Georgia Tech nutzt NI LabVIEW für ein Zylinderkoordinatenmessgerät

Author(s):
Thomas Kurfess - Georgia Institute of Technology

Industry:
University/Education, Machines/Mechanics

Products:
Real-Time Module, Simulation Module, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Control Design Toolkit, Motion Control

The Challenge:
Reduzierung der Einrichtungszeit durch aktives Zentrieren eines Lagerrings auf einer Rotationsspindel in einer Zylinderkoordinatenmessmaschine

The Solution:
Einsatz der Software National Instruments LabVIEW sowie der Hard- und Software für die Erstellung von Steuer- und Regelanwendungen und zur Simulation für die Gestaltung, Implementierung und Prüfung des Steuersystems für die automatische Teilezentrierung in einer zylinderförmigen Messmaschine

Effizienteres System erforderlich

Derzeit werden die mechanischen Abmessungen fertiger Lagerringe in der Fabrik mit einer Zylinderkoordinatenmessmaschine gemessen, in welche die Prüflinge manuell eingelegt und zentriert werden. Der Maschinenbediener legt den fertigen Lagerring auf einen Tisch, der an einer Präzisionsspindel montiert ist, und beginnt mit dem manuellen Zentrierprozess. Er überwacht eine digitale Anzeige eines Weggebers (LVDT = Linear-Voltage Differential Transformer) und klopft an das Lager, bis es mittig eingestellt ist und sich die LVDT-Anzeige innerhalb einer vorgegebenen Toleranz bewegt. Der manuelle Zentrierschritt dauert gewöhnlich eine Minute, um ein Teil innerhalb des Toleranzfensters von 2,5 Mikrometer zu zentrieren. Dann misst die Maschine die mechanischen Abmessungen des Rings, indem sie die Oberfläche des Teils mit einem Kontaktfühler abtastet. Der Bediener verbringt 15 % der gesamten Zeit für den Messzyklus mit der Zentrierung des Teils. Daher können durch Verringerung der für den Zentrierprozess benötigten Zeit die Zykluszeit sowie die Arbeitskosten des Messprozesses für die Teile erheblich reduziert werden.

Durch die Entwicklung eines aktiven Steuerungssystems zur Automatisierung des manuellen Zentrierprozesses lässt sich die Zeit für die Zentrierung maßgeblich verringern. Die manuelle Zentrierung wird nicht nur für die Messtechnik bei Lagern verwendet, sondern ebenfalls in Herstellungsprozessen. Darum könnten Produktionsingenieure eine automatisierte Zentrierung nutzen, um die Zykluszeit des Herstellungsprozesses für unterschiedliche zylindrische Teile zu verringern.

Automatisierung des Zentrierprozesses

Es wurde ein automatisiertes System entwickelt, das aus einem linearen Schieber und einer Präzisionsspindel besteht. Beide Positioniermodule besitzen Luftlager, um die Genauigkeit zu verbessern und eine reibungslosere Bewegung zu erreichen. Der lineare Schieber verfügt über einen bürstenlosen linearen Motor und einen linearen Kodierer. Die Spindel nutzt einen bürstenlosen Motor und einen Drehgeber. Als Messkopf wurde ein LVDT-Weggeber verwendet, der an den linearen Schieber montiert wurde. Außerdem wurde ein fest montierter Auswerfer am Schieber befestigt, um damit den Lagerring zu bewegen. Der Betrieb des Systems ist in drei einzelne Stufen unterteilt:

1. Servo-Positionierstufe

2. Schiebestufe

3. Modifizierungsstufe

Bei der Servo-Positionierstufe wird die Abweichung des LVDT-Messkopfes von der Nullstellung verwendet, um die Geschwindigkeit des linearen Schiebers festzulegen. Das System erfasst die absolute Position der Spitze des Messkopfs in Bezug zur Position der Rotationsspindel. Des Weiteren filtert das System die Rohdaten mithilfe eines Kalman-Filters.

Bei der Schiebestufe werden experimentelle Daten und ein mathematisches Modell eingesetzt, um die Position der Spindel festzustellen, bei der die Lageroberfläche die größte Entfernung zur Mitte der Spindel aufweist. Das System steuert den linearen Schieber mittels eines trapezförmigen Geschwindigkeitsprofils auf die gewünschte Zielposition.

Während der Modifizierungsstufe werden die Ergebnisse der Schiebestufe schließlich mit den Erwartungswerten verglichen.Vor den nächsten Servo-Positionierstufen und Schiebestufen werden dann entsprechende Anpassungen vorgenommen. Zu den Gesamterfolgsmaßstäben gehören die Reduzierung der Zentrierzeit im Vergleich zum manuellen Zentrierprozess und die Möglichkeit, eine wiederholbare Zentriertoleranz zu erreichen.

Für die Geschwindigkeitssteuerung des Linear- wie auch des Drehmotors wird momentan die Motorensteuerungskarte NI PXI-7350 verwendet. Auf dem PXI-Controller wurden übergeordnete Steuerschleifen mithilfe von NI LabVIEW Real-Time mit parallelen, zeitgesteuerten Schleifen implementiert.

Weitere Arbeiten mit Produkten von NI

Zukünftige Planungen sehen vor, die Motorensteuerungsschleifen vom PXI-7350 auf das NI SoftMotion Development Module für LabVIEW und das Modul NI PXI-7831R zu übertragen, um die Steuerungsaktualisierungsrate zu erhöhen und auf dieser Stufe anspruchsvollere Steuerungskonzepte zu implementieren. Das gewinnt vor allem deswegen an Bedeutung, da schwerere Lagerringe geschoben werden sollen. Die erhöhte Masse kann nichtlineare Wirkungen wie z. B. Reibung zwischen dem Ring und der Rotationsspindel erhöhen. Es ist geplant, das NI LabVIEW System Identification Toolkit einzusetzen, um das Regelstreckenmodell von den gemessenen Werten zu ermitteln.Wenn ein genaueres Modell zur Verfügung steht, können anspruchsvollere Steuereinheiten besser entwickelt werden.

Vorteile des Einsatzes von LabVIEW für die Erstellung von Steuer- und Regelanwendungen und die Simulation

Durch den Einsatz der in LabVIEW vorhandenen Werkzeuge für die Erstellung von Steuer- und Regelanwendungen und die Simulation gestalten sich Entwurf und Implementierung von Steuer- und Regelsystemen einfach. Diese Benutzerfreundlichkeit besteht auch, wenn Änderungen oder Updates bei Programmen notwendig werden. Mit LabVIEW können unterschiedliche Programmcodebestandteile schnell integriert werden, darunter auch Code, der in anderen Programmiersprachen geschrieben wurde. Durch die enge Integration der NI-Software mit der Hardware kann zudem die zur Implementierung des Systems erforderliche Zeit verkürzt werden.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Prof. Thomas Kurfess

The George W. Woodruff School of Mechanical Engineering

Georgia Institute of Technology

813 Ferst St.

Atlanta, GA 30332-0405, USA

Tel.: +1-404-894-0301

Fax: +1-404-894-9342

E-Mail: tom.kurfess@me.gatech.edu

 

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