, examples of processing tasks are discussed, where speed-dependent behavior can be determined and which influence the output of the processing machine. This analysis results in the selection of the processing task fluid transport as a representative example, which is suitable for demonstrating all considerations and methods due to its properties. The basis for the motion optimization, which allows the solution of the motion task for different set speeds, is a valid process model that is capable of answering process-specific questions. On the basis of information obtained in experiments, process models are derived taking into account the variable speed as well as format size. The corresponding model limits are determined. With the help of these models, optimal motions are determined using the optimal control method, whereby their robustness against fluctuations of the model parameters is also considered. In a final step, it is investigated how the optimal motions, which depend on the set machine speed, can be implemented by means of modern drive technology. For this purpose, the concept of the characteristic motion map is applied, which allows to provide presets for arbitrary speeds in real time by specifying a finite number of motions. To evaluate the developed methods, the results of all sub-steps are compared with results obtained by state-of-the-art methods. The conclusion is a summary of the thesis and a classification of the knowledge gained within the scientific field. Furthermore, the new research questions derived from this thesis are presented and a outlook for their solutions is given.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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