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 gegenüber mechanischen Komponenten.

Bewegungssteuerung definiert die Fähigkeiten und Grenzen einer Maschine. Um den Durchsatz und die Flexibilität zu maximieren und den Wartungsaufwand zu reduzieren, müssen Sie daher häufig die Art und Weise verbessern, wie die Bewegung innerhalb dieser Maschine gesteuert wird. Die meisten Gründe für die Umstellung von herkömmlichen Steuerungsdesigns und -geräten auf Servosteuerung liegen darin, einen oder mehrere dieser Vorteile zu erzielen:

• Erhöhen Sie den Durchsatz. Servomotoren erzeugen hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten.
• Erhöhen Sie die Genauigkeit. Servos können die hohe Genauigkeit bieten, die für die Bearbeitung eines sich schnell bewegenden Werkstücks erforderlich ist.
• Erhöhen Sie die Flexibilität. Servos bieten elektronische Versionen traditionell mechanischer Komponenten. Beispielsweise können elektronische Nockenprofile fast sofort geändert werden. Programmierbare Bewegungsprofile können an unterschiedliche Produktgrößen und -konfigurationen angepasst werden. Elektronische Übersetzungsverhältnisse können geändert werden, um sich an unterschiedliche Maschinengeschwindigkeiten anzupassen. Dank des elektronischen Getriebes können die Motoren überall dort platziert werden, wo es für die Anwendung günstig ist, da keine langen Wellen, Zahnräder und Riemen erforderlich sind.

Darüber hinaus kann eine elektrische „Leitungswelle“ mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Achsen verbunden werden. Bei Maschinen mit mehreren Konfigurationen bedeutet dies, dass zusätzliche Bewegungsachsen keine zusätzlichen mechanischen Verbindungen erfordern.

Servos erhöhen außerdem die Flexibilität, da mehr Informationen verfügbar sind. Beispielsweise speichern viele Servocontroller eine Historie von Fehlern und Fehlerzuständen, die bei der Fehlerbehebung hilfreich sind. Die meisten Servosysteme können zur Leistungsanalyse auch Diagramme im Oszilloskop-Stil anzeigen. • Reduzieren Sie den Wartungsaufwand. Servos tragen dazu bei, die Anzahl mechanischer Teile einer Maschine zu reduzieren. Elektronische Zahnräder ersetzen Riemen. Elektronische Nocken unterliegen keinem Verschleiß. Elektronische Endschalter müssen nicht gelegentlich neu eingestellt oder ausgetauscht werden.

Servos erfordern ein gewisses Maß an Studium und Erfahrung. Wenn Sie neu in der Servosteuerung sind, müssen Sie damit rechnen, dass Sie einige Zeit mit der Auswahl und Anwendung Ihres ersten Systems verbringen werden. (Ein Hinweis zur Servo-Terminologie: Das Wort Controller findet mehrere Verwendungen. Das System bzwBewegungDer Controller führt normalerweise das Programm aus, das die Bewegung steuert. DieMotorController steuert einenMotor. Um Verwirrung zu vermeiden, bezeichnen wir Motorsteuerungen als Antriebe.

Anwendungsdimensionierung und -auswahl

Die Auswahl und Dimensionierung von Servokomponenten kann aufgrund der Anzahl der Komponenten komplex erscheinen: Motoren, Antriebe, Steuerung und die Möglichkeit eines Industrie-PCs oder einer SPS. Wenn Sie einen mechanischen Hintergrund haben, kann das einschüchternd sein. Glücklicherweise packen Unternehmen – Komponentenlieferanten und Steuerungssystemintegratoren – diese Komponenten zusammen und bieten Anwendungsunterstützung an. Ob Sie es selbst machen oder ein Paket kaufen, der grundlegende Prozess ist:

Wählen Sie zunächst den Motor aus. Beginnen Sie die Motorauswahl, indem Sie die Motorform auswählen. Am häufigsten sind Motoren mit großen Seitenverhältnissen (lang mit kleinem Durchmesser). Sie können quadratisch oder rund sein und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und eine hervorragende Leistung. Scheibenmotoren (kurz mit großem Durchmesser) passen an enge Stellen und sorgen aufgrund ihrer Rotoren mit geringer Trägheit für eine hohe Beschleunigung. Beide Motoren sind in abgedichteter und unversiegelter Ausführung erhältlich.

Rahmenlose oder integrierte Motoren trennen Rotor und Stator für die Integration in die Maschine. Diese Motoren ermöglichen ein kompaktes Design und verbessern den Direktantriebsbetrieb durch höhere Genauigkeit und reduzierte Vibrationen.

Linearmotoren, die einen Standard-Rotationsmotor und die zugehörigen Antriebsmechanismen ersetzen, erzeugen direkt lineare Bewegungen. Sie können gleichzeitig den Durchsatz und die Genauigkeit um ein Vielfaches steigern.

Dimensionierung des Motors. Die Motorgröße basiert hauptsächlich auf dem Drehmoment: Spitzen- und Dauerdrehmoment. Die Dimensionierung von Motoren kann eine Herausforderung sein und Fehler werden möglicherweise erst spät im Entwicklungszyklus entdeckt. Da es zu diesem Zeitpunkt schwierig sein kann, die Motorgröße zu vergrößern, ist es ratsam, den Spielraum in Ihre Berechnungen einzubeziehen. Wenn Sie mit dem Verfahren noch nicht vertraut sind, sollten Sie sich wahrscheinlich auf die Anwendungsingenieure von Automobilherstellern verlassen.

Wählen Sie das Feedback aus. Die gebräuchlichsten Feedbackgeräte sind Encoder und Resolver. Encoder sind optische Geräte, die eine Impulsfolge erzeugen. Die Impulszahl ist proportional zum Winkelweg. Sie bieten eine hohe Genauigkeit, insbesondere bei hohen Auflösungen. Resolver sind elektromechanische Geräte, die die absolute Position innerhalb einer Umdrehung des Motors erfassen und für ihre Robustheit bekannt sind. Wählen Sie diejenige aus, die am besten zu Ihrer Anwendung passt.

Nachdem Sie die Art des Rückkopplungssensors ausgewählt haben, müssen Sie dessen Auflösung auswählen. Im Allgemeinen bietet ein 1.000-Zeilen-Encoder oder entsprechend 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. Wenn Ihre Anwendung jedoch eine höhere Auflösung benötigt, 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) darf jedoch nicht beeinträchtigt werden.

Wählen Sie das Laufwerk aus. Überlegen Sie, ob Sie die Stromversorgung modular (separat) oder in einen Antrieb integriert wünschen. Bei drei oder mehr Laufwerken derselben Familie in der Nähe funktionieren modulare Netzteile gut. Bei einer Achse passen integrierte Netzteile meist besser. Bei zwei Achsen sind beide Lösungen ungefähr gleich.

Wenn Sie planen, das Laufwerk einzuschließen, bedenken Sie, dass die Laufwerksgrößen erheblich variieren und sich auf die Gesamtgröße des Geräts auswirken können. Abhängig von der Größe des Gehäuses müssen Sie möglicherweise auch verschiedene Kühloptionen prüfen.

Sinuskommutierung vs. Sechsschritt

Die Leistungswellenform vom Antrieb zum Motor weist bei bürstenlosen Servomotoren tendenziell zwei Arten auf: sechsstufige und Sinuswelle. Bei einer Sinuswelle erzeugt die vom Antrieb erzeugte Stromwellenform einen Strom, der einer Sinuswelle nahekommt. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Drehmoment und weniger Erwärmung. Die Sechs-Schritte-Methode erzeugt mit einfacher Elektronik eine Sechs-Segment-Rechteckwelle. Obwohl die Kosten geringer sind, weist die Sechsgangschaltung bei niedrigen Geschwindigkeiten einen rauen Betrieb auf.

Tuning-Flexibilität. Tuning, der Prozess der Auswahl von Verstärkungen in Rückkopplungsschleifen, ist für eine hohe Leistung und die Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebs erforderlich. Früher war Tuning mehr Kunst als Wissenschaft. Heutzutage bieten moderne Servoantriebe eine Vielzahl von Werkzeugen, die Maschinenkonstrukteuren helfen. Autotuning (oder Selbstoptimierung), der Prozess, bei dem der Antrieb das mechanische System anregt und eine Reihe von Schleifenverstärkungen erzeugt, ist fast schon Standard. Die meisten Antriebe sind mit digitalen Verstärkungen ausgestattet, sodass Sie weder einen Lötkolben noch einen Potentiometer (kleiner Schraubendreher) benötigen. Möglicherweise benötigen Sie die komplexeren Methoden nur gelegentlich, aber wenn Sie sie zur Verfügung haben, stehen Ihnen mehr Optionen zur Verfügung.

Analoge Antriebe können kostengünstiger sein, aber möglicherweise müssen Sie die Regelkreise anpassen, indem Sie Potentiometer anpassen oder passive Komponenten austauschen. Wie auch immer Sie sich entscheiden, das Tuning ist Teil der Lernkurve und erfordert einiges Lernen und Experimentieren.

Kommunikation vorantreiben. Viele Antriebe verwenden ein analoges Signal, um die Geschwindigkeits- und Drehmomentbefehle zu liefern. Allerdings erfreut sich die digitale Kommunikation zunehmender Beliebtheit, da sie die Kommunikationsverkabelung 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.

Stromspannung. Beachten Sie, dass es in der Fabrikhalle möglicherweise schwierig ist, an 110-V-Wechselstrom-Strom zu kommen. In Europa ist 460 VAC beliebt; Bei der Verwendung von 230-VAC-Antrieben kann in Maschinen für den Einsatz im Ausland ein Transformator erforderlich sein. Leider können 460-VAC-Antriebe teuer sein. Ein Kompromiss ist das universelle Netzteil, das Leistungshalbleiter zur Spannungswandlung nutzt. Bei Systemen mit modularen Netzteilen kann ein Universalnetzteil jede Spannung von 230 bis 480 VAC nutzen, um mehrere 230-VAC-Achsen zu versorgen.

Ein letzter zu berücksichtigender Punkt: Wenn Sie nur eine kleine Anzahl von Antriebsfamilien in einer Maschine verwenden, vereinfachen Sie die Ersatzteilliste.

Wählen Sie den Controller aus

Wählen Sie bei der Auswahl der Steuerung zwischen Einachser und Mehrachser. Einachssteuerungen vereinen einen Motion Controller, einen Antrieb und oft auch eine Stromversorgung in einem Paket. In ein- oder zweiachsigen Systemen können diese Steuerungen 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 wenn die Anzahl der Achsen zunimmt. Zweitens reduzieren sie die Systemkomplexität, da ein Programm alle Bewegungen steuern kann. Diese Bewegungssteuerungen bieten auch eine größere Flexibilität bei der Synchronisierung, da sie normalerweise jede Achse mit jeder anderen Achse verknüpfen können und Sie diese Verknüpfung während der Programmausführung ändern können.

Nach Ihrer Controller-Auswahl müssen Sie entweder eine „Box“- oder eine „Board“-Konfiguration wählen. Bei einer Box-Konfiguration handelt es sich um einen geschlossenen Controller, der eigenständig betrieben werden kann. Board-Controller werden an Industriecomputer angeschlossen. Wenn die Maschine bereits über einen Industriecomputer verfügt, kann eine kompatible Platine die Kosten senken und die Integration von Steuerung und Maschine verbessern. Wenn Sie nicht vorhaben, einen Industriecomputer zu verwenden, lässt sich der Box-basierte Controller normalerweise einfacher hinzufügen.

Bewerten Sie den Funktionsumfang

Bewerten Sie abschließend die Controller-Funktionen. Betrachten Sie die bisher besprochenen Funktionen: Getriebe, Nocken, Hochgeschwindigkeitsregistrierung und programmierbare Endschalter. Die meisten Controller bieten diese Funktionen in irgendeiner Form an, die Besonderheiten müssen jedoch mit den Anforderungen Ihrer Anwendung abgeglichen werden. Müssen Sie die Übersetzungsverhältnisse während des Betriebs ändern? Müssen Sie Nockenprofile im Handumdrehen ändern? Welche Registrierungsgenauigkeit benötigen Sie? Benötigen Sie während des Betriebs eine Änderung der Geschwindigkeit oder Zielposition? Unterstützt die Steuerung genügend Achsen für diese Anwendung? Passt es auf zukünftige Versionen Ihrer Maschine?

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. Beispielsweise können durch den Verzicht auf komplexe mechanische Geräte die Gesamtkosten und die Größe der Maschine reduziert werden, was den Wert des Systems steigern kann. Der Servocontroller ersetzt oft eine SPS; In diesem Fall können die gesamten Kosten für die Umrüstung auf Servos verrechnet werden. Die zusätzliche Flexibilität kann die Anzahl der Maschinenmodelle oder Prozesse verringern, die zur Herstellung einer Maschinenreihe erforderlich sind, und somit die Herstellungskosten senken.

Allgemeine Überlegungen

Über die Bewegungsfunktionen hinaus sind noch andere Fragen zu stellen. Ist die Sprache in der Lage, Ihre Prozesse zu unterstützen? Ist es so komplex, dass Sie übermäßig viel Zeit damit verbringen müssen, es zu lernen? Unterstützt das Produkt Multitasking? Multitasking ist eine Technik, mit der Sie unterschiedliche Programme für unterschiedliche Prozesse schreiben können und die Programmierung komplexer Maschinen vereinfacht.

All diese Fragen können schwer zu beantworten sein, insbesondere wenn Sie neu in der elektronischen Bewegungssteuerung sind. Die meisten Unternehmen, die Controller anbieten, unterstützen diese gut. Stellen Sie während Ihres Auswahlprozesses viele Fragen. Es hilft Ihnen nicht nur bei der Bewertung des Produkts, sondern auch bei der Bewertung des Supports. Denken Sie abschließend über die Zukunft der Entwicklungsaktivitäten in Ihrem Unternehmen nach. Wählen Sie Anbieter aus, die jetzt und in den kommenden Jahren Produkte und Support anbieten können.