Wenn Sie Maschinen bauen, arbeiten Sie wahrscheinlich täglich mit Aktuatoren und Positioniereinheiten. Aber erzielen Sie mit diesen Bewegungssystemen wirklich die beste Leistung oder die niedrigsten Betriebskosten? Die Antwort fällt möglicherweise anders aus als erwartet.

Allzu oft betrachten Ingenieure Tische oder Aktuatoren lediglich als einen weiteren Punkt auf der Stückliste. Solange das Bewegungsgerät die gewünschten Anforderungen an Positionierung, Kraft, Nutzlast, Geschwindigkeit und Kosten erfüllt, ist es einsatzbereit.

Bei einfachen Bewegungsanforderungen kann dieser Ansatz zur Tisch- oder Aktuatorauswahl akzeptable Ergebnisse liefern. Maschinen mit komplexen mechanischen Bewegungsanforderungen profitieren jedoch von einer eingebetteten Bewegungsdesignstrategie. Anstelle einer Ansammlung elektromechanischer Komponenten, die möglicherweise nicht optimal zusammenarbeiten, funktionieren eingebettete 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 eingebunden sind. Sie sind bereit, Befehle von einer übergeordneten Computerschnittstelle, Steuerkarte oder SPS entgegenzunehmen. In ihrer einfachsten Form bestehen eingebettete Bewegungssysteme meist aus kaum mehr als einem Tisch oder Aktuator, der mit Steckverbindern ausgestattet wurde, um die Drop-in-Installation zu vereinfachen. In ihrer komplexesten Form erstrecken sich diese Bewegungssubsysteme von der Pinbelegung bis zur Nutzlast. Sie umfassen nicht nur das Bewegungsgerät selbst, sondern auch alles, was es trägt.

Im Vergleich zu einem komponentenbasierten Ansatz zur Maschinenbewegung bietet die eingebettete Bewegung einige überzeugende Vorteile:

Mechanische Leistung

Selbst bei Verwendung desselben Tischs oder Aktuators übertreffen eingebettete Bewegungssysteme in der Regel komponentenbasierte Bewegungssysteme. Der Grund dafür liegt in der Anwendungs- und Montagekompetenz. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über langjährige Erfahrung in der Lösung schwieriger Positionierungsprobleme und eine Reihe bewährter Bewegungsbausteine, die an die jeweilige Aufgabe angepasst werden können. Er kennt die Auswirkungen der Tischdynamik, der Bewegungssteuerungsarchitektur und der Betriebsumgebung auf die Positionierungsanforderungen genau.

Was die Montage betrifft, mangelt es vielen Maschinenbauern an qualifizierten Technikern, Spezialvorrichtungen, Laserinterferometern und anderen Messsystemen, die für die Ausrichtung der hochpräzisen Mehrachsentische erforderlich sind – deren Ausrichtungstoleranzen von Achse zu Achse oft im Mikrometerbereich liegen.

Steuerungskompetenz

Eingebettete Bewegungssysteme können je nach Kundenanforderung mit oder ohne Bewegungssteuerung ausgeliefert werden. Eine Steuerungsstrategie sollte jedoch immer Teil der eingebetteten Bewegungsgleichung sein. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über umfassende Kenntnisse darüber, wie verschiedene Bewegungssteuerungsplattformen und ihre kinematischen Fähigkeiten mit den mechanischen Bewegungssystemen interagieren. Dieses Wissen ermöglicht es uns, die Grenzen des Möglichen hinsichtlich dynamischer Fähigkeiten, wie beispielsweise akzeptabler Trägheitsfehlanpassungsverhältnisse, zu erweitern.

Zuverlässigkeit

Bei der Inbetriebnahme eines neuen Bewegungssystems treten häufig Probleme auf, weil einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht richtig funktionieren – oder nicht richtig zusammenarbeiten. Beispielsweise kann ein einziger fehlerhafter Stecker oder ein falsches Kabel selbst den besten Bewegungstisch lahmlegen. Eingebettete Bewegungssysteme vermeiden diese Art von Fehlern, da sie vor der Integration in die Produktionsmaschine als System montiert und getestet werden. Bei Bewegungssystemen, die aus Einzelkomponenten bestehen, können kleine Fehler und Inkompatibilitäten bis zur Fertigstellung der Produktionsmaschine unentdeckt bleiben.

Kostensenkung

Eingebettete Bewegungssysteme kosten typischerweise 25 bis 50 % weniger als ihre komponentenbasierten Pendants. Diese Einsparungen resultieren unter anderem aus der Möglichkeit, die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren – beispielsweise durch die Integration von Halterungen, Steckverbindern und anderen Komponenten. Die Kostensenkung kann deutlich über 50 % betragen, 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 mehr.

Viele Anwendungen profitieren von den Vorteilen eingebetteter Bewegungssteuerung. Wir haben diesen Ansatz bereits in Dutzenden von Halbleiter-, Nassbank-, Laserschneid-, Verpackungs- und Laborautomatisierungsmaschinen implementiert.

Die versteckten Kosten von Bewegungssystemen

Aus Komponenten bestehende Bewegungssysteme weisen eine Reihe versteckter Kosten auf, die durch den Ansatz der eingebetteten Bewegung vermieden werden können, darunter:

1. Kosten für die Markteinführungszeit. Eingebettete Bewegungssysteme, die von Natur aus Simultaneous Engineering unterstützen, können die Entwicklungszeit einer komplexen Maschine um Wochen oder sogar Monate verkürzen.
2. Kosten für Programm-, Produktions- und Materialverwaltung. Eingebettete Bewegungssysteme werden als einzelne Stückliste geliefert, sodass Hunderte von Teilen nicht bestellt, inventarisiert und zusammengebaut werden müssen.
3. Produktionskosten. Präzisionsbewegungssysteme erfordern qualifizierte Montagetechniker und spezielle Produktionsanlagen, deren Kosten sich bei unzureichender Auslastung nur schwer rechtfertigen lassen.
4. Garantie- und Ausfallkosten. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme gewährt eine Garantie gegen Ausfälle und steht hinter seiner Arbeit. Dies reduziert das Risiko des OEM.

Diese unkonventionelle CNC-Maschine erfüllt alle Anforderungen einer idealen Embedded-Motion-Anwendung. Sie erforderte:

1. Sowohl Steuerungs- als auch Mechanik-Know-how.Die Verbindung des mechanischen Systems mit den Steuerungen und Verstärkern, die die komplexe Kinematik der Polarbewegung unterstützen, erforderte einen systematischen Ansatz und monatelange Tests. Für den Bau dieses neuen CNC-Systems mussten wir außerdem eine Reihe von Ausrichtungstechniken und Werkzeugen entwickeln.

2. Kompaktes Design, einfache Integration.Platz war auf dieser CNC-Maschine im Desktop-Format Mangelware. Das Design des Servomoduls Rotary mit seiner großen, ungehinderten Durchgangsbohrung ermöglichte eine effiziente Raumnutzung. Die 100-mm-Durchgangsbohrungen ermöglichten die einfache Luftzufuhr bis zur Spindel, die Einbettung eines Materialindexierers auf der Werkstückseite und die Herstellung aller erforderlichen Stromanschlüsse.

3. Kostendämpfung.Ein interessanter Aspekt dieses eingebetteten Bewegungssystems ist, dass es nicht komplexer ist als nötig. Die wichtigste funktionale Anforderung betraf die Oberflächengüte, nicht die Positioniergenauigkeit. Die Positionierungsanforderungen sind, zumindest nach unseren Maßstäben, tatsächlich recht gering. Daher konnten wir auf direkt ablesbare Encoder verzichten und das gesamte System im offenen Regelkreis betreiben. Das sparte unserem Kunden Tausende von Dollar pro Maschine.

Erste Schritte mit Embedded Motion

Der Sprung von komponentenbasierten Bewegungssystemen zu eingebetteten Bewegungssystemen mag wie ein Vertrauensvorschuss erscheinen. Schließlich lagern Sie die Bewegungssteuerung an einen Anbieter aus.

Mit dem richtigen Anbieter zahlt sich das Outsourcing jedoch durch verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit aus. Auch die Kosten sinken, da die Bewegungssubsysteme vollständig getestet, mit Garantie versehen und einsatzbereit in Ihrer Maschine bei Ihnen eintreffen.