Kunden fordern geringeren Wartungsaufwand, kleinere Anlagengrößen sowie einen schnelleren Durchsatz und kürzere Rüstzeiten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, setzen Anlagenhersteller zunehmend auf servogesteuerte Antriebe anstelle von mechanischen Komponenten.

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

• Steigerung des Durchsatzes. Servomotoren erzeugen hohe Beschleunigungswerte und Geschwindigkeiten.
• Erhöhte Genauigkeit. Servomotoren bieten die hohe Genauigkeit, die für die Bearbeitung schnell bewegter Werkstücke erforderlich ist.
• Erhöhte Flexibilität. Servomotoren bieten elektronische Alternativen zu herkömmlichen mechanischen Komponenten. So lassen sich beispielsweise elektronische Nockenprofile nahezu in Echtzeit ändern. Programmierbare Bewegungsprofile passen sich an unterschiedliche Produktgrößen und -konfigurationen an. Elektronische Übersetzungsverhältnisse können an verschiedene Maschinengeschwindigkeiten angepasst werden. Dank der elektronischen Getriebetechnik können die Motoren zudem an jeder für die Anwendung optimalen Stelle platziert werden, da lange Wellen, Zahnräder und Riemen entfallen.

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

Servos bieten dank der erweiterten Informationsverfügbarkeit zusätzliche Flexibilität. Viele Servoregler speichern beispielsweise einen Verlauf von Fehlern und Fehlerzuständen, was die Fehlersuche erleichtert. Die meisten Servosysteme können zudem Oszilloskop-ähnliche Diagramme zur Leistungsanalyse anzeigen. • Reduzierter Wartungsaufwand: Servos tragen dazu bei, die Anzahl mechanischer Teile an einer Maschine zu verringern. Elektronische Zahnräder ersetzen Riemen. Elektronische Nocken sind verschleißfest. Elektronische Endschalter müssen nicht regelmäßig nachjustiert oder ausgetauscht werden.

Servos erfordern ein gewisses Maß an Einarbeitung und Erfahrung. Wenn Sie neu in der Servosteuerung sind, sollten Sie einige Zeit für die Auswahl und Anwendung Ihres ersten Systems einplanen. (Anmerkung zur Servoterminologie: Der Begriff „Controller“ hat verschiedene Bedeutungen. Das System oderBewegungDer Controller führt normalerweise das Programm aus, das die Bewegung steuert;MotorDer Controller steuert einenMotorUm Verwirrung zu vermeiden, bezeichnen wir Motorsteuerungen im Folgenden als Antriebe.

Anwendungsdimensionierung und -auswahl

Die Auswahl und Dimensionierung von Servokomponenten kann aufgrund der Vielzahl an Bauteilen – Motoren, Antriebe, Steuerung und gegebenenfalls ein Industrie-PC oder eine SPS – komplex erscheinen. Für Fachleute aus dem Maschinenbau kann dies abschreckend wirken. Glücklicherweise bieten Unternehmen – Komponentenlieferanten und Systemintegratoren – Komplettpakete mit diesen Komponenten sowie Anwendungsunterstützung an. Ob Sie die Komponenten selbst zusammenstellen oder ein Komplettpaket kaufen, der grundlegende Ablauf ist folgender:

Wählen Sie zuerst den Motor aus.Beginnen Sie die Motorauswahl mit der Wahl der Motorform. Motoren mit großem Aspektverhältnis (lang mit kleinem Durchmesser) sind am weitesten verbreitet. Sie können quadratisch oder rund sein und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Scheibenmotoren (kurz mit großem Durchmesser) eignen sich für beengte Platzverhältnisse und ermöglichen dank ihrer massearmen Rotoren eine hohe Beschleunigung. Beide Motortypen sind in gekapselten und ungekapselten Ausführungen erhältlich.

Rahmenlose oder integrierte Motoren trennen Rotor und Stator zur Integration in die Maschine. Diese Motoren ermöglichen eine kompakte Bauweise und verbessern den Direktantrieb durch höhere Genauigkeit und geringere Vibrationen.

Linearmotoren, die herkömmliche Rotationsmotoren und die zugehörigen Antriebsmechanismen ersetzen, erzeugen direkt eine lineare Bewegung. Sie können Durchsatz und Genauigkeit um ein Vielfaches steigern.

Dimensionierung des MotorsDie Motordimensionierung basiert primär auf dem Drehmoment: Spitzen- und Dauerdrehmoment. Die Dimensionierung von Motoren kann komplex sein, und Fehler werden oft erst spät im Entwicklungszyklus entdeckt. Da eine Vergrößerung des Motors zu diesem Zeitpunkt schwierig sein kann, ist es ratsam, einen Sicherheitszuschlag in die Berechnungen einzuplanen. Wenn Sie mit diesem Prozess noch nicht vertraut sind, sollten Sie sich an die Anwendungstechniker der Motorenhersteller wenden.

Wählen Sie das Feedback ausDie gebräuchlichsten Rückmeldegeräte sind Encoder und Resolver. Encoder sind optische Geräte, die eine Impulsfolge erzeugen. Die Impulsanzahl 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 Typ des Feedback-Sensors ausgewählt haben, müssen Sie dessen Auflösung festlegen. Im Allgemeinen bietet ein 1000-Linien-Encoder oder ein gleichwertiger 12-Bit-Resolver eine ausreichende Auflösung. Beide liefern etwa 4000 verschiedene Positionen pro Umdrehung, was einer Auflösung von ca. 0,1° entspricht. Benötigt Ihre Anwendung jedoch eine höhere Auflösung, sollten Sie den Sensor entsprechend auswählen. Wichtig: Unterscheiden Sie zwischen Auflösung und Genauigkeit. Viele Servos bieten eine wählbare Auflösung für das Resolver-Feedback; die Genauigkeit (üblicherweise zwischen 10 und 40 Bogenminuten) wird dadurch jedoch möglicherweise nicht beeinflusst.

Wählen Sie das Laufwerk aus.Überlegen Sie, ob Sie ein modulares (separates) Netzteil oder ein in den Antrieb integriertes Netzteil benötigen. Bei drei oder mehr Antrieben derselben Familie in unmittelbarer Nähe eignen sich modulare Netzteile gut. Bei einer Achse sind integrierte Netzteile in der Regel besser geeignet. Bei zwei Achsen sind beide Lösungen vergleichbar.

Wenn Sie das Laufwerk in ein Gehäuse einbauen möchten, beachten Sie, dass die Laufwerksgrößen stark variieren und die Gesamtgröße des Geräts beeinflussen können. Je nach Gehäusegröße müssen Sie möglicherweise auch verschiedene Kühloptionen in Betracht ziehen.

Sinuskommutation vs. Sechs-Schritte

Die Stromwellenform vom Antrieb zum Motor wird bei bürstenlosen Servomotoren üblicherweise auf zwei Arten erzeugt: als Sechs-Stufen- und als Sinuswelle. Bei der Sinuswelle entspricht die vom Antrieb erzeugte Stromwellenform annähernd einer Sinuswelle. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Drehmoment und geringerer Wärmeentwicklung. Die Sechs-Stufen-Methode erzeugt mithilfe einfacher Elektronik eine Rechteckwelle mit sechs Segmenten. Obwohl kostengünstiger, arbeitet die Sechs-Stufen-Methode bei niedrigen Drehzahlen unruhig.

AbstimmungsflexibilitätDie Feinabstimmung, also die Auswahl der Verstärkung in Rückkopplungsschleifen, ist für hohe Leistung und einen stabilen Betrieb unerlässlich. Früher war die Feinabstimmung eher eine Kunst als eine Wissenschaft. Moderne Servoantriebe bieten heute zahlreiche Hilfsmittel für Maschinenkonstrukteure. Die automatische Feinabstimmung (auch Selbstoptimierung genannt), bei der der Antrieb das mechanische System anregt und die Schleifenverstärkung vorgibt, ist mittlerweile Standard. Die meisten Antriebe arbeiten mit digitalen Verstärkungseinstellungen, sodass kein Lötkolben oder Trimmer (kleiner Schraubendreher) benötigt wird. Komplexere Methoden sind zwar nur gelegentlich erforderlich, ihre Verfügbarkeit bietet jedoch mehr Flexibilität.

Analoge Treiber können günstiger sein, allerdings müssen Sie möglicherweise Regelkreise über Potentiometer oder durch den Austausch passiver Bauteile anpassen. Unabhängig von Ihrer Wahl gehört das Einstellen zum Lernprozess und erfordert etwas Übung und Experimentierfreude.

VerkehrskommunikationViele Antriebe nutzen ein analoges Signal zur Ansteuerung von Drehzahl und Drehmoment. Digitale Kommunikation gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, da sie den Verkabelungsaufwand reduziert und die Systemflexibilität erhöht. Viele Antriebe sind mit Netzwerken wie DeviceNet, Profibus und dem neuen Netzwerk Sercos, speziell für die Bewegungssteuerung, kompatibel.

StromspannungBeachten Sie, dass 110-V-Wechselstrom in der Produktion möglicherweise nicht überall verfügbar ist. In Europa ist 460 V Wechselstrom üblich; für den Einsatz im Ausland kann bei Maschinen mit 230-V-Wechselstromantrieben ein Transformator erforderlich sein. Leider sind 460-V-Wechselstromantriebe oft teuer. Ein Kompromiss ist das Universalnetzteil, das Leistungshalbleiter zur Spannungswandlung nutzt. Bei Systemen mit modularen Netzteilen kann ein einziges Universalnetzteil mehrere 230-V-Achsen mit Spannungen zwischen 230 und 480 V Wechselstrom versorgen.

Ein letzter Punkt, den es zu beachten gilt: Durch die Verwendung nur einer kleinen Anzahl von Laufwerksfamilien in einer Maschine vereinfacht sich die Ersatzteilliste.

Wählen Sie den Controller aus.

Bei der Auswahl des Controllers sollten Sie zwischen Ein- und Mehrachsen-Controllern wählen. Einachs-Controller vereinen Bewegungssteuerung, Antrieb und oft auch Netzteil in einem Gehäuse. In Ein- oder Zweiachsensystemen können diese Controller Kosten, Größe, Verkabelungsaufwand und Systemkomplexität reduzieren.

Mehrachssteuerungen eignen sich in der Regel besser für komplexere Systeme. Erstens senken sie üblicherweise die Kosten, insbesondere bei steigender Achsenanzahl. Zweitens reduzieren sie die Systemkomplexität, da ein einziges Programm alle Bewegungen steuern kann. Diese Bewegungssteuerungen bieten zudem eine höhere Flexibilität bei der Synchronisierung, da sie üblicherweise die Verbindung jeder Achse mit jeder anderen ermöglichen und die Anpassung dieser Verbindung während der Programmausführung erlauben.

Nach der Auswahl des Controllers müssen Sie sich entweder für eine „Box“- oder eine „Board“-Konfiguration entscheiden. Eine Box-Konfiguration ist ein geschlossener Controller, der eigenständig betrieben werden kann. Board-Controller werden an Industrie-PCs angeschlossen. Wenn Ihre Maschine bereits mit einem Industrie-PC ausgestattet ist, kann ein kompatibles Board die Kosten senken und die Integration von Steuerung und Maschine verbessern. Falls Sie keinen Industrie-PC verwenden möchten, ist die Box-Controller-Konfiguration in der Regel einfacher zu realisieren.

Bewerten Sie die Merkmalsmenge

Bewerten Sie abschließend die Funktionen der Steuerung. Berücksichtigen Sie die bisher besprochenen Funktionen: Getriebesteuerung, Kurvensteuerung, Hochgeschwindigkeitsregistrierung und programmierbare Endschalter. Die meisten Steuerungen bieten diese Funktionen in irgendeiner Form, die genauen Spezifikationen müssen jedoch mit den Anforderungen Ihrer Anwendung verglichen werden. Müssen Sie die Übersetzungsverhältnisse während des Betriebs ändern? Müssen Sie Kurvenprofile im laufenden Betrieb anpassen? Welche Registrierungsgenauigkeit benötigen Sie? Müssen Sie die Geschwindigkeit oder die Zielposition während des Betriebs ändern? Unterstützt die Steuerung genügend Achsen für diese Anwendung? Ist sie mit zukünftigen Versionen Ihrer Maschine kompatibel?

Umgang mit Kosten

Die Kosten für Servokomponenten sind oft höher als die der mechanischen Komponenten, die sie ersetzen. Allerdings gibt es einige wichtige Faktoren, die diese höheren Kosten relativieren. Beispielsweise kann der Wegfall komplexer mechanischer Bauteile die Gesamtkosten und die Maschinengröße reduzieren, was den Wert des Systems steigern kann. Der Servoregler ersetzt häufig eine SPS; in diesem Fall können die gesamten Umstellungskosten auf Servos kompensiert werden. Die zusätzliche Flexibilität kann die Anzahl der Maschinenmodelle oder der zur Herstellung einer Maschinenlinie erforderlichen Prozesse verringern und somit die Fertigungskosten senken.

Allgemeine Überlegungen

Neben den Bewegungsfunktionen gibt es weitere Fragen zu klären. Unterstützt die Programmiersprache Ihre Prozesse? Ist sie so komplex, dass Sie viel Zeit für das Erlernen aufwenden müssen? Unterstützt das Produkt Multitasking? Multitasking, eine Technik, die es ermöglicht, unterschiedliche Programme für verschiedene Prozesse zu schreiben, vereinfacht die Programmierung komplexer Maschinen.

All diese Fragen können schwierig zu beantworten sein, insbesondere wenn Sie mit elektronischer Bewegungssteuerung noch nicht vertraut sind. Die meisten Anbieter von Steuerungen bieten jedoch guten Support. Stellen Sie während Ihres Auswahlprozesses viele Fragen. Das hilft Ihnen nicht nur bei der Bewertung des Produkts, sondern auch bei der Beurteilung des Supports. Berücksichtigen Sie schließlich die zukünftige Entwicklung in Ihrem Unternehmen. Wählen Sie Anbieter, die Produkte und Support sowohl jetzt als auch in den kommenden Jahren bereitstellen können.