Durch die Unterdrückung von Vibrationen wird die Einschwingzeit drastisch verkürzt.

Bei Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Operationen ist die Einschwingzeit der Feind der Produktivität. Geschwindigkeit ist für die Massenmontage unerlässlich. Geschwindigkeit schafft jedoch auch Probleme.

Bei einem Pick-and-Place-Vorgang beispielsweise entstehen durch schnelle Bewegungen von einer Seite zur anderen und ein abruptes Anhalten Vibrationen. Um ein Teil mit einigermaßen hoher Genauigkeit aufnehmen oder platzieren zu können, muss die Maschine – und sei es nur für den Bruchteil einer Sekunde – anhalten, bis die Vibrationen aufhören. Diese Einschwingzeit wird als Beruhigungszeit bezeichnet, und bei einem Großbetrieb können sich diese Millisekunden summieren.

Betrachten wir einen kurzen Pick-and-Place-Vorgang: 200 Millimeter quer, 100 Millimeter runter 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 0,1 Dollar pro Teil ergibt sich ein Umsatz von 225 Dollar pro Stunde.

Wenn die Einschwingzeit von 0,05 auf 0,004 Sekunden reduziert werden kann, dauert derselbe Pick-and-Place-Vorgang nun 1,416 Sekunden. Das entspricht 42,37 Teilen pro Minute oder 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 an sechs Tagen pro Woche bedeutet eine Einsparung von nur 0,184 Sekunden Einschwingzeit einen zusätzlichen Umsatz von 140.353 US-Dollar pro Jahr!

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

Generell sollte der Motor möglichst eng und fest mit der Last verbunden sein. Die mechanische Nachgiebigkeit des Systems 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 angehen.

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

Das Problem mit Filtern besteht darin, dass sie die Bandbreite begrenzen. Dadurch wird die Feinabstimmung des Systems eingeschränkt.

Eine weitere Möglichkeit, das Problem zu lösen, ist die Vibrationsunterdrückung. Der Sigma-5-Servoverstärker von Yaskawa verfügt hierfür über einen einzigartigen Algorithmus. Dieser kann Vibrationen von 50 Hertz oder weniger unterdrücken, ohne die Bandbreite zu beeinträchtigen.

Der Schlüssel liegt in dem mit dem Servomotor gekoppelten 20-Bit-Encoder mit hoher Auflösung. Mit mehr als einer Million Impulsen pro Motorumdrehung kann der Encoder selbst kleine Vibrationen erfassen, die über einen Riemen oder eine Kugelumlaufspindel übertragen werden.

Der Algorithmus empfängt Geschwindigkeits- und Drehmomentsignale vom Encoder und passt das Befehlssignal an die Bewegung an. Angenommen, Sie geben ein regelmäßiges Trapezprofil vor – beschleunigen, mit einer bestimmten Geschwindigkeit laufen und dann anhalten. Der Verstärker folgt dieser vorgegebenen Bewegung so genau wie möglich. Während der Bewegung versuchen jedoch alle Arten von Vibrationen, den Motor von seiner Bahn abzubringen. Der Algorithmus zur Vibrationsunterdrückung erkennt die Wellenform dieser Vibration und passt das Befehlssignal in die entgegengesetzte Richtung an, wodurch die Vibration praktisch aufgehoben wird.

Die Unterdrückung von Vibrationen verkürzt die Einschwingzeit erheblich und führt zu einem höheren Durchsatz. Außerdem können Ingenieure kleinere und leichtere Mechanismen entwickeln, was die Gesamtkosten der Maschine senkt.

Weniger Vibrationen bedeuten auch weniger Verschleiß an der Maschine. Ihre Maschine läuft ruhiger und leiser und hält letztendlich länger.