Ein fertigungstechnisches Beispiel<\/h2>\n\n\n\n
Als Beispiel f\u00fcr ein einfaches zu regelndes System soll eine idealisierte Werkst\u00fcckbearbeitung auf einer Drehmaschinedienen, wie sie in Abbildung 1 dargestellt ist.<\/p>\n\n\n\n Das zu bearbeitende, rotationssymmetrische Werkst\u00fcck (1) f\u00fchrt eine Drehbewegung aus, die es erm\u00f6glicht, unter Verwendung des Werkzeugs (2) den Durchmesser D des Werkst\u00fccks durch Materialabtrag zu verringern. Der Vorschub des Werkzeugs wird gem\u00e4\u00df CNC Programm derart gesteuert, dass dieser Abtrag bis zum gew\u00fcnschten Durchmesser D erfolgt.<\/p>\n\n\n\n Das Werkzeug ist dabei auf einer Aufnahme (3) gelagert, die einen Abstand C vom Rotationszentrum besitzt. Dieser Abstand C kann zur Kompensation der Werkzeugabnutzung angepasst werden. Eine automatische Regelung eines Systems erfordert vier zentrale Komponenten, die zur L\u00f6sung dieser Aufgabe zur Verf\u00fcgung stehen m\u00fcssen. Die erste Voraussetzung stellt die Definition und automatische Erfassung von Zielgr\u00f6\u00dfen dar, die einer Regelung unterzogen werden sollen. Zum Zweiten muss das System Eingriffsgr\u00f6\u00dfen aufweisen, die es erlauben, diese Zielgr\u00f6\u00dfen zu manipulieren. Drittens ist die Kenntnis des quantitativen Zusammenhanges der Zielgr\u00f6\u00dfen mit den Eingriffsgr\u00f6\u00dfen des Systems erforderlich. Viertens muss eine Strategie zur Anpassung der Eingriffsgr\u00f6\u00dfen vorliegen, welche in der Lage ist, die Zielgr\u00f6\u00dfen in einen a-priori festgelegten Korridor zu steuern und dort zu halten.<\/p>\n\n\n\n Die Abbildung 2 gibt einen \u00dcberblick \u00fcber die f\u00fcr eine automatische Regelung ben\u00f6tigten Grundkomponenten, die wir nachfolgend n\u00e4her betrachten werden. Seit einiger Zeit werden verst\u00e4rkt Messsysteme direkt in die Fertigungsanlagen und Fertigungsmaschinenintegriert. Auf diese Weise k\u00f6nnen die im Fertigungsprozess entstehenden Qualit\u00e4ts- und Prozessdaten in einer Frequenz und Dichte erfasst werden, wie sie f\u00fcr eine effektive Regelung erforderlich ist. Neueste Forschungen versuchen dar\u00fcber hinaus, diese Messsysteme durch sogenannte virtuelle Messtechnik zu erg\u00e4nzen bzw. zu ersetzen. Hierbei werden Qualit\u00e4tsdaten mittels eines digitalen Zwillings des Fertigungsprozesses aus Prozessdaten gewonnen.<\/p>\n\n\n\n In unserem Beispielsystem ist der Durchmesser des Werkst\u00fccks nach der Fertigung automatisch, z. B. durcheinen Laserscanner, zu erfassen. In einer komplexeren Ausbaustufe kann eine dreidimensionale Digitalisierung der Werkst\u00fcckoberfl\u00e4che erfolgen.<\/mark><\/em><\/p>\n\n\n\n Die prinzipielle Regel- oder Steuerbarkeit von Fertigungssystemen ist aus praktischen Erw\u00e4gungen heraus gr\u00f6\u00dftenteils gegeben. Es existieren damit f\u00fcr Bediener:innen bereits Eingriffsm\u00f6glichkeiten an Fertigungssysteme und -maschinen zur Steuerung qualit\u00e4tsrelevanter Zielgr\u00f6\u00dfen. Allerdings fehlt es vielfach noch an der\nAutomatisierbarkeit der entsprechenden Eingriffe, da diese oftmals mit sicherheitskritischen Systemen interagieren oder dieser Aspekt schlicht nicht vorgesehen war.<\/p>\n\n\n\n In unserem Beispielsystem ist der Abstand C die notwendige Eingriffsgr\u00f6\u00dfe. Durch \u00c4nderung von C kann die im CNC Programm hinterlegte Vorschubstrecke an den Werkzeugverschlei\u00df angepasst werden. In der Regel muss diese \u00c4nderung aber noch vom Maschinenbediener manuell vorgenommen werden.<\/mark><\/em><\/p>\n\n\n\n F\u00fcr die Regelung des Systems ist das Wissen dar\u00fcber notwendig, wie sich die Zielgr\u00f6\u00dfen des Systems ver\u00e4ndern, wenn die Eingriffsgr\u00f6\u00dfen des Systems manipuliert werden. Diese Zusammenh\u00e4nge werden in Modellen des Systemverhaltens zusammengefasst und k\u00f6nnen extrem komplex sein, weshalb dieser Aspekt der Regelung eine zentrale Herausforderung darstellt.<\/p>\n\n\n\n In unserem Beispielsystem handelt es sich um den Zusammenhang zwischen dem Abstand C und dem realisierten Durchmesser D. Offenbar ist dieser Zusammenhang linear, da sich das Werkzeug in gleicher H\u00f6he wie die Rotationsachse befindet. W\u00e4re dies nicht der Fall, so w\u00fcrde es sich um einen nichtlinearen Zusammenhang handeln.<\/mark><\/em><\/p>\n\n\n\n Die Regelungsstrategie hat die Aufgabe, die Zielgr\u00f6\u00dfen durch Anpassung der Eingriffsgr\u00f6\u00dfen zu steuern. Der Zusammenhang zwischen diesen Gr\u00f6\u00dfen wird dabei durch das verwendete Modell hergestellt. F\u00fcr die Zielgr\u00f6\u00dfenliegen daf\u00fcr Referenzwerte und Toleranzbereiche vor, welche im Sinne der Qualit\u00e4tssicherung einzuhalten sind.<\/p>\n\n\n\n Da das Systemmodell prinzipbedingt unvollst\u00e4ndig ist, ist es notwendig dieses im Rahmen der Regelungsstrategie durch Feedback des Systems zu adaptieren und zu korrigieren. Zus\u00e4tzlich muss die gew\u00e4hlte Strategie robust gegen\u00fcber St\u00f6rungen des Systems in Form von \u00c4nderungen nicht modellierter externer und interner Einflussgr\u00f6\u00dfen sein, um sicherzustellen, dass das Regelungsziel auch unter diesen Einfl\u00fcssen erreicht wird.<\/p>\n\n\n\n Eine Regelungsstrategie f\u00fcr unser Beispielsystem liegt zun\u00e4chst auf der Hand. Sobald die automatische Messung des Durchmessers D eine Abweichung vom gew\u00fcnschten Durchmesser aufzeigt, wird der Abstand C um diese Abweichung mit umgekehrten Vorzeichen korrigiert. Allerdings vernachl\u00e4ssigt diese Vorgehensweise Aspekte wie systematische und zuf\u00e4llige Messfehler, was die Robustheit der Methode einschr\u00e4nkt.<\/mark><\/em><\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n Wie aus den obigen Erl\u00e4uterungen hervorgeht, stellen die Aspekte Verhalten und Strategie eine besondere Herausforderung dar – sowohl in praktischer wie auch in theoretischer Hinsicht. In den beiden folgenden Artikeln werden wir daher diese beiden Themen in den Mittelpunkt stellen. Dabei besch\u00e4ftigen wir uns im n\u00e4chsten Artikel unter anderem mit der M\u00f6glichkeit einer automatischen Modellierung hochkomplexer technischer Systeme und im letzten Beitrag mit der Entwicklung zugeh\u00f6riger robuster Regelungsstrategien.<\/p>\n\n\n\n Die automatische Regelung von komplexen Systemen stellt eine wachsende theoretische wie technischeHerausforderung dar. Unabh\u00e4ngig davon, ob diese Systeme biologische oder chemische Reaktoren,Windkraftanlagen, Stromnetze, Flugzeuge oder auch Fertigungssysteme darstellen, sind die zu beantwortendenFragen stets vergleichbar. Die kommende Artikelserie wird eine Einf\u00fchrung in dieses interessante Fachgebiet gebenund behandelt im ersten Teil die generellen Grundbausteine von Regelungssystemen anhand einesfertigungstechnischen Beispiels.<\/p>\n","protected":false},"author":162,"featured_media":3455,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"advgb_blocks_editor_width":"","advgb_blocks_columns_visual_guide":"","footnotes":""},"categories":[656],"tags":[737,738,739,736,735],"topics":[740,770],"class_list":["post-3448","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-manufacturing-solutions","tag-data-driven-control","tag-system-identification","tag-model-predictive-control","tag-manufacturing-solutions","tag-advanced-manufacturing","topics-datengetriebene-prozessregelung","topics-manufacturing-solutions"],"acf":[],"yoast_head":"\n![\"\"](\"https:\/\/blogs.zeiss.com\/digital-innovation\/de\/wp-content\/uploads\/sites\/2\/2023\/08\/turning_example_DE-1024x576.jpg\")
Wie wir im Folgenden sehen werden, gen\u00fcgt dieses einfache Beispiel, um die wesentlichen Komponenten einer automatischen Regelung im n\u00e4chsten Abschnitt zu identifizieren.<\/p>\n\n\n\nGrundbausteine von Regelungssystemen<\/h2>\n\n\n\n
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