Durch die Unterdrückung von Vibrationen wird die Einschwingzeit drastisch reduziert.

Bei Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten ist die Einschwingzeit der größte Produktivitätskiller. Geschwindigkeit ist für die Serienfertigung unerlässlich. Sie birgt jedoch auch Probleme.

Bei einem Pick-and-Place-Verfahren beispielsweise erzeugen schnelle Seitwärtsbewegungen und abrupte Stopps Vibrationen. Um ein Teil präzise aufnehmen oder platzieren zu können, muss die Maschine – und sei es nur für einen Bruchteil einer Sekunde – pausieren, bis die Vibrationen abklingen. Diese Zeit wird als Einschwingzeit bezeichnet, und bei hohem Durchsatz können sich diese Millisekunden summieren.

Betrachten wir einen kurzen Pick-and-Place-Vorgang: 200 Millimeter horizontal, 100 Millimeter vertikal und zurück. Jede horizontale Bewegung dauert 0,5 Sekunden mit einer Einschwingzeit von 0,05 Sekunden, jede vertikale Bewegung 0,2 Sekunden mit einer Einschwingzeit von 0,05 Sekunden. Das entspricht 1,6 Sekunden pro Teil, 37,5 Teilen pro Minute oder 2.250 Teilen pro Stunde. Bei einem Wert von 0,10 US-Dollar pro Teil erwirtschaftet der Vorgang einen Umsatz von 225 US-Dollar pro Stunde.

Wenn die Einschwingzeit von 0,05 auf 0,004 Sekunden reduziert werden kann, dauert derselbe Bestückungsvorgang nur noch 1,416 Sekunden. Das entspricht 42,37 Teilen pro Minute bzw. 2.542 Teilen pro Stunde. Derselbe Vorgang generiert nun einen Umsatz von 254,24 US-Dollar pro Stunde – 29,24 US-Dollar mehr. Im Zweischichtbetrieb mit sechs Tagen pro Woche bedeutet eine Einsparung von nur 0,184 Sekunden bei der Einschwingzeit einen zusätzlichen Umsatz von 140.353 US-Dollar pro Jahr!

Automatisierungsingenieure können das Problem von Vibrationen und Maschinenresonanz auf verschiedene Weise angehen. Mechanisch können sie eine Maschine mit robusten Komponenten, engen Toleranzen und minimalem Spiel konstruieren.

Generell sollte der Motor so eng und fest wie möglich mit der Last gekoppelt sein. Mechanische Nachgiebigkeit im System sollte minimiert werden. Jedes bewegliche Teil zwischen Motorwelle und Last, wie beispielsweise eine Kupplung oder ein Getriebe, verursacht Nachgiebigkeit. Alle diese Komponenten sind anfällig für Hitze, Reibung und Verschleiß.

Ingenieure können das Problem auch elektronisch über den Verstärker in einem servogesteuerten System lösen.

Filter sind eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Tiefpassfilter dämpfen Schwingungen zwischen 1.000 und 5.000 Hertz. Kerbfilter kontrollieren Schwingungen zwischen 500 und 1.000 Hertz.

Das Problem mit Filtern ist, dass sie die Bandbreite begrenzen. Das schränkt die Feinabstimmung des Systems ein.

Eine weitere Möglichkeit zur Behebung des Problems ist die Schwingungsdämpfung. Der Servoverstärker Sigma-5 von Yaskawa verfügt über einen einzigartigen Algorithmus genau zu diesem Zweck. Dieser Algorithmus kann Schwingungen von 50 Hertz oder weniger unterdrücken, ohne die Bandbreite zu beeinträchtigen.

Der Schlüssel liegt im hochauflösenden 20-Bit-Encoder, der mit dem Servomotor gekoppelt ist. Mit mehr als einer Million Impulsen pro Umdrehung der Motorwelle kann der Encoder selbst kleinste Vibrationen erfassen, die über einen Riemen oder eine Kugelumlaufspindel übertragen werden.

Der Algorithmus empfängt Geschwindigkeits- und Drehmomentsignale vom Encoder und passt das Steuersignal für die Bewegung an. Angenommen, Sie steuern eine regelmäßige Trapezbewegung – beschleunigen, mit einer bestimmten Geschwindigkeit fahren und dann anhalten. Der Verstärker folgt dieser vorgegebenen Bewegung so genau wie möglich. Während der Bewegung können jedoch Vibrationen auftreten, die den Motor von seiner Bahn abbringen wollen. Der Vibrationsdämpfungsalgorithmus erkennt die Wellenform dieser Vibrationen und passt das Steuersignal in die entgegengesetzte Richtung an, wodurch die Vibrationen praktisch kompensiert werden.

Durch die Vibrationsdämpfung wird die Einschwingzeit deutlich verkürzt, was zu einem höheren Durchsatz führt. Zudem können Ingenieure dadurch kleinere und leichtere Mechanismen konstruieren, was die Gesamtkosten der Maschine senkt.

Weniger Vibrationen bedeuten auch weniger Verschleiß an der Maschine. Ihre Maschine läuft ruhiger und leiser und hat letztendlich eine längere Lebensdauer.