
Die gebräuchlichsten Bewegungsprofile für lineare Bewegungssysteme sind das Trapez- und das Dreiecksprofil. Bei einem Trapezprofil beschleunigt das System von null auf seine Höchstgeschwindigkeit, bewegt sich mit dieser Geschwindigkeit für eine bestimmte Zeit (oder Strecke) und bremst dann auf null ab. Im Gegensatz dazu beschleunigt das Dreiecksprofil von null auf Höchstgeschwindigkeit und bremst dann sofort wieder auf null ab, ohne dass eine konstante Geschwindigkeit auftritt (d. h. die gesamte Bewegungszeit wird für Beschleunigung oder Verzögerung aufgewendet).
In der Realität ist jedoch keines dieser Bewegungsprofile optimal für Bewegungssysteme – insbesondere solche, die eine gleichmäßige Bewegung, hohe Positioniergenauigkeit oder Stabilität am Bewegungsende erfordern. Der Grund dafür ist, dass der Beschleunigungs- und Verzögerungsprozess zu einem Phänomen führt, das als Ruck bekannt ist.
So wie die Beschleunigung die Änderungsrate (Ableitung) der Geschwindigkeit ist, ist der Ruck die Änderungsrate der Beschleunigung. Anders ausgedrückt: Der Ruck beschreibt, wie schnell die Beschleunigung zu- oder abnimmt. Ruck ist generell unerwünscht, da er – wie der Name schon sagt – abrupte, ruckartige Bewegungen verursacht. In industriellen Anwendungen wie Werkzeugmaschinen, SCARA-Robotern und Dosiersystemen führt eine schnelle Beschleunigungsänderung – also ein starker Ruck – zu Vibrationen des Systems. Je größer der Ruck, desto stärker die Vibrationen. Und Vibrationen verringern die Positioniergenauigkeit und verlängern die Einschwingzeit.
Um ruckartige Bewegungen zu vermeiden, muss die Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsrate reduziert werden. In Bewegungssteuerungssystemen geschieht dies durch die Verwendung eines S-förmigen Bewegungsprofils anstelle des ruckartigen Trapezprofils. Bei einem Trapezprofil erfolgt die Beschleunigung (zumindest theoretisch) schlagartig, und der Ruck ist unendlich groß. Um den während der Bewegung entstehenden Ruck zu reduzieren, werden die Übergänge zu Beginn und am Ende der Beschleunigung und Verzögerung zu einer S-förmigen Kurve geglättet. Das resultierende Profil wird als S-förmiges Bewegungsprofil bezeichnet.
Wenn wir das Beschleunigungsprofil einer trapezförmigen Bewegung darstellen (siehe oben), sehen wir, dass es sich um eine Sprungfunktion handelt – das heißt, die Beschleunigung steigt sprunghaft von null auf ihren Maximalwert und die Verzögerung fällt ebenfalls sprunghaft von ihrem Maximalwert auf null. Bei einer S-förmigen Bewegung nimmt das Beschleunigungsprofil eine trapezförmige Gestalt an, und Beschleunigung und Verzögerung erfolgen fließend, anstatt abrupt und sprunghaft.
Das S-Kurven-Profil basiert auf einem System dritter Ordnung, wodurch die Bewegungsgleichungen für Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg (Verschiebung) komplexer sind als jene für trapezförmige Bewegungsprofile.
Der Nachteil eines S-förmigen gegenüber einem trapezförmigen Bewegungsprofil besteht darin, dass die Gesamtbewegungszeit bei einem S-förmigen Profil länger ist. Dies liegt daran, dass die ansteigende Beschleunigung (und Verzögerung) länger dauert als die momentane Beschleunigung einer trapezförmigen Bewegung. Der Zeitvorteil eines trapezförmigen Bewegungsprofils kann jedoch durch eine längere Einschwingzeit aufgrund von Vibrationen, die durch hohe Ruckwerte verursacht werden, wieder aufgehoben werden. Da Ruckwerte die mechanischen Bauteile stark belasten, wird – selbst bei Verwendung einer trapezförmigen Bewegung als Grundlage – üblicherweise eine gewisse Glättung der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen angewendet, wodurch das Bewegungsprofil eher einer S-Form entspricht.
Veröffentlichungsdatum: 14. März 2022




