Drehbewegungen schnell realisieren mit kompletten Antriebslösungen

Immer mehr Maschinen- und Anlagenhersteller sehen sich aus Wettbewerbsgründen gezwungen, schnellstmöglich auf die Herausforderungen des Markts zu reagieren. Bei der immer kürzer werdenden Zeitspanne,...

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Maxon Motor GmbH

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

CMS Automatisme

Immer mehr Maschinen- und Anlagenhersteller sehen sich aus Wettbewerbsgründen gezwungen, schnellstmöglich auf die Herausforderungen des Markts zu reagieren. Bei der immer kürzer werdenden Zeitspanne, in der mit einem Produkt ,,verdient" werden kann, kommt es gerade bei kleinen und mittleren Serien darauf an, die damit verbundene Entwicklungszeit drastisch zu reduzieren. Daher ist es für den betreffenden Hersteller auch undenkbar, das Herzstück jeder Maschine und Anlage, den Antrieb, jedes mal aufs Neue zu erfinden.Wie aber sieht die Realität aus? Da gibt es ein Antriebsproblem und eine mehr oder weniger klare Formulierung der gewünschten Antriebseigenschaften und Funktionen. Hierzu werden Kataloge und Datenblätter von Motoren, Getrieben, Drehgebern, Servoverstärkern, Achsreglern, SPS und Softwarebeschreibungen durchforstet.Es müssen immer wieder die gleichen Fragen gestellt werden: Wie schnell, wie genau, welche Auflösung, soll es Stromregelung oder Drehzahlregelung sein, welche Bandbreite und Abtastfrequenz ist nötig? Dann ist festzulegen, welche Eigenschaften die Teilkomponenten haben müssen, damit die gewünschten Antriebseigenschaften insgesamt erreicht werden können. Das Für und Wider wird abgewogen und schließlich werden die Komponenten bei verschiedenen Herstellern bestellt.Wenn dann alle Teile endlich nach Wochen bis Monaten geliefert sind, kommt es vielfach wieder zu Frust und Zeitverlust: Manches passt trotz sorgfältiger Planung nicht zusammen. Verdrahtungs- und Potentialprobleme tauchen auf. In manchen Betriebszuständen kommt man in Sättigungsbereiche von Strom oder Spannung, Verstärker schalten sich ab, es gibt Motorüberhitzungen oder die Komponenten beeinflussen sich gegenseitig durch schwer lokalisierbare elektromagnetische Störungen.Einige Herstellerangaben waren vielleicht doch unvollständig oder basierten eben auf anderen Vorraussetzungen. Häufig sind teure Nachbesserungen und Zusatzbeschaltungen zu implementieren, bis der Antrieb die Forderungen endlich erfüllt.Das alles jedoch muss nicht sein. Viele Antriebshersteller bieten inzwischen komplette Antriebslösungen aus einer Hand an, so beispielsweise auch ein renomierter Schweizer Hersteller von Präzisionsmotoren. Sein Komplettsystem zur Lösung von Antriebsaufgaben besteht aus vollkommen aufeinander abgestimmten Motoren, Inkrementalencodern, Servoverstärkern, Achsreglern, Stromversorgungen und Software, wenn gewünscht, einschließlich aller benötigter Kabel.Software ermöglicht individuelle AnpassungDie Anpassung an die individuelle Antriebsaufgabe geschieht per Software, die auf einfache Weise erstellt werden kann. Der Anwender braucht sich um die Einzelkomponenten oder Schnittstellenprobleme nicht mehr zu kümmern. Dies erspart eine Menge Zeit, die der Hersteller dazu verwenden kann, um die Innovation und den Technologiefortschritt zu erreichen, die seinem Produkt den Vorsprung im Markt sichert.Zentraler Bestandteil des Antriebs ist eine Positioniersteuerung. Sie besteht aus einem Mikroprozessor für die Ablaufsteuerung, einem Achsregler und einem integrierten Servoverstärker für die Drehzahl- und Positionsregelung des Motors. Weiterhin sind digitale Ein- und Ausgänge vorhanden, die die Funktion einer kleinen SPS übernehmen können. Zur Programmierung der Positioniersteuerung und für die Kommunikation mit anderen Einheiten ist eine RS232 Schnittstelle vorgesehen.Das kompakte 19" kompatible Gehäuse beinhaltet auch eine Stromversorgung, mit der alle erforderlichen Spannungen intern erzeugt werden. Damit kann ein komplettes Antriebssystem von einem einfachen Transformator versorgt werden.Rund um diese Antriebselektronik steht eine ganze Palette reaktionsschneller eisenloser DC-Motoren von wenigen Watt bis etwa 250 W mit passenden Inkrementalgebern einschließlich Kabeln zur Verfügung.Eine PC-Bediensoftware erlaubt es, die Antriebsfunktion einfach und schnell per Programm zu definieren, in Echtzeit zu testen, zu optimieren und das endgültige Anwenderprogramm letztlich dauerhaft in der Positioniersteuerung zu speichern.Durch einfaches Stecken vorkonfigurierter, vertauschungssicherer Kabel zwischen Motor, Inkrementalencoder und Positioniersteuerung und durch Anschluss eines Transformators ist der Antrieb komplett verdrahtet. Danach wird das RS232-Schnittstellenkabel mit dem PC verbunden und die Bediensoftware installiert. Über diese wird der Motortyp angegeben. Damit ist der Antrieb bereits fertig konfiguriert und mit vernünftigen PID-Reglerparametern versehen. Die Inbetriebnahme ist abgeschlossen.Jetzt lassen sich per Tastendruck bereits Positioniervorgänge starten oder mit dem Editor eigene Motion-Control-Programme erstellen und ausführen.Systemkonfiguration sieht zwei Betriebsarten vorDie Positioniersteuerung kann grundsätzlich in zwei unterschiedlichen Betriebsarten verwendet werden: im Standalone- und im Onlinebetrieb. Beim Standalonebetrieb ist ein Bewegungsprogramm dauerhaft in der Steuerung gespeichert. Die Steuerung arbeitet völlig selbständig.Ein Programm kann automatisch gestartet werden, wenn die Versorgungsspannung eingeschaltet wird. Es sei jedoch angemerkt, dass die Positioniersteuerung dabei nicht isoliert arbeiten muss. Das gestartete Programm kann beispielsweise auch über die serielle Schnittstelle Daten austauschen, wie zum Beispiel Kommandos, Messwerte, Statusmeldungen oder Textzeichen. Dadurch können einfache Anzeige/Bediengeräte, Handterminals für manuelle Eingaben, aber auch übergeordnete SPS an die Steuerung angeschlossen werden.Im Onlinebetrieb wird kein spezielles Anwenderprogramm in der Positioniersteuerung gespeichert. Sie reagiert stattdessen direkt auf Befehle, die sie in Form von ASCII-Zeichenketten laufend über die RS232-Schnittstelle von einem übergeordneten Rechner empfängt.Die Basisversion ist ausgelegt für die Regelung von bis zu zwei Achsen. Ein- und Zweiachssysteme lassen sich mit der gleichen Software und identischen Befehlen programmieren. Bei Zweiachssystemen ist in den Bewegungsbefehlen lediglich die entsprechende Achsnummer anzugeben.Die Positioniersteuerung arbeitet als sogenannte Punkt-zu-Punkt-Steuerung. Ein gewünschter Zielpunkt wird mit einer vorgebbaren Beschleunigung und maximaler Drehzahl auf einem trapezförmigen (zeitoptimalen) Geschwindigkeitsprofil angefahren. Das Profil wird automatisch anhand der Eingangsdaten errechnet.Die erreichbare Positioniergenauigkeit ist in der Regel nur von der Genauigkeit des Positionsgebers abhängig. Dieser ist meist ein direkt auf der Motorwelle angebrachter Inkrementalencoder mit typisch 500 oder 1000 Strichen. Mit einer Impulsvervierfachung kann die Lage der Motorwelle dann mit einer Auflösung von 1/2000 oder 1/4000 einer Umdrehung (etwa 0,2 bis 0,1°) gemessen werden. Eine Position ist mit einer Wiederholgenauigkeit von ± ein Inkrement anzufahren.Diese Wiederholgenauigkeit ist im stationären Fall erreichbar; auch unter Last, weil Positionsfehler durch einen Integralanteil des Reglers kompensiert werden können. Die absolute Genauigkeit ist geringer: Sie hängt neben der absoluten Gebergenauigkeit auch von der Montagegenauigkeit, bei angeflanschten Getrieben oder Linearspindeln von deren Spiel, Steifigkeit und anderen Einflüssen ab.Die Positioniersteuerung lässt sich auch als genaue Drehzahlregelung verwenden. Im Unterschied zu herkömmlichen Drehzahlreglern arbeitet dieser digitale Regler bemerkenswert genau und driftfrei in hohem Dynamikbereich bis herab zu kleinsten Drehzahlen von etwa 1/min.Wie schon angedeutet, lässt sich die Positioniersteuerung auch als kleine SPS verwenden. Über digitale Eingänge werden Signale, zum Beispiel von Endschaltern, Tastern, Tastaturen oder anderen Steuerungen erfasst und über digitale Ausgänge Bremsen, Relais, Lampen, Ventile oder auch andere Steuerungen aktiviert.Damit können die typisch zu einem Antrieb gehörigen Elemente direkt vor Ort von der Positioniersteuerung kontrolliert werden. Unnötige Schnittstellen zu konventionellen SPS entfallen. Dies schafft Klarheit in der Systemstruktur und man erhält voll funktionsfähige, dezentrale Antriebe mit hoher Zuverlässigkeit.Antriebe menügeführt programmieren und optimierenZur Erleichterung der Antriebsprogrammierung für Tests und zur Optimierung steht eine ergonomisch durchdachte menügeführte PC-Bedienoberfläche zur Verfügung. Sie bietet auch Maussteuerung, kontextsensitive Hilfe, halbautomatische Befehlsgenerierung sowie Teach-in-Möglichkeiten. Die Dialogsprache kann Deutsch, Englisch und Französisch sein.Über einen Editor werden die Bewegungsprogramme erstellt. Der problemorientierte Befehlssatz enthält Befehle wie VEL und ACC, mit denen die Beschleunigung und die Geschwindigkeit einer Bewegung definiert werden, oder den Befehl POSA, der einen Positioniervorgang startet. Weitere Befehle zur Initialisierung, Programmkontrolle, Interrupt und I/O vervollständigen den Befehlssatz. Einen Auszug aus dem Befehlssatz und damit die Funktionsvielfalt zeigt die Tabelle.Zum Optimieren von Reglerparametern und zum Bestimmen von Maximalwerten für Drehzahl und Beschleunigung lassen sich Echtzeitmessungen während eines Positioniervorganges durchführen. Die Messungen werden ausgewertet und in Form von Weg-Zeitdiagrammen und Geschwindigkeits-Zeitdiagrammen dargestellt.Vom Antriebs-Know-how der Spezialisten profitierenCharakteristisch für das vorgestellte Antriebssystem ist seine kurze und problemlose Inbetriebnahme. Die Antriebseinheit und ihre Einpassung in den Funktionsablauf in einer Maschine kann rasch und bequem programmiert werden. Dank der genau aufeinander abgestimmten Komponenten werden Schnittstellenprobleme vermieden.Nutzt der Konstrukteur die langjährigen Erfahrungen und das Know-how eines Antriebsspezialisten, so spart er reichlich Entwicklungsaufwand und vermeidet eine Menge Kosten. Da Antriebssysteme in der Regel nur Subsysteme sind, stehen wieder Zeit und Ingenieurwissen zur Verfügung für wichtige Verbesserungen des Gesamtsystems. Damit kann die Maschine früher und mit kalkulierbarem Risiko auf den Markt kommen.