Antriebstechnik

Hochgenaues Positionieren mit elektrischen Stellantrieben

Ein Bewegungsantrieb leistet in erster Linie mechanische Arbeit für Verformung, Transport und Bearbeitung. Meist liegt sein stationärer Arbeitspunkt bei einer von Null verschiedenen Winkelgeschwindigkeit. Im Unterschied dazu besteht die Hauptaufgabe des Stell- oder Servoantriebs darin, die gewünschte Lage eines Werkstücks oder Maschinenelements der Ver- oder Bearbeitungsmaschine mit höchster Präzision in kürzester Zeit zu erreichen und definiert zu halten. Bevorzugt vom Arbeitspunkt Drehzahl Null aus realisiert er dazu für vorgegebene Weg- oder Winkeländerungen, überwiegend Beschleunigungs- und Bremsvorgänge. Alle Komponenten haben im Ergebnis der Optimierung für die Positionieraufgabe Besonderheiten.

Leistungsfähige Servoantriebe verantworten die Ablösung des Zentralantriebs mit „Königswelle“ und Gestängen, Gelenken, Kurvenscheiben, Kupplungen, mechanischen Bremsen. Sie werden für Drehmomente von unter 0,5 bis mehr als 500 Newtonmeter und für Leistungen bis über 20 Kilowatt angeboten. Unterhalb 500 Watt spricht man Kleinantrieben. Haupteinsatzgebiete des Servos finden sich bei Robotern und Handhabungsmaschinen, Werkzeug-, Veredelungs-, Druck-, Kunststoff- und Verpackungsmaschinen, Intralogistik- und Transportsystemen. Mechatronische Lösungen kommen ohne Stellantriebe nicht aus.

Stellmotore

Derartige elektrische Maschinen mit der Schutzart bis IP 54 und gegebenenfalls mit Atex-Zulassung sind sehr robust und von vornherein ausgeprägt positionierfähig, sofern ein Resolver oder Encoder bereits integriert ist. Servomotore sind gekennzeichnet durch ein hohes Anlauf-, Rast- und Betriebsmoment (High-Torque-Ausführung), mehr als vierfache Kurzzeitüberlastbarkeit, gute Wärmeabfuhr, Wirkungsgrade bis über 90 Prozent, geringe Baugröße, großes Leistungsgewicht, größere Länge (wegen des geringeren Läuferdurchmessers), kleines Trägheitsmoment für eine hohe Dynamik, besonders gleichförmige Drehbewegung, einfache Montage von Dreh- und Winkelgebern sowie von Getrieben und durch verstärkte Lager. Besteht das Gehäuse aus Aluminium, steigt das Leistungsgewicht. Die Option Hohlwelle erleichtert konstruktive Gesamtlösungen. In der Regel weisen derartige Maschinen eine Bremse auf zum sicheren Halt im stromlosen Zustand. Ein integrierter, temperaturabhängiger Widerstand schützt vor unzulässiger Erwärmung. Stellmotore gibt es ebenfalls mit eingebautem, zugeschnittenem Getriebe (Getriebemotor). Außerdem eignen sie sich als Direktmotor zum unmittelbaren konstruktiven Verbund mit der Arbeitsmaschine (Bild 1).

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Umrichterfeste Motore (Isolationsklasse F, H) für hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit stehen sowohl in Gleichstrom-, bürstenloser EC-Gleichstrom- als auch in Drehstromausführung (Asynchron- und PM-Synchronmaschine) für Klein- und Niederspannung zur Verfügung. Konstruktiv existieren neben dem klassischen Aufbau die Bauformen Schritt-, Glockenläufer- sowie Drehstab- respektive Spindelmotor. Scheibenläufer sparen wegen ihrer flachen Bauform Raum. Permanenterregte EC- und Synchronmaschinen erreichen mit Selten-Erd-Magneten die genannten Eigenschaften besonders gut.

Durch die verschleißarme und servicefreundliche Ausführung entfallen Wartungsarbeiten und die Zuverlässigkeit steigt. Daher muss die Maschinenkonstruktion keine Rücksicht auf den Zugang nehmen. Stellmotore sind fremd- oder selbstgekühlt. Alle Varianten – selbst PM-Synchronmotoren – setzen die Feldschwächung ein zum Ausdehnen des Drehzahlstellbereichs auf mehr als eins zu 10.000 und zum Erreichen maximaler Drehzahlen (bis 20.000 Umdrehungen je Minute und darüber) für hohe Leistungen.

Servoantrieb

Zusammen mit fremdgesteuerten (für Asynchron- und Synchronmaschinen), selbstgesteuerten Umrichtern (für EC-Motoren) und Gleichstromumrichtern für Gleichstrommaschinen (Bild 2) sowie der Informationsverarbeitung entsteht aus dem elektromechanischen Energiewandler Stellmotor ein kompaktes, hochdynamisches Antriebssystem, das in seinem Leistungsvermögen den Bewegungsantrieb übertrifft. Sein elektronischer Teil lässt sich sowohl anstelle des Anschlusskastens (Integral- oder Kompaktantrieb), in unmittelbarer Motornähe oder auf einer Hutschiene im Schaltschrank montieren. Quasi in der Ausprägung eines Automatisierungssubsystem kann es zusätzlich technologienahe Aufgaben übernehmen. Mit den Fähigkeiten Master- und Steuerungsfunktionalität, Visualisierung sowie Kommunikation (untereinander sowie zum übergeordneten System) werden vom Antrieb selbständig Teilprozesse autark und präzise ausgeführt. Der zeitkritische Datenaustausch zwischen Leitzentrale und Antrieb entfällt. Antriebstechnik und Automation wachsen zusammen und beschleunigen die Dezentralisierung in der Anlagenstruktur. Im Stand-Alone-Betrieb wie im Verbund arbeitet der Servoantrieb mit integriertem Schutz (Überlast- und Übertemperaturüberwachung/-abschaltung) zuverlässig. Eine Stromregelung prägt dem Motor verzögerungsarm das gewünschte Drehmoment ein. Zusammen mit einer Präsizionslageregelung wird die gewünschte Position sehr genau und in minimaler Zeit erreicht. Bei Bedarf beinhaltet der Servo die elektronische Funktion „Sicherer Halt“ der Kategorie 3 nach DIN EN 954-1.

Mehrere derartiger Stellantriebe bilden – gegebenenfalls zusammen mit Standardbewegungssystemen – das Mehrmotorensystem einer verteilten Anlage oder einer Maschine mit Versorgung vom Energiebus (Bild 3a). Oft wird der Zwischenkreis von einem größeren Einrichtungs-Netzstromrichter und jeder Motor von dem an die Gleichspannungsschiene geschalteten Wechselrichter gespeist (Bild 3b). Den generatorischen Bremsstrom eines Motors verbraucht eine andere Maschine. Verringerter Netzstrom (trotz fehlender Rückspeisemöglichkeit), ein einfacheres Bremssystem und weniger Kabelaufwand folgen daraus.

Eine zentrale oder die dezentral einem Führungsantrieb lokal zugeordnete Steuerung erkennt die zugehörigen Motoren, um mit diesem Wissen die Gruppe funktionell über einen Führungssollwert zu koordinieren (Masterfunktionalität). Gleichsam wie eine virtuelle, elektronische Welle sorgt sie für Gleichlauf der zugehörigen Arbeitsmaschinen (Bild 4). Die bei Erfordernis sogar sicherheitsgerichtete Querkommunikation höchster Geschwindigkeit mit einem geeigneten Feldbus (zum Beispiel Sercos, Profibus-DP) synchronisiert die arbeitsmaschinennah montierten Antriebe. Selbst bei mehrdimensionalen Vorgängen (beispielsweise für Roboter) laufen die Systeme winkelgetreu und ruckfrei. Eine solche Bewegungs- und Positionssteuerung mit freiprogrammierbaren sowie adaptiven Steuerungs- und Regelungsfunktionen – als Motion Control (MC) bezeichnet – sichert die logische und funktionelle Zusammenarbeit umrichtergespeister Einzelantriebe unterschiedlicher Drehzahl mit kompliziertesten Bewegungsfunktionen. Der Verbund entspricht einem winkelsynchronen, elektronischem Getriebe mit unabhängiger Momentenregelung jeden Motors, das die mechanische Synchronisation über die „Königswelle“ ersetzt. Zykluszeiten der Regelung von weniger als einer Millisekunde bei mehr als 100 Antriebsachsen sind zu erreichen. Der Jitter, die maximale Ungenauigkeit in der getakteten Regelung, sinkt unter eine Mikrosekunde. Darüber hinaus verkürzt MC die Maschinenumrüstzeit und flexibilisiert Maschineneinsatz- und Fertigungsprogramme. Kostengünstiger projektiert, installiert, inbetriebgesetzt (Plug & Play) wirtschaftet das System energieeffizient, verlustarm und umweltfreundlich (Geräusch, EMV, Entsorgung). Neben der programmierbaren Hardware-MC gibt es alternativ die auf einem Industrie-PC zu implementierende Softwarelösung als Soft Motion.

Anlagentechnik

Hinsichtlich Hard- und Software modulare Servoantriebe erlauben als Plattform (zusammen mit entsprechend konstruierten Maschinenelementen), Anlagen und Maschinen kostengünstig und anpassungsfähig wie aus einem Baukasten zu fügen. Über die Kommunikationsschnittstelle kann selbst die einzelne Antriebskomponente in die Betriebshierarchie eingebunden werden. Mit dem direkten Zugriff verbessern sich Betriebsführung und Service. Infolge der dezentralen Struktur steigt die Anlagenverfügbarkeit; Umrüstung und Modernisierung bei Produktwechsel werden einfacher.Joachim Krause

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