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    Kunden verlangen eine reduzierte Wartungs- und Gerätegröße sowie einen schnelleren Durchsatz und eine schnellere Maschineneinrichtung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, entscheiden sich Gerätehersteller für servogesteuerte Bewegungen gegenüber mechanischen Komponenten.

    Motion Control 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 Bewegungssteuerung innerhalb dieser Maschine aktualisieren. Die meisten Gründe für die Umstellung von herkömmlichen Steuerungsdesigns und -geräten auf Servosteuerungen bestehen darin, einen oder mehrere dieser Vorteile zu erzielen:

    • Durchsatz erhöhen. Servomotoren erzeugen hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten.
    • Erhöhen Sie die Genauigkeit. Servos können die hohe Genauigkeit bieten, die für die Bearbeitung eines sich schnell bewegenden Teils 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 „Getriebe“-Verhältnisse können sich an unterschiedliche Maschinengeschwindigkeiten anpassen. Auch mit elektronischem Getriebe können die Motoren überall platziert werden, wo es für die Anwendung bequem ist, da sie lange Wellen, Zahnräder und Riemen überflüssig machen.

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

    Servos erhöhen auch die Flexibilität aufgrund der erhöhten verfügbaren Informationen. Viele Servocontroller speichern beispielsweise eine Historie von Fehlern und Fehlerzuständen, die bei der Fehlersuche helfen. Die meisten Servosysteme können auch Diagramme im Oszilloskop-Stil zur Leistungsanalyse anzeigen. • Reduzieren Sie den Wartungsaufwand. Servos helfen, die Anzahl der mechanischen Teile einer Maschine zu reduzieren. Elektronische Getriebe ersetzen Riemen. Elektronische Nocken sind vom Verschleiß nicht betroffen. Elektronische Endschalter müssen nicht gelegentlich nachjustiert oder ausgetauscht werden.

    Servos erfordern ein gewisses Maß an Studium und Erfahrung. Wenn Sie neu in der Servosteuerung sind, sollten Sie einige Zeit damit verbringen, Ihr erstes System auszuwählen und anzuwenden. (Ein Hinweis zur Servo-Terminologie: Das Wort Controller findet mehrere Verwendungen. Der System- oder  Motion-  Controller führt normalerweise das Programm aus, das die Bewegung steuert; der  Motor- steuert einen  Motor-. Um Verwirrung zu vermeiden, werden wir Motorcontroller als Antriebe bezeichnen).

    Anwendungsdimensionierung und -auswahl

    Die Auswahl und Dimensionierung von Servokomponenten kann aufgrund der Anzahl der Komponenten komplex erscheinen: Motoren, Antriebe, Controller und die Möglichkeit eines Industrie-PCs oder einer SPS. Wenn Ihr Hintergrund mechanisch ist, kann dies einschüchternd sein. Glücklicherweise packen Unternehmen – Komponentenlieferanten und Steuersystemintegratoren – diese Komponenten zusammen und bieten Anwendungsunterstützung. Ob Selbermachen oder Paketkauf, der grundlegende Ablauf ist:

    Wählen Sie zuerst den Motor aus . Starten Sie die Motorauswahl, indem Sie die Motorform auswählen. Motoren mit großen Streckungsverhältnissen (lang mit kleinem Durchmesser) sind am gebräuchlichsten. Sie können quadratisch oder rund sein und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Scheibenmotoren (kurz mit großem Durchmesser) passen an enge Stellen und bieten aufgrund ihrer trägheitsarmen Rotoren eine hohe Beschleunigung. Beide Motoren sind in abgedichteter und nicht abgedichteter 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, indem sie die Genauigkeit erhöhen und Vibrationen reduzieren.

    Linearmotoren, die einen Standard-Rotationsmotor und die dazugehörigen 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: Spitzenwert und Dauer. Die Dimensionierung von Motoren kann eine Herausforderung darstellen und Fehler werden möglicherweise erst spät im Entwicklungszyklus entdeckt. Da es zu diesem Zeitpunkt schwierig sein kann, die Motorgröße zu erhöhen, ist es ratsam, den Spielraum in Ihre Berechnungen einzubeziehen. Wenn Sie mit dem Verfahren noch nicht vertraut sind, sollten Sie sich wahrscheinlich auf die Anwendungstechniker der Automobilhersteller verlassen.

    Wählen Sie die Rückmeldung aus . Die gebräuchlichsten Feedback-Geräte 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 Typen des Feedback-Sensors ausgewählt haben, müssen Sie seine Auflösung auswählen. Im Allgemeinen bietet ein 1000-Zeilen-Encoder oder äquivalent 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 das Resolver-Feedback; die Genauigkeit (normalerweise zwischen 10 und 40 Bogenminuten) kann jedoch nicht beeinträchtigt werden.

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

    Beachten Sie beim Einschließen des Laufwerks, 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. sechsstufig

    Die Leistungswellenform vom Antrieb zum Motor tritt bei bürstenlosen Servomotoren in der Regel auf zwei Arten auf: sechsstufig und sinusförmig. Bei einer Sinuswelle erzeugt die vom Antrieb erzeugte Stromwellenform einen Strom, der einer Sinuswelle nahekommt. Dies erzeugt ein gleichmäßigeres Drehmoment und weniger Erwärmung. Das Sechs-Schritte-Verfahren erzeugt eine Sechs-Segment-Rechteckwelle unter Verwendung einfacher Elektronik. Obwohl die Kosten niedriger sind, hat der Sechsschrittbetrieb einen rauen Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten.

    Abstimmungsflexibilität . Tuning, der Prozess der Auswahl von Verstärkungen in Rückkopplungsschleifen, ist für eine hohe Leistung und zur Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebs erforderlich. In der Vergangenheit war Tuning mehr Kunst als Wissenschaft. Moderne Servoantriebe bieten heute eine Vielzahl von Werkzeugen, die den Maschinenkonstrukteuren helfen. Selbstoptimierung (oder Selbstoptimierung), der Prozess, bei dem der Antrieb das mechanische System anregt und eine Reihe von Regelkreisverstärkungen erzeugt, ist fast ein Standard. Die meisten Laufwerke sind mit digitalen Verstärkungen eingestellt, sodass Sie keinen Lötkolben oder einen Topftrimmer (kleiner Schraubendreher) benötigen. Möglicherweise benötigen Sie die komplexeren Methoden nur gelegentlich, aber ihre Verfügbarkeit bietet mehr Optionen.

    Analoge Antriebe können weniger teuer sein, aber Sie müssen möglicherweise Schleifen anpassen, indem Sie Potentiometer einstellen oder passive Komponenten ändern. Wie auch immer Sie sich entscheiden, die Abstimmung ist Teil der Lernkurve und erfordert einige Studien und Experimente.

    Kommunikation antreiben . Viele Antriebe verwenden ein analoges Signal, um die Drehzahl- und Drehmomentbefehle zu liefern. Die digitale Kommunikation gewinnt jedoch an Popularität, da sie die Kommunikationsverdrahtung reduziert und die Flexibilität des Systems erhöht. Viele Antriebe sind mit Netzwerken wie DeviceNet, Profibus und einem neuen Netzwerk speziell für Motion Control namens Sercos kompatibel.

    Spannung . Beachten Sie, dass 110 VAC in der Fabrik möglicherweise schwer zu bekommen sind. In Europa ist 460 Vac beliebt; Bei Verwendung von 230-Vac-Antrieben kann ein Transformator in Maschinen für den Einsatz im Ausland erforderlich sein. Leider können 460-VAC-Laufwerke teuer sein. Ein Kompromiss ist die universelle Stromversorgung, die Leistungshalbleiter zur Wandlung von Spannungsebenen verwendet. Bei Systemen mit modularen Netzteilen kann ein Universalnetzteil eine beliebige Spannung von 230 bis 480 Vac verwenden, um mehrere 230 Vac-Achsen zu versorgen.

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

    Wählen Sie den Controller aus

    Wählen Sie bei der Auswahl des Controllers einachsig oder mehrachsig. Einachssteuerungen vereinen Bewegungssteuerung, Antrieb und oft auch ein Netzteil in einem Paket. In ein- oder zweiachsigen Systemen können diese Controller Kosten, Größe, Verkabelung und Systemkomplexität reduzieren.

    Mehrachssteuerungen passen normalerweise besser in kompliziertere Systeme. Erstens reduzieren sie normalerweise die Kosten, insbesondere wenn die Anzahl der Achsen wächst. Zweitens reduzieren sie die Systemkomplexität, da ein Programm alle Bewegungen steuern kann. Diese Bewegungssteuerungen bieten auch eine größere Flexibilität bei der Synchronisation, da sie normalerweise jede Achse mit jeder anderen Achse verbinden lassen und Sie diese Verbindung während der Programmausführung ändern können.

    Nach Ihrer Controller-Auswahl müssen Sie entweder eine „Box“- oder eine „Board“-Konfiguration auswählen. Eine Box-Konfiguration ist ein geschlossener Controller, der für den Stand-alone-Betrieb geeignet ist. Board-Controller werden in Industriecomputer eingesteckt. Wenn Sie bereits einen Industriecomputer an der Maschine haben, kann ein kompatibles Board die Kosten senken und die Integration von Steuerung und Maschine verbessern. Wenn Sie keinen Industriecomputer verwenden möchten, ist der boxbasierte Controller normalerweise einfacher hinzuzufügen.

    Bewerten Sie den Funktionsumfang

    Bewerten Sie abschließend die Controller-Funktionen. Betrachten Sie die bisher besprochenen Funktionen: Getriebe, Kurvenscheiben, Hochgeschwindigkeitsregistrierung und programmierbare Endschalter. Die meisten Controller bieten diese Funktionen in irgendeiner Form, aber die Besonderheiten müssen mit den Anforderungen Ihrer Anwendung verglichen werden. Müssen die Übersetzungen während des Betriebs geändert werden? Müssen Sie Nockenprofile im laufenden Betrieb ändern? Welche Registrierungsgenauigkeit benötigen Sie? Sie benötigen während des Betriebs eine Änderung der Geschwindigkeit oder Zielposition? Unterstützt die Steuerung genügend Achsen für diese Anwendung? Passt es zu zukünftigen Versionen Ihrer Maschine?

    Umgang mit Kosten

    Die Kosten von Servokomponenten sind oft höher als die der mechanischen Komponenten, die sie ersetzen. Einige wichtige Faktoren mildern jedoch diese höheren Kosten. Durch den Verzicht auf komplexe mechanische Geräte können beispielsweise die Gesamtkosten und die Größe der Maschine gesenkt werden, was den Wert des Systems steigern kann. Der Servoregler 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 reduzieren, die zum Herstellen einer Reihe von Maschinen erforderlich sind, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.

    Allgemeine Überlegungen

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

    All diese Fragen können schwierig zu beantworten sein, insbesondere wenn Sie noch nicht mit der elektronischen Bewegungssteuerung vertraut 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 Entwicklungstätigkeit in Ihrem Unternehmen nach. Wählen Sie Anbieter aus, die jetzt und in den kommenden Jahren Produkte und Support anbieten können.


    Postzeit: 16.08.2021
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