Kleinantriebe mit genau geregeltem Leistungsvermögen
VDI nachrichten, Nürnberg, 2. 12. 05 – Immer mehr werden Servo- und Schrittmotoren eingesetzt. Doch Rastmomente, mechanische Resonanzen und Torsionsschwingungen können zu Beeinträchtigungen führen. Mit ausgefeilten Regelsystemen, Motion Control und der Vereinigung von Motor und Ansteuerelektronik versucht man die Mini-Antriebslösungen zu optimieren. Lösungen wurden am 23. November auf der Messe SPS/IPC/Drives auf einem Kongress diskutiert.
Aus vielen industriellen Anwendungen, die äußerst gleichförmige Bewegungen erfordern, sind Schrittmotoren mit hoher Linearität heutzutage nicht mehr wegzudenken: Dabei handelt es sich z. B. um Systeme zur SMD-Bestückung, zur Wafer-Bearbeitung, zur genauen Dosierung von Substanzen, für Mikroskopie, in Überwachungskameras mit starker Vergrößerung sowie um Systeme der Lichtprojektion. Hierbei kann eine ungleichförmige Bewegung, wenn der Rotor – hervorgerufen etwa durch Rastmomente des Motors – sprungartig von der einen Position in die andere kippt, extrem störend wirken.
Möglichkeiten zur Kompensation solcher Rastmomente liegen heutzutage in einer präzisen Positionsregelung auf Basis von hochauflösenden Positionsgebern. Die Kosten für hochauflösende Positionsgeber können allerdings ein Vielfaches der Kosten eines Schrittmotors betragen und sind daher für kostensensible Anwendungen nicht geeignet, weiß Lars Larsson von der Trinamic Motion Control in Hamburg. Freilich kann der Einfluss von Rastmomenten auf die Gleichförmigkeit der Bewegung eines Schrittmotors auch durch hohe Untersetzung eines Getriebes reduziert werden, allerdings zum Preis geringerer Dynamik.
Besonders optimierte Zahnformen können Rastmomente ebenfalls zum Verschwinden bringen. „Für Anwendungen, die einen besonders gleichmäßigen Lauf erfordern, ist die Auswahl geeigneter Schrittmotoren der Kompensation von Rastmomenten stets vorzuziehen“, empfiehlt Larsson.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass zwischen dem elektrischen Antrieb und der anzutreibenden Lastmaschine mechanische Übertragungselemente erforderlich sind, die zu einem elastischen Verhalten des Antriebsstrangs oder zu Torsionsschwingungen führen können. Die Ursachen dafür liegen in zu langen Wellen, Spindeln oder Zahnriemen, aber auch in den Nachgiebigkeiten der Zahnräder der Getriebe und Gelenke.
Besonders bei spanender Bearbeitung führen derartige Schwingungen zu einer schlechten Oberflächengüte, erläutert Mathias Gutmann vom Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe der der Uni Stuttgart. Aber auch bei Schwenk- und Linearantrieben für Industrieroboter, oder Zielverfolgungssystemen wie z. B. Antennen oder Spiegel- und Radioteleskope wirken sich solche Schwingungen äußerst störend aus. Sie lassen sich neuerdings durch regelungstechnische Maßnahmen in den Griff bekommen: Neben einem Sensor zur Erfassung der Drehbeschleunigung des Rotors der Antriebsmaschine kommt ein solcher für den Rotor der Lastmaschine zum Einsatz, was die Regelung der Drehbeschleunigung des Lastmaschinen-Rotors in einer überlagerten Regelschleife ermöglicht.
Dadurch lässt sich die Entstehung von Resonanzschwingungen zwischen Antriebs- und Lastmaschine verhindern, so Gutemann, der ein solches Regelsystem an seinem Institut an einer Modellanlage praktisch und erfolgreich erprobt hat. Ergebnis: Es kam zu einer deutlichen Vergrößerung der dynamischen Störsteifigkeit des Antriebssystems um den Faktor acht.
Erfolge bei der Optimierung von Kleinantrieben erzielte auch Big Drum, Hersteller von Eiscreme-Abfüllmaschinen, in Gudensberg. In der neuen Version seiner 6-bahnigen Abfülllinie kommen Servomotoren der MP-Serie von Rockwell Automation zusammen mit einer SPS sowie Motion Control zum Einsatz. Der Motor wurde an ein vorhandenes Planetengetriebe angebaut und mit der ControlLogix-Demobox und einem digitalen Servoverstärker gesteuert. So hat die Haupt-Drehachse durch das 50 % geringere Gewicht des Getriebemotors weniger Masse zu bewegen. „Dadurch verfügt die Maschine über eine hohe Dynamik beim Heben und Senken sowie beim Querfahren“, berichtete Matthias Ruppert, Chef-Ingenieur bei Big Drum in Nürnberg.
Bei Schritt- und Servomotoren geht der Trend immer mehr zu dezentralen Einheiten, die Motor und Ansteuerelektronik vereinen, so Holger Ruhland, von IMS Intelligent Motion Systems Europe, Villingen-Schwenningen. Die Vorteile einer direkt am Motor integrierten Ansteuerung liegen in einer deutlichen Platzersparnis durch den Wegfall der sonst separaten Ansteuerelektronik und einer Eliminierung von EMV-Problemen durch Wegfall der Verkabelung. Basis sind selbst entwickelte Asics mit Generierung hoher Auflösungen von bis zu 256 Schritten pro Vollschritt. Damit lassen sich gute Gleichlaufeigenschaften bei langsamen Drehzahlen und hohe Positioniergenauigkeiten erreichen. E. LANGE/KÄM
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