Wer Maschinen baut, arbeitet wahrscheinlich täglich mit Aktuatoren und Positioniersystemen. Aber erzielt man mit diesen Bewegungssystemen wirklich die beste Leistung oder die niedrigsten Betriebskosten? Die Antwort ist vielleicht nicht die, die Sie erwarten.

Allzu oft betrachten Ingenieure Positioniereinheiten oder Aktuatoren lediglich als einen weiteren Posten in der Stückliste. Solange die Bewegungsvorrichtung die gewünschten Anforderungen an Positionierung, Kraft, Nutzlast, Geschwindigkeit und Kosten nominell erfüllt, ist sie einsatzbereit.

Bei einfachen Bewegungsanforderungen kann dieser Ansatz zur Auswahl von Positioniersystemen oder Aktuatoren zu akzeptablen Ergebnissen führen. Maschinen mit komplexen mechanischen Bewegungsanforderungen profitieren jedoch von einer integrierten Bewegungsstrategie. Anstatt aus einer Ansammlung elektromechanischer Komponenten zu bestehen, die möglicherweise nicht optimal zusammenarbeiten, fungieren integrierte Bewegungssysteme als echte Plug-and-Play-Maschinensubsysteme.

Eingebettete Bewegungssysteme sind so konstruiert, dass sie in einen vordefinierten physischen Raum einer Maschine passen und in deren Bewegungssteuerungssystem integriert werden. Sie sind bereit, Befehle von einer übergeordneten Computerschnittstelle, einer Steuerkarte oder einer SPS zu empfangen. Im einfachsten Fall bestehen eingebettete Bewegungssysteme lediglich aus einer Positioniereinheit oder einem Aktor mit entsprechenden Anschlüssen für eine einfache Installation. Im komplexesten Fall umfassen diese Bewegungssubsysteme die gesamte Pinbelegung sowie die Nutzlast. Sie beinhalten nicht nur das Bewegungsgerät selbst, sondern auch alle zugehörigen Komponenten.

Im Vergleich zu einem komponentenweisen Ansatz zur Maschinenbewegung bietet die eingebettete Bewegungssteuerung einige überzeugende Vorteile:

Mechanische Leistung

Selbst bei Verwendung desselben Tisches oder Aktuators sind eingebettete Bewegungssysteme in der Regel leistungsfähiger als aus einzelnen Komponenten zusammengesetzte Bewegungssysteme. Der Grund dafür liegt in der Anwendungs- und Montagekompetenz. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über jahrelange Erfahrung in der Lösung komplexer Positionierungsprobleme und eine Sammlung bewährter Bewegungsbausteine, die sich an die jeweilige Aufgabe anpassen lassen. Er versteht genau, wie die Tischdynamik, die Bewegungssteuerungsarchitektur und die Betriebsumgebung die Positionierungsanforderungen beeinflussen.

Was die Montage betrifft, so mangelt es vielen Maschinenbauern an den Fachkräften, den speziellen Vorrichtungen, den Laserinterferometern und anderen Messsystemen, die für die Ausrichtung der hochpräzisen Mehrachsen-Tische erforderlich sind – deren Achsen-zu-Achsen-Ausrichtungstoleranzen oft im Mikrometerbereich liegen.

Steuerungsexpertise

Eingebettete Bewegungssysteme können je nach Kundenanforderungen mit oder ohne Bewegungssteuerung ausgeliefert werden. Eine Steuerungsstrategie sollte jedoch immer Bestandteil der Gleichung für eingebettete Bewegungssysteme sein. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über umfassende Kenntnisse darüber, wie verschiedene Bewegungssteuerungsplattformen und deren kinematische Fähigkeiten mit den mechanischen Bewegungssystemen interagieren. Dieses Wissen ermöglicht es uns, die Grenzen des Machbaren hinsichtlich dynamischer Fähigkeiten, wie z. B. akzeptabler Trägheitsabweichungen, zu erweitern.

Zuverlässigkeit

Bei der Inbetriebnahme eines neuen Bewegungssystems treten häufig Probleme auf, weil einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht ordnungsgemäß funktionieren oder nicht miteinander kompatibel sind. Beispielsweise kann ein defekter Stecker oder ein falsches Kabel selbst den besten Bewegungstisch lahmlegen. Eingebettete Bewegungssysteme vermeiden diese Art von Fehlern, da sie als System montiert und getestet werden, bevor sie in die Produktionsmaschine integriert werden. Bei Bewegungssystemen, die aus Einzelkomponenten bestehen, können kleine Fehler und Inkompatibilitäten unentdeckt bleiben, bis die Produktionsmaschine montiert ist.

Kostenreduzierung

Eingebettete Bewegungssysteme sind in der Regel 25 bis 50 % günstiger als vergleichbare, komponentenbasierte Systeme. Diese Einsparungen ergeben sich unter anderem aus der Möglichkeit, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren – beispielsweise durch die Integration von Halterungen, Steckverbindern und anderen Komponenten. Die Kostenreduzierung kann deutlich über 50 % liegen, wenn man alle versteckten Kostenfaktoren berücksichtigt, die mit dem Bau und der Installation eines Bewegungssystems verbunden sind. Dazu gehören Kosten für Konstruktion, Lagerhaltung, Markteinführungszeit und vieles mehr.

Viele Anwendungsbereiche können von eingebetteter Bewegung profitieren. Wir haben diesen Ansatz bereits in Dutzenden von Halbleiter-, Nassbearbeitungs-, Laserschneid-, Verpackungs- und Laborautomatisierungsmaschinen implementiert.

Die versteckten Kosten von Bewegungssystemen

Bei aus Komponenten zusammengesetzten Bewegungssystemen gibt es eine Reihe versteckter Kosten, die durch den Ansatz der integrierten Bewegungssteuerung eliminiert werden können, darunter:

1. Kosten der Markteinführungszeit. Eingebettete Bewegungssysteme, die von Natur aus die gleichzeitige Entwicklung unterstützen, können die Entwicklungszeit einer komplexen Maschine um Wochen oder sogar Monate verkürzen.
2. Programm-, Produktions- und Materialmanagementkosten. Eingebettete Bewegungssysteme werden als einzelnes Stücklistenpositionselement geliefert, wodurch die Bestellung, Lagerung und Montage von Hunderten von Teilen entfällt.
3. Produktionskosten. Präzisionsbewegungssysteme erfordern qualifizierte Montagetechniker und spezielle Produktionsanlagen, deren Kosten sich bei Teilauslastung nur schwer rechtfertigen lassen.
4. Garantie und Ausfallkosten. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme gewährt eine Garantie gegen Ausfälle und steht zu seiner Arbeit, wodurch das Risiko für den OEM reduziert wird.

Diese unkonventionelle CNC-Maschine weist alle Merkmale einer idealen Anwendung für eingebettete Bewegungssteuerung auf. Sie erforderte:

1. Sowohl Steuerungstechnik als auch mechanisches Fachwissen.Die Verbindung des mechanischen Systems mit den Steuerungen und Verstärkern, die die komplexe Kinematik für die Polarbewegung unterstützen, erforderte einen systemorientierten Ansatz und monatelange Tests. Zudem mussten wir eine Reihe von Ausrichtungstechniken und -werkzeugen entwickeln, um dieses neue CNC-System zu bauen.

2. Kompaktes Design, einfache Integration.Bei dieser kompakten CNC-Maschine war der Platz begrenzt. Das Servomodul von Rotary mit seiner großen, ungehinderten Durchgangsbohrung ermöglichte eine effiziente Raumnutzung. Dank der 100-mm-Durchgangsbohrungen ließ sich die Druckluftversorgung direkt an die Spindel anschließen, ein Materialindexierer werkstückseitig integrieren und alle erforderlichen Stromanschlüsse realisieren.

3. Kostenbegrenzung.Ein interessanter Aspekt dieses eingebetteten Bewegungssystems ist seine minimale Komplexität. Die Hauptanforderung betraf die Oberflächengüte, nicht die Positioniergenauigkeit. Die Anforderungen an die Positionierung sind – zumindest für unsere Verhältnisse – recht gering. Daher konnten wir auf direkt ablesbare Encoder verzichten und das gesamte System im Open-Loop-Modus betreiben. Das sparte unserem Kunden Tausende von Dollar pro Maschine.

Erste Schritte mit eingebetteter Bewegung

Der Schritt von komponentenorientierten Bewegungssystemen zu eingebetteten Bewegungssystemen mag wie ein Vertrauensvorschuss erscheinen. Schließlich lagern Sie die Bewegungssteuerung an einen externen Dienstleister aus.

Wählt man jedoch den richtigen Anbieter, zahlt sich das Outsourcing durch verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit aus. Auch die Kosten sinken, da die Antriebssysteme vollständig getestet, mit Garantie versehen und sofort einsatzbereit in Ihre Maschine geliefert werden.