Antriebstechnik FA

Motion Control – Funktionen und Begriffe

Intelligente Antriebe steuern komplexe Vorgänge
Im Bereich der Intralogistik sowie bei Produktionsmaschinen und -anlagen sind – teilweise komplexe – Bewegungen zu realisieren, um ein Gut mit der gewünschten Genauigkeit und Geschwindigkeit zu transportieren sowie zu be- oder verarbeiten. Die Technologie zur Lösung dieser Aufgaben heißt Motion Control. Prof. Dr.-Ing. habil. Günther Brandenburg (TU München) beleuchtet die Hintergründe.

Allgemein betrachtet ist bei einer technischen Bewegungsaufgabe ein Funktionsteil so zu führen, dass sich der Ursprung eines in seinem Schwerpunkt gedachten Koordinatensystems, kurz als Abtriebspunkt bezeichnet, bezogen auf ein raumfestes Bezugssystem auf einer Bahnkurve bewegt.

Die allgemeine räumliche Bewegung eines Funktionsteils ist durch drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade gekennzeichnet. Unter Positionieren wird das Anordnen des bewegten Koordinatenursprungs im raumfesten Bezugssystem verstanden, unter Orientieren das Drehen der Koordinatenachsen des bewegten Systems gegenüber den Achsen des Bezugssystems.

Einen wichtigen Sonderfall stellt die allgemeine ebene Bewegung dar. Dabei wird der Abtriebspunkt mit zwei translatorischen und einem rotatorischen Freiheitsgrad parallel zu einer Ebene geführt. Ein anderer Sonderfall ist die sphärische Bewegung, die um einen Festpunkt mit drei rotatorischen Freiheitsgraden erfolgt.

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Die Bewegungen für kontinuierliche Prozesse mit bahn-, strang- und fadenförmigen Produkten sind meistens umlaufend (gleichsinnig verlaufend). Die Anforderungen beschränken sich in der Regel auf das genaue Einhalten bestimmter Geschwindigkeiten, Drehzahlen, deren Verhältnisses zueinander oder bestimmter Weg-Winkel-Zuordnungen. Wesentlich komplexere Bewegungen ergeben sich hingegen bei Stückgutprozessen.

Komplexe Bewegungen

Bei Verpackungsmaschinen führen beispielsweise mehrere miteinander verknüpfte Werkzeuge komplizierte Bewegungen in Raum und Zeit aus. Diese sind schwingend (wechselsinnig verlaufend, meist periodisch), erfordern oft eine Rast, bei der die Geschwindigkeit null ist oder einen so genannten Pilgerschritt, bei dem die Geschwindigkeit das Vorzeichen wechselt.

Der gewünschten Bewegung der Abtriebsseite ist die Bewegung der Antriebsseite zuzuordnen, wozu ganz allgemein ein ungleichförmig übersetzendes Getriebe dient. Dieses konnte in der Vergangenheit nur mittels Festkörper-Mechanismen realisiert werden, die aus formschlüssigen Getriebegliedern und Gelenken bestehen. Das Bewegungsprogramm ist dabei im Mechanismus gespeichert und lässt sich nicht verändern.

Heute kann diese Aufgabe teilweise oder vollständig mit digital geregelten Servo-Antrieben gelöst werden, wobei viele unterschiedliche Bewegungsprogramme auf kleinstem Raum als Software gespeichert sind. Elektronische Königswellen und Getriebe, rechnerprogrammierbare Nocken- und Kurvenscheiben sowie technologische Standard-Softwarebausteine haben wegen ihrer schnellen Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Produktionsaufgaben Teile des Maschinenbaus konstruktiv wesentlich verändert und funktionell erweitert.

Anwendung und Kosten bestimmen Struktur

Die gesamte Funktionalität einer Motion Control lässt sich in drei Gruppen einteilen: Ablaufsteuerung („Logic“), Bewegungsprogramm („Motion“) und Regelung einschließlich Energiewandlung („Drive“). Ihre gerätetechnische Unterbringung hängt vom Anwendungsfall und von der Kostenstruktur ab. Hier kann man drei Grundstrukturen unterscheiden. In der ersten Struktur bilden Motion und Drive eine Einheit, während die Logik als SPS extern beigestellt wird. In der zweiten Struktur sind alle drei Funktionen zum so genannten Intelligenten Antrieb vereint, und in der dritten Struktur werden Logik und Motion als CNC zusammengefasst und die Drive-Einheiten davon getrennt untergebracht.

Der einfachste Bewegungsfall ist das Positionieren mit einer einzigen Linearachse. Oft liegen jedoch Mehrachssysteme vor. Bei diesen finden sich Bewegungsfunktionen, die auf mehrere – weit gehend unabhängig voneinander ablaufende – Einzelachspositionierungen zurückgeführt werden können, weil keine hohen Anforderungen an ihre zeitliche Synchronität gestellt werden (zum Beispiel bei Regalbediengeräten). Diese Systeme können sehr vorteilhaft mit der Struktur 1 ausgeführt werden. Die Ablaufsteuerung wird dann von einer Maschinen- oder Anlagen-SPS ausgeführt.

Andere Mehrachssysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass hohe Anforderungen an ihre zeitliche Synchronität gestellt werden. Bei zwei Achsen kann beispielsweise der „Master“ eine virtuelle Leitwelle sein, mit der der „Slave“ – etwa eine elektronische Kurvenscheibe – zu synchronisieren ist. Ein analoger Fall liegt vor, wenn der Master ein bewegtes Gut ist, auf dem durch den Slave eine Bearbeitung mit Relativgeschwindigkeit Null (Synchronismus) stattfinden muss, wie bei einem Querschneider: Abhängig von der Materialgeschwindigkeit und der zu schneidenden Länge ist vom Stillstand bis zum Synchronismus zu beschleunigen oder vom übersynchronen Lauf bis zum Synchronismus abzubremsen. Dieser Bewegungsablauf, der sich durch wenige Parameter beschreiben lässt und als Prozessgrößen die Geschwindigkeit der Leitwelle und gegebenenfalls noch Weg-Synchronisiermarken benötigt, lässt sich ebenfalls sehr vorteilhaft in der Struktur 2 realisieren.

Dezentrale, Intelligente Antriebe

Der Intelligente Antrieb nach Struktur 2 ist vorteilhaft, wenn die Gesamtfunktionalität in Maschinenmodulen dezentral ausgeführt werden soll. Auch sehr enge Kopplungen von Bewegung und Ablaufsteuerung (zum Beispiel die schnelle Umschaltung von einer Drehzahl- in eine Momentenregelung bei Schraub-, Schneid- und Punktschweißprozessen) lassen sich sehr gut mit Struktur 2 lösen. Intelligente Antriebe enthalten insbesondere eine Bibliothek von Standard-Softwarebausteinen für häufig wiederkehrende Technologiefunktionen.

Werkzeugmaschinen und Roboter sind Vielachssysteme, deren Lastpunkt auf einer dreidimensionalen Bahnkurve zu führen ist. Im Falle der Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Parallelkinematik sind diese Achsen miteinander gekoppelt. Auf derartige Systeme sind CNC-Anlagen nach Struktur 3 zugeschnitten, die eine umfangreiche Bahnplanung mit Interpolation und nichtlinearen Entkopplungsfunktionen enthält. Mechatronisches Engineering solcher elektrisch-mechanischer Bewegungssysteme heißt Integration von Mechanik, Elektronik und Software auf der Komponenten-, Maschinen- und Anlagenebene bei durchgehender Datenhaltung.Günther Brandenburg

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