Ein Haupteinsatzgebiet der Großraummanipulatoren stellen Betonverteilermasten dar. Aufgrund der langen schmalen Armkonstruktionen fällt bei diesen Maschinen der Trend zum Leichtbau bezüglich der Dynamik besonders ins Gewicht. Um die Vorteile leichter Konstruktionen wie geringere Achslasten, geringerer Kraftstoffverbrauch und kleinere Antriebe nutzen zu können, werden Regelungen benötigt, die die Struktur stabilisieren und ein Schwingen der Mastspitze verhindern. Zur Systemanalyse und Regelungsauslegung wurde ein Mehrkörpermodell aus starren und elastischen Körpern sowie den notwendigen Hydraulikzylindern erstellt und durch Messungen validiert. Am Modell konnte gezeigt werden, dass die Regelung im letzten Gelenk die Schwingung an der Mastspitze maßgeblich beeinflusst und zur Schwingungstilgung eingesetzt werden kann. Hierfür wird die Bewegung des Verteilermastes durch eine Ausgleichsbewegung im letzten Gelenk kompensiert, sodass die Mastspitze keine starken Schwingungen ausführt. Die Schwingungen werden über Beschleunigungsmessung detektiert und nach entsprechender Filterung kann die Bewegung bestimmt werden. Mittels Sliding Mode Control erfolgt die Berechnung der schwingungsmindernden Zylinderkraft und garantiert somit Robustheit gegenüber Modellierungsungenauigkeiten und äußeren Störungen. Die Kraftregelung des Hydraulikzylinders wird anschließend über eine Integrator-Backstepping Regelung realisiert. Die resultierende Schwingungsminimierung beträgt in unterschiedlichsten Maststellungen bis zu 95%. / A special case of multi-link manipulators are truck mounted concrete pumps. Due to the lightweight design of the long and slender boom, it is vulnerable to vibrations. The advantages are smaller masses and therefore less actuation power which results in smaller actuators with less fuel consumption. In order to retain the advantages of lightweight design, special controllers are needed to stabilize the overall system and result in a vibration free motion of the boom tip. A multibody system with flexible bodies has been built in order to analyse the system's behaviour and to test and design appropriate control strategies. It could be demonstrated, that controlling only the last joint of the boom decisively effects the motion of the boom tip and is therefore suitable to suppress vibrations. The idea is to compensate the boom's motion by adjusting the last joint angle in a way, so that the boom tip stays at its initial position. In order to implement these findings and obtain a robust control three steps are necessary: the boom's motion must be measured and a vibration reducing force defined which has to be applied by the hydraulic actuator. The vibrations are detected by acceleration measurement and after appropriate filtering a joint angle trajectory can be determined. The cylinder force is found using Sliding Mode Control which guarantees robustness against modeling inaccuracies and external disturbances. A mathematical description of the last segment is necessary for the design of this nonlinear control strategy. The force control of the hydraulic cylinder is then implemented via backstepping control. The resulting vibration is minimized by this control by up to 95% at different boom positions.

Ein Haupteinsatzgebiet der Großraummanipulatoren stellen Betonverteilermasten dar. Aufgrund der langen schmalen Armkonstruktionen fällt bei diesen Maschinen der Trend zum Leichtbau bezüglich der Dynamik besonders ins Gewicht. Um die Vorteile leichter Konstruktionen wie geringere Achslasten, geringerer Kraftstoffverbrauch und kleinere Antriebe nutzen zu können, werden Regelungen benötigt, die die Struktur stabilisieren und ein Schwingen der Mastspitze verhindern. Zur Systemanalyse und Regelungsauslegung wurde ein Mehrkörpermodell aus starren und elastischen Körpern sowie den notwendigen Hydraulikzylindern erstellt und durch Messungen validiert. Am Modell konnte gezeigt werden, dass die Regelung im letzten Gelenk die Schwingung an der Mastspitze maßgeblich beeinflusst und zur Schwingungstilgung eingesetzt werden kann. Hierfür wird die Bewegung des Verteilermastes durch eine Ausgleichsbewegung im letzten Gelenk kompensiert, sodass die Mastspitze keine starken Schwingungen ausführt. Die Schwingungen werden über Beschleunigungsmessung detektiert und nach entsprechender Filterung kann die Bewegung bestimmt werden. Mittels Sliding Mode Control erfolgt die Berechnung der schwingungsmindernden Zylinderkraft und garantiert somit Robustheit gegenüber Modellierungsungenauigkeiten und äußeren Störungen. Die Kraftregelung des Hydraulikzylinders wird anschließend über eine Integrator-Backstepping Regelung realisiert. Die resultierende Schwingungsminimierung beträgt in unterschiedlichsten Maststellungen bis zu 95%. / A special case of multi-link manipulators are truck mounted concrete pumps. Due to the lightweight design of the long and slender boom, it is vulnerable to vibrations. The advantages are smaller masses and therefore less actuation power which results in smaller actuators with less fuel consumption. In order to retain the advantages of lightweight design, special controllers are needed to stabilize the overall system and result in a vibration free motion of the boom tip. A multibody system with flexible bodies has been built in order to analyse the system's behaviour and to test and design appropriate control strategies. It could be demonstrated, that controlling only the last joint of the boom decisively effects the motion of the boom tip and is therefore suitable to suppress vibrations. The idea is to compensate the boom's motion by adjusting the last joint angle in a way, so that the boom tip stays at its initial position. In order to implement these findings and obtain a robust control three steps are necessary: the boom's motion must be measured and a vibration reducing force defined which has to be applied by the hydraulic actuator. The vibrations are detected by acceleration measurement and after appropriate filtering a joint angle trajectory can be determined. The cylinder force is found using Sliding Mode Control which guarantees robustness against modeling inaccuracies and external disturbances. A mathematical description of the last segment is necessary for the design of this nonlinear control strategy. The force control of the hydraulic cylinder is then implemented via backstepping control. The resulting vibration is minimized by this control by up to 95% at different boom positions.

Ausgangspunkt der hier vorgestellten Entwicklungen ist eine am ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V. entwickelte adaptronische Werkzeugmaschinen-Hauptspindel zur variablen Einstellung der Lagervorspannkräfte. Diese neuartige Werkzeugmaschinenspindel bietet Anwendungspotentiale in den Bereichen: verbessertes Hochdrehverhalten, erhöhte Flexibilität des Bearbeitungsspektrums, Lebensdauererhöhung der Wälzlager durch verbessertes Bohr-Roll-Verhältnis sowie einer optimierten Spindeldynamik durch gezielte Verschiebung der Eigenfrequenzen. Ziel war die Entwicklung einer möglichst dynamischen und genauen Ansteuerung des in der Hauptspindel enthaltenen hydraulischen Vorspannelementes. Dieser Beitrag fasst das Vorgehen und die bisherigen Ergebnisse zusammen. Auf die Eigenentwicklung eines hydraulischen Aktuators sollte verzichtet werden, sodass die Ansteuerung über ein direktgesteuertes Regelventil erfolgt. Mit einer einfachen Druckregelung mit PID-Regler konnten nur unzureichende Ergebnisse hinsichtlich Dynamik und Regelkreisstabilität erzielt werden. Hinzu kommt die geringe Genauigkeit der Krafteinstellung bei Anwendung einer einfachen Druckregelung. Zur Verbesserung der Ansteuerungsdynamik und -genauigkeit des Vorspannelementes sollten erweiterte Regelungsstrukturen zur Anwendung kommen. Im Projekt wurde hierzu ein modellbasierter Regler entwickelt und in einer dem Experiment vorgelagerten Untersuchung an einem Systemsimulationsmodell getestet und optimiert. Ausgangspunkt für die simulationsgestützte Reglerauslegung war die Entwicklung eines Regelstreckenmodells in SimulationX. Die Modellentwicklung umfasste den Vergleich zweier grundlegender Modellierungsansätze, eines bidirektionalen Modells mit einem linearen Signalflussmodell hinsichtlich Modellgenauigkeit und Rechenperformance. Zur Untersuchung der Reglerfunktionalität sowie zur Optimierung der Reglerparameter wurde die in SimulationX vorhandene COM-Schnittstelle genutzt und eine vereinfachte Optimierungsfunktion in Matlab umgesetzt. Für die experimentelle Validierung des Ansteuerungssystems wurde die entwickelte modellbasierte Reglervorsteuerung in der Programmierumgebung LabView umgesetzt. Erste Tests erfolgten zunächst an der stehenden Hauptspindel. Diese zeigten ein sehr dynamisches und stabiles Regelungsverhalten, sodass neben einfachen Sprungvorhaben auch Trajektorienvorgaben mit hoher Dynamik geregelt werden können. Es konnte eine deutliche Verbesserung gegenüber der zu Beginn vorhandenen einfachen Druckregelung erzielt werden. Umfangreichere experimentelle Untersuchungen an der drehenden Spindel für unterschiedliche Regelungs- und Bearbeitungsszenarien sollen in Zukunft durchgeführt werden. Dabei stehen vor allem die Verkürzung der Hochdrehzeiten für Bearbeitungsprozesse mit geringer Lagervorspannung sowie die anwendungsspezifische Optimierung der Spindeldynamik durch Eigenfrequenzverschiebungen im Vordergrund. / The starting point of the developments presented here is an adaptronic machine tool main spindle developed at the ICM - Institute Chemnitz Machine and Plant Construction e.V. for variable adjustment of the bearing preload forces. This new type of machine tool spindle offers application potential in the areas of: improved high-speed behavior, increased flexibility of the machining spectrum, increased service life of the roller bearings through improved drilling-rolling ratio and optimized spindle dynamics through targeted shifting of the natural frequencies. The aim was to develop the most dynamic and precise control possible for the hydraulic pretensioning element contained in the main spindle. This article summarizes the procedure and the results so far. The in-house development of a hydraulic actuator should be avoided, so that the control takes place via a directly controlled control valve. With a simple pressure control with a PID controller, only insufficient results could be achieved in terms of dynamics and control loop stability. Added to this is the low accuracy of the force setting when using a simple pressure control. Extended control structures should be used to improve the control dynamics and accuracy of the preload element. For this purpose, a model-based controller was developed in the project and tested and optimized on a system simulation model in an investigation prior to the experiment. The starting point for the simulation-based controller design was the development of a controlled system model in SimulationX. The model development included the comparison of two basic modeling approaches, a bidirectional model with a linear signal flow model in terms of model accuracy and computational performance. The COM interface available in SimulationX was used to examine the controller functionality and to optimize the controller parameters, and a simplified optimization function was implemented in Matlab. For the experimental validation of the control system, the developed model-based controller pre-control was implemented in the LabView programming environment. The first tests were initially carried out on the stationary main spindle. These showed a very dynamic and stable control behavior, so that in addition to simple jump projects, trajectory specifications can also be controlled with high dynamics. A clear improvement could be achieved compared to the simple pressure control that was available at the beginning. More extensive experimental investigations on the rotating spindle for different control and processing scenarios are to be carried out in the future. The main focus here is on reducing the ramp-up times for machining processes with low bearing preload and the application-specific optimization of the spindle dynamics through natural frequency shifts.