Kunden fordern einen geringeren Wartungsaufwand und eine geringere Gerätegröße sowie einen schnelleren Durchsatz und eine schnellere Maschineneinrichtung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entscheiden sich Gerätehersteller für servogesteuerte Bewegungen anstelle mechanischer Komponenten.

Die Bewegungssteuerung definiert die Möglichkeiten und Grenzen einer Maschine. Um Durchsatz und Flexibilität zu maximieren und den Wartungsaufwand zu reduzieren, ist daher häufig eine Modernisierung der Bewegungssteuerung innerhalb der Maschine erforderlich. Die meisten Gründe für die Umstellung von herkömmlichen Steuerungskonzepten und -geräten auf Servosteuerung liegen in der Erzielung eines oder mehrerer der folgenden Vorteile:

• Steigern Sie den Durchsatz. Servomotoren erzeugen hohe Beschleunigungsraten und Geschwindigkeiten.
• Höhere Genauigkeit: Servomotoren bieten die hohe Genauigkeit, die für die Bearbeitung schnell bewegter Werkstücke erforderlich ist.
• Mehr Flexibilität. Servomotoren bieten elektronische Versionen traditionell mechanischer Komponenten. Beispielsweise lassen sich elektronische Nockenprofile nahezu blitzschnell ändern. Programmierbare Bewegungsprofile passen sich an unterschiedliche Produktgrößen und -konfigurationen an. Elektronische Übersetzungsverhältnisse lassen sich an unterschiedliche Maschinengeschwindigkeiten anpassen. Dank elektronischer Getriebe können die Motoren zudem an jedem beliebigen Ort platziert werden, da lange Wellen, Zahnräder und Riemen überflüssig werden.

Darüber hinaus kann eine elektrische „Königswelle“ eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Achsen verbinden. Bei Maschinen mit mehreren Konfigurationen bedeutet dies, dass für zusätzliche Bewegungsachsen keine zusätzlichen mechanischen Verbindungen erforderlich sind.

Servos bieten zudem mehr Flexibilität, da sie mehr Informationen zur Verfügung stellen. Viele Servosteuerungen speichern beispielsweise einen Verlauf von Störungen und Fehlerzuständen, der die Fehlersuche erleichtert. Die meisten Servosysteme können zur Leistungsanalyse auch oszilloskopartige Diagramme anzeigen. • Reduzierter Wartungsaufwand. Servos tragen dazu bei, die Anzahl mechanischer Teile einer Maschine zu reduzieren. Elektronische Getriebe ersetzen Riemen. Elektronische Nocken sind verschleißfest. Elektronische Endschalter müssen nicht gelegentlich nachjustiert oder ausgetauscht werden.

Servos erfordern ein gewisses Maß an Einarbeitung und Erfahrung. Wenn Sie neu in der Servosteuerung sind, sollten Sie einige Zeit mit der Auswahl und Anwendung Ihres ersten Systems verbringen. (Ein Hinweis zur Servo-Terminologie: Das Wort Controller hat mehrere Verwendungsmöglichkeiten. Das System oderBewegungController führt normalerweise das Programm aus, das die Bewegung steuert; derMotorController steuert einenMotor. Um Verwirrung zu vermeiden, bezeichnen wir Motorsteuerungen als Antriebe.)

Anwendungsdimensionierung und -auswahl

Die Auswahl und Dimensionierung von Servokomponenten kann aufgrund der Vielzahl der Komponenten komplex erscheinen: Motoren, Antriebe, Steuerung und ggf. ein Industrie-PC oder eine SPS. Für Maschinenbauer kann dies eine Herausforderung sein. Glücklicherweise bieten Unternehmen – Komponentenlieferanten und Steuerungssystemintegratoren – diese Komponenten in Paketen an und bieten Anwendungsunterstützung. Ob Sie es selbst machen oder ein Paket kaufen, der grundlegende Prozess ist:

Wählen Sie zunächst den MotorBeginnen Sie Ihre Motorauswahl mit der Wahl der Motorform. Motoren mit großem Längenverhältnis (lang mit kleinem Durchmesser) sind am gebräuchlichsten. Sie können quadratisch oder rund sein und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Scheibenläufermotoren (kurz mit großem Durchmesser) passen in enge Räume und bieten dank ihrer trägheitsarmen Rotoren eine hohe Beschleunigung. Beide Motoren sind in gekapselter und ungekapselter Ausführung erhältlich.

Bei rahmenlosen oder integrierten Motoren werden Rotor und Stator getrennt, um sie in die Maschine zu integrieren. Diese Motoren ermöglichen eine kompakte Bauweise und verbessern den Direktantriebsbetrieb durch höhere Genauigkeit und reduzierte Vibrationen.

Linearmotoren ersetzen herkömmliche Rotationsmotoren und die dazugehörigen Antriebsmechanismen und erzeugen direkt lineare Bewegungen. Gleichzeitig können sie Durchsatz und Genauigkeit um ein Vielfaches steigern.

Dimensionierung des MotorsDie Motorgröße basiert in erster Linie auf dem Drehmoment: Spitzen- und Dauerdrehmoment. Die Dimensionierung von Motoren kann eine Herausforderung sein, und Fehler werden möglicherweise erst spät im Entwicklungszyklus entdeckt. Da eine Vergrößerung des Motors zu diesem Zeitpunkt schwierig sein kann, ist es ratsam, einen Spielraum in Ihre Berechnungen einzubeziehen. Wenn Sie mit dem Prozess noch nicht vertraut sind, sollten Sie sich am besten auf die Anwendungsingenieure der Motorenhersteller verlassen.

Wählen Sie das FeedbackDie gängigsten Feedback-Geräte sind Encoder und Resolver. Encoder sind optische Geräte, die eine Impulsfolge erzeugen. Die Impulszahl ist proportional zum Winkelweg. Sie bieten hohe Genauigkeit, insbesondere bei hohen Auflösungen. Resolver sind elektromechanische Geräte, die die absolute Position innerhalb einer Motorumdrehung erfassen und für ihre Robustheit bekannt sind. Wählen Sie das Gerät, das am besten zu Ihrer Anwendung passt.

Nachdem Sie den Rückmeldesensortyp ausgewählt haben, müssen Sie dessen Auflösung festlegen. In der Regel bietet ein 1.000-Zeilen-Encoder oder ein 12-Bit-Resolver eine ausreichende Auflösung. Beide erzeugen etwa 4.000 verschiedene Positionen pro Umdrehung, was einer Auflösung von etwa 0,1 Grad entspricht. Benötigt Ihre Anwendung jedoch eine höhere Auflösung, sollten Sie den Sensor entsprechend auswählen. Ein Wort zur Vorsicht: Unterscheiden Sie zwischen Auflösung und Genauigkeit. Viele Servos bieten eine wählbare Auflösung für die Resolver-Rückmeldung; die Genauigkeit (normalerweise zwischen 10 und 40 Bogenminuten) bleibt jedoch möglicherweise unverändert.

Wählen Sie das LaufwerkÜberlegen Sie, ob Sie das Netzteil modular (separat) oder in ein Laufwerk integriert wünschen. Bei drei oder mehr Laufwerken derselben Familie in unmittelbarer Nähe funktionieren modulare Netzteile gut. Bei einer Achse passen integrierte Netzteile meist besser. Bei zwei Achsen sind beide Lösungen in etwa gleich.

Wenn Sie das Laufwerk in einem Gehäuse unterbringen möchten, beachten Sie, dass die Laufwerksgrößen stark variieren und sich auf die Gesamtgröße des Geräts auswirken können. Je nach Gehäusegröße müssen Sie möglicherweise auch verschiedene Kühloptionen prüfen.

Sinuskommutierung vs. Sechsschritt

Die Leistungswellenform vom Antrieb zum Motor tritt bei bürstenlosen Servomotoren in der Regel in zwei Varianten auf: Sechs-Schritt- und Sinuswelle. Bei der Sinuswelle erzeugt der Antrieb einen Strom, der einer Sinuswelle ähnelt. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Drehmoment und geringerer Erwärmung. Die Sechs-Schritt-Methode erzeugt mithilfe einfacher Elektronik eine Rechteckwelle mit sechs Segmenten. Obwohl die Sechs-Schritt-Methode kostengünstiger ist, läuft sie bei niedrigen Drehzahlen unruhig.

Tuning-Flexibilität. Tuning, also die Auswahl der Verstärkung in Rückkopplungsschleifen, ist für hohe Leistung und einen stabilen Betrieb unerlässlich. Früher war Tuning eher Kunst als Wissenschaft. Moderne Servoantriebe bieten heute eine Vielzahl von Werkzeugen, die Maschinenbauer unterstützen. Auto-Tuning (oder Selbstoptimierung), also der Prozess, bei dem der Antrieb das mechanische System anregt und eine Reihe von Schleifenverstärkungen generiert, ist fast schon Standard. Die meisten Antriebe werden mit digitalen Verstärkungen eingestellt, sodass Sie weder einen Lötkolben noch einen kleinen Schraubendreher benötigen. Die komplexeren Methoden benötigen Sie vielleicht nur gelegentlich, aber wenn Sie sie zur Verfügung haben, haben Sie mehr Möglichkeiten.

Analoge Laufwerke sind in der Regel günstiger, müssen aber möglicherweise die Schleifen durch Einstellen von Potentiometern oder den Austausch passiver Komponenten anpassen. Unabhängig von Ihrer Wahl ist die Feinabstimmung Teil des Lernprozesses und erfordert einiges an Studium und Experimentieren.

Kommunikation vorantreibenViele Antriebe verwenden analoge Signale zur Übermittlung von Drehzahl- und Drehmomentbefehlen. Die digitale Kommunikation wird jedoch immer beliebter, da sie den Verkabelungsaufwand reduziert und die Flexibilität des Systems erhöht. Viele Antriebe sind mit Netzwerken wie DeviceNet, Profibus und einem neuen Netzwerk speziell für die Bewegungssteuerung namens Sercos kompatibel.

StromspannungBeachten Sie, dass 110 V Wechselstrom in der Fabrik schwer zu bekommen sein kann. In Europa sind 460 V Wechselstrom weit verbreitet; für den Einsatz im Ausland kann bei 230-V-Antrieben ein Transformator in Maschinen erforderlich sein. Leider können 460-V-Antriebe teuer sein. Ein Kompromiss ist ein Universalnetzteil, das Leistungshalbleiter zur Spannungswandlung verwendet. Bei Systemen mit modularen Netzteilen kann ein Universalnetzteil jede Spannung zwischen 230 und 480 V Wechselstrom nutzen, um mehrere 230-V-Achsen zu versorgen.

Ein letzter zu berücksichtigender Punkt: Durch die Verwendung nur einer kleinen Anzahl von Antriebsfamilien auf einer Maschine vereinfachen Sie die Ersatzteilliste.

Wählen Sie den Controller

Wählen Sie bei der Auswahl des Controllers zwischen einachsiger und mehrachsiger Ausführung. Einachsige Controller vereinen Motion Controller, Antrieb und oft auch ein Netzteil in einem Paket. In ein- oder zweiachsigen Systemen können diese Controller Kosten, Größe, Verkabelung und Systemkomplexität reduzieren.

Mehrachssteuerungen eignen sich in der Regel besser für komplexere Systeme. Erstens senken sie in der Regel die Kosten, insbesondere bei steigender Achsenanzahl. Zweitens reduzieren sie die Systemkomplexität, da ein Programm alle Bewegungen steuern kann. Diese Bewegungssteuerungen bieten zudem mehr Flexibilität bei der Synchronisierung, da sie in der Regel die Verknüpfung jeder Achse mit jeder anderen Achse ermöglichen und die Verknüpfung während der Programmausführung modifizieren können.

Nach der Auswahl des Controllers müssen Sie sich zwischen einer Box- oder einer Board-Konfiguration entscheiden. Eine Box-Konfiguration ist ein geschlossener Controller, der eigenständig betrieben werden kann. Board-Controller werden an Industriecomputer angeschlossen. Wenn Ihre Maschine bereits über einen Industriecomputer verfügt, kann eine kompatible Platine die Kosten senken und die Integration von Steuerung und Maschine verbessern. Wenn Sie keinen Industriecomputer verwenden möchten, ist die Integration eines Box-Controllers in der Regel einfacher.

Bewerten Sie den Funktionsumfang

Bewerten Sie abschließend die Funktionen der Steuerung. Berücksichtigen Sie die bisher besprochenen Funktionen: Getriebe, Nockensteuerung, Hochgeschwindigkeitsregistrierung und programmierbare Endschalter. Die meisten Steuerungen bieten diese Funktionen in irgendeiner Form, die Einzelheiten müssen jedoch mit den Anforderungen Ihrer Anwendung verglichen werden. Müssen Sie die Übersetzungsverhältnisse während des Betriebs ändern? Müssen Sie Nockenprofile im laufenden Betrieb anpassen? Welche Registrierungsgenauigkeit benötigen Sie? Benötigen Sie eine Änderung der Geschwindigkeit oder Zielposition während des Betriebs? Unterstützt die Steuerung genügend Achsen für diese Anwendung? Ist sie für zukünftige Versionen Ihrer Maschine geeignet?

Umgang mit Kosten

Die Kosten für Servokomponenten sind oft höher als die der mechanischen Komponenten, die sie ersetzen. Einige wichtige Faktoren mildern diese höheren Kosten jedoch. So können beispielsweise durch den Verzicht auf komplexe mechanische Bauteile die Gesamtkosten und die Maschinengröße reduziert und so der Wert des Systems gesteigert werden. Der Servoregler ersetzt häufig eine SPS; in diesem Fall können die gesamten Kosten für die Umstellung auf Servos eingespart werden. Die zusätzliche Flexibilität kann die Anzahl der Maschinenmodelle oder die zur Produktion einer Maschinenlinie erforderlichen Prozesse reduzieren und so die Fertigungskosten senken.

Allgemeine Überlegungen

Über die Bewegungsfunktionen hinaus gibt es noch weitere Fragen. Ist die Sprache in der Lage, Ihre Prozesse zu unterstützen? Ist sie so komplex, dass Sie viel Zeit für das Erlernen aufwenden müssen? Unterstützt das Produkt Multitasking? Multitasking ist eine Technik, mit der Sie unterschiedliche Programme für unterschiedliche Prozesse schreiben können. Sie vereinfacht die Programmierung komplexer Maschinen.

All diese Fragen können schwierig zu beantworten sein, insbesondere wenn Sie neu im Bereich der elektronischen Bewegungssteuerung sind. Die meisten Anbieter von Steuerungen bieten umfassenden Support. Stellen Sie bei der Auswahl viele Fragen. Dies hilft Ihnen nicht nur bei der Bewertung des Produkts, sondern auch bei der Beurteilung des Supports. Denken Sie auch an die zukünftige Entwicklung Ihres Unternehmens. Wählen Sie Anbieter, die jetzt und in den kommenden Jahren Produkte und Support bereitstellen können.