Ein Adaptive - Control - Optimization - System für das Fräsen

Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der spanenden Fertigungsverfahren haben vielfach das Anliegen, optimale technologische Einstellwerte im Sinne einer wirtschaftlichen Werkstückbearbeitung zu gewinnen. Verbesserte Steuerungsmöglichkeiten des Bearbeitungsprozesses durch NC-Steuerungen (CNC, DNC) und fallende Preise für Steuerungseinrichtungen lenken die Aufmerksamkeit in neuerer Zeit auf adaptive Optimierverfahren, welche sich durch Messung von Kenngrößen automatisch über den Prozeßverlauf informieren, und daraus auf die aktuellen Bearbeitungsverhältnisse abgestimmte Entscheidungen für die Wahl optimaler Einstellwerte ableiten. Im Gegensatz zu Verfahren, die im voraus aus Kennwerten über Werkstück-, Werkzeug- und Maschineneigenschaften derartige Entscheidungen treffen wollen (externe Verfahrensoptimierung), kommen adaptive Verfahren den in der Praxis häufig vorliegenden Bearbeitungsfällen entgegen, wo Kennwerte nicht oder nur ungenau bekannt, schwierig oder nur mit großem Aufwand zu ermitteln oder starken Schwankungen unterworfen sind [1.1] , die auch während der Bearbeitung eines Werkstücks auftreten können. Die Anwendung adaptiver Optimierverfahren verlangt den Ausbau des Steuerungssystems Werkzeugmaschine — Fertigungsprozeß zu einem Regelungssystem, das in Anlehnung an [1.2] Adaptive-Control-Optimization-System oder kurz ACO-System genannt wird (Bild 1-1).

Unter dem Titel “A milestone in adaptive Control” [2.1] erschien bereits 1964 ein Aufsatz von R.M. Centner und J.M. Idelsohn, in dem sie über die Entwicklung eines adaptiven Reglers für das Profilfräsen und die damit erzielbaren Erfolge berichteten. Bei dem an den Bendix Research Laboratories erstellten Prototyp handelte es sich um das erste bekannt gewordene technologische ACO-System für die Zerspanung im Sinne der heutigen Definition (s. [1.1]). Bild 2-1 zeigt den Aufbau des Systems.

Die Leistungsfähigkeit der betrachteten ACO-Systeme ist sehr stark von der Arbeitsweise und der Genauigkeit der Verschleißmeßeinrichtung bestimmt. Wie aus den vorangegangenen Ausführungen ersichtlich ist, sind Probleme bei der Verschleißmessung auch die Hauptursache, weshalb ACO-Pilotsysteme beim Fräsen nicht überzeugend funktionieren und der Hauptgrund, daß sie für einen industriellen Einsatz nicht in Erwägung gezogen werden, obwohl die Kostenfrage durch sinkende Preise für elektronische Steuerungssysteme inclusive ganzer Prozeßrechner in den Hintergrund getreten ist.

Auslegungskriterien eines ACO-Systems sind -wie auch in der konventionellen Regelungstechnik- das erforderliche Zeitverhalten und die erforderliche Genauigkeit. Innerhalb von ACO-Systeinen handelt es sich hier um Zeiten, die nach dem Start des Regelungsprozesses vergehen, bis ein Optimum der Stellgrößen gefunden ist, und um systembedingte Verzögerungen und Totzeiten, die zwischen dem Auftreten einer Störung und ihrer Ausregelung (Auffinden neuer optimaler Stellgrößen) liegen. Forderungen nach einem bestimmten Zeitverhalten sind nur sinnvoll im Zusammenhang mit Angaben über zulässige Abweichungen der Zielfunktion bzw. der Stellgrößen vom optimalen Wert nach Verstreichen der vorgegebenen Zeit. Diejenigen dimensionsbehafteten Größen, die hier angesetzt werden, bestimmen die regelungstechnische Struktur, den hardwaremäßigen Aufbau und die Komplexität von ACO-Regler, Meßgliedern und Stellgliedern. Ein Verkleinern der Verzögerungszeiten und/oder ein Erhöhen der Genauigkeit verbessern zwar die Wirkung des ACO-Systems -weil auftretende Störungen schneller und stärker unterdrückt werden- und damit den Nutzen, aber es ergibt sich auch ein erhöhter Aufwand beim Entwurf und der Ausführung des Systems. Welche Werte hier zu einem günstigen Kompromiß von Aufwand und Nutzen führen, hängt vom Steuerungsverhalten, vom Störverhalten und der Beobachtbarkeit des Prozesses und von der Art der auftretenden Störungen ab. Ist der Prozeß störunempfindlich, schwer steuerbar, schlecht beobachtbar, und treten zudem Störungen nur selten bei geringer Dauer und kleiner Störamplitude auf, so wird ein ACO-System wenig nutzbringend sein. Ist hingegen der Prozeß sehr störempfindlich und ist häufig mit länger anhaltenden Störungen großer Amplitude zu rechnen, kann schon wenig Aufwand zur Prozeßsteuerung und

Mit den Ausführungen des vorangegangenen Abschnitts sind bereits die wichtigen Meßgrößen für technologisches ACO-Fräsen und wünschenswerte Eigenschaften der zu ihrer Erfassung notwendigen Meßeinrichtungen bekannt. Somit müssen zunächst der Werkzeugverschleiß in seinem zeitlichen Verlauf, sowie Zerspankräfte, Zerspanleistungen und möglicherweise Temperaturen gemessen werden. Die Messungen sollen dabei mit höchstmöglicher Genauigkeit und möglichst am laufenden Prozeß durchgeführt werden, weil dann der ACO-Regler am erfolgreichsten arbeiten kann.

Im Laufe der durchgeführten Untersuchungen sollte zunächst geklärt werden, wie sich die entwickelten Sensoren im Betrieb an der Fräsmaschinen verhalten. Im Vordergrund standen dabei die Fragen nach dem Einsatzbereich, der Zuverlässigkeit und der Meßgenauigkeit, die insbesondere den Verschleißsensor betrafen. Einflüsse auf diese Eigenschaften der Sensoren mußten erkannt und ihre störende Wirkung durch geeignete Maßnahmen vermindert oder wenn möglich, beseitigt werden.

Die Ergebnisse der Fräsversuche bestätigen, daß vom Prozeß her die Voraussetzungen für die Realisierbarkeit einer ACO-Strategie mit den Ansätzen aus Abschnitt 4 gegeben sind. Darüber hinaus bieten aber die Prozeßeigenschaften keine besonders günstige Ausgangsbasis für den Entwurf eines schnellen und genauen Reglers, weil sie nicht in ein Modell gefaßt werden konnten, das die Einwirkung von Stell- und Störgrößen auf die Verschleißentwicklung im wesentlichen beschreibt und keinen Sonderfall darstellt. Es kommt daher nur ein Reglertyp in Frage, der die Stellgrößen direkt am Prozeß optimiert (s.Abschnitt 1). Ausgehend von einem Startpunkt im Lösungsbereich werden vom Regler zunächst kleine Veränderungen der Stellgrößen vorgenommen (Suchschritte, Probeschritte) um die Reaktion des Prozesses in der Umgebung des Startpunktes zu untersuchen. Basierend auf diesen Testergebnissen werden dann nach einem bestimmten System Suchrichtungen und Verstellschrittweiten für die Stellgrößen erzeugt, die schließlich zum optimalen Arbeitspunkt hinführen sollen (Verstellschritte, Arbeitsschritte). über derartige Suchverfahren existiert bereits umfangreiche Literatur (Zusammenstellungen in [1.3], [7.1]). Abhängig von der Form der zu optimierenden Zielfunktion, der Anzahl der Variablen, der Form und Anzahl von Begrenzungen, dem zulässigen Speicherplatzbedarf und der zulässigen Konvergenzgeschwindigkeit bringt dieses oder jenes Verfahren in einem bestimmten Anwendungsfall größere Erfolge. Bei der Optimierung von realen Prozessen durch einen ACO-Regler des genannten Typs, sind die Auswirkungen von Meßwertestörungen auf die Konvergenz und die Konvergenzgeschwindigkeit des Suchverfahrens von vorrangiger Bedeutung [7.2]. Zufällige Schwankungen des Meßsignals und die damit verbundenen Schwankungen der Zielfunktion führen zu Fehlentscheidungen des Reglers über die zu verwendende Suchrichtung und Verstellschrittweite und zu irrtümlicher Stellgrößenbeeinflussung.

Für den Aufbau des ACO-Systems “Fräsen“ konnte die Versuchsanlage nach Bild 6-1 genutzt werden, weil sie die gerätetechnischen Voraussetzungen für die Meßgrößenerfassung und die Beeinflussung der Stellgrößen des Fräsprozesses bereits erfüllte. Bild 8-1 zeigt den Versuchsstand in der Maschinenhalle, Bild 8-2, das mit den Meßwertaufnehmern versehene Werkzeug, das für die Fräsversuche unter Kontrolle des ACO-Reglers Verwendung fand.

Seit der ersten Vorstellung eines ACO-Systems im Jahre 1964 durch die Fa. Bendix Corporation [2.1] wurde nur noch ein ACO-Pilotsystem für die Fräsbearbeitung bekannt [2.14].