Einbindung hochdynamischer Servo-Antriebskomponenten in Feldbus-Systeme

Der magische Würfel

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Der moderne Maschinenbau erfordert hochspezialisierte Maschinen mit kurzen Zykluszeiten. Um den Entwicklungsaufwand zum minimieren, geraten Baukastensysteme mehr und mehr in den Vordergrund, denn hier lassen sich optimierte Lösungen in einem vernünftigen Kostenrahmen aufbauen. Was moderne Antriebssysteme dazu beitragen können, lesen Sie im folgenden Beitrag.

Die Autoren: Dr. Ing. Sawa Tschakarow, Geschäftsführer der Amtec GmbH, Berlin und Markus Sandhöfner, Mitarbeiter der Wittenstein Motion Control GmbH, Isersheim

Vorteile der Servo-Antriebe
Die Entwicklung der Antriebskomponenten in den letzten Jahren verdeutlicht die wachsende Bedeutung von Servo-Antriebssystemen in Produktionsanlagen der Industrie. aber auch im Sondermaschinen- und Prüfstandsbau. Die Vorteile gegenüber konventionellen elektrischen Antrieben liegen auf der Hand:
n Servomotoren verfügen über eine sehr hohe Dynamik
n Servoantriebe gestatten den Aufbau einer präzisen Posi-tionsregelung ohne Verluste in der Dynamik
n Servoantriebe mit bürstenlos kommutierten Motoren haben eine hohe Lebensdauer
n Servoantriebe werden in immer kleineren Abmessungen und hoher Leistung verfügbar.
Mit dem Einsatz der Servoantriebe wächst der Trend zur Verlagerung von immer mehr Intelligenz in die Antriebssteuerung, die mithin zu einem Teil der Maschinensteuerung wird. Dieser Entwicklung entsprechend kommt es immer mehr zu einer hochoptimierten Speziallösung, die der Kunde als Dienstleistung wünscht. Die Konsequenz für den Hersteller ist klar: Der Aufbau von kundenspezifischen Lösungen erfordert eine Herangehensweise, die auf dem Baukastenprinzip basiert. Auf diese Weise lassen sich komplexe und hochspezialisierte Maschinen aus Modulkomponenten zusammenfügen ohne die Entwicklungskosten in die Höhe zu treiben.
Gerade bei herkömmlichen Positionssteuerungen ergeben sich bislang Schwierigkeiten in der Anwendung der modularen Bauweise, weil die Größe des Reglers die Größe des Motors oft weit überschreitet. Dies hat zur Folge, daß die Positionsregler in Schranksystemen eingebaut und aufwendig über weite Distanzen mit dem Motor verkabelt werden.
Insbesondere bei Maschinensteuerungen mit mehreren Achsen ist es wünschenswert. die intelligenten Modulinseln miteinander zu vernetzen und an die Maschinensteuerung zu koppeln. Aus den für diese Zwecke geeigneten und am Markt befindlichen Feldbussystemen haben sich eindeutig Profibus und CAN-Bus als Standards durchgesetzt.
Bürstenlose Motore
Mit Verringerung der Baugrößen geht der Trend hin zu kleineren, leistungsfähigeren, dynamischeren und zuverlässigeren Antrieben. Für diese Anforderungen entwickelte Wittenstein Motion Control die Baureihe der Cyber-Motoren. Mit den bisher realisierten Baugrößen zwischen 22 und 55 mm Flanschabmaß beschreitet der Anbieter im Bereich Kleinantriebe einen absolut neuen Weg. Er verwendet hochwertige Materialien und benutzt bei konsequenter Anwendung der bewährten bürstenlosen Drehstromtechnologie mit Permanentmagneterregung modernste Entwicklungsverfahren wie Feldberechnung mit Finite-Element Methode.
Wichtigster Unterschied zu den bisher am Markt erhältlichen Kleinmotoren ist die Dynamik der Cyber-Motoren. Maschinenzyklenzeiten können durch den Einsatz von Cyber-Motoren verringert werden. Motorhochlaufzeiten verkürzen sich. Die Minimierung der Massenträgheitsmomente bei hoher Leistungsdichte wird durch eine optimale Auslegung der Pol- und Nutenzahl. unterstützt durch spezielle konstruktive Maßnahmen, erzielt.
Durch verschleißfreie, bürstenlose Technik liegt die Lebensdauer bei über 30.000 Betriebsstunden, allein durch die Lebensdauer der Lager begrenzt. Der Einsatz der Cyber-Antriebe spart Energie. Der Wirkungsgrad beträgt bis zu 92%. Das minimale Gewicht und die hohe Leistungsdichte der Cyber-Motoren ermöglichen es dem Konstrukteur, neue Maschinenkonstruktionen einfach. gewicht- und raumsparend auszuführen.
Dezentralisierte Steuerung und Regelung
Mit dem von Amtec vorgestellten PowerCube Motion Controller zur Antriebssteuerung und -regelung ist es gelungen, heutige Industrie-Anforderungen zu erfüllen. Mehrere Entwicklungskomponenten haben dabei eine Rolle gespielt:
n Extreme Miniaturisierung des Servo-Reglers mit einer hohen Taktrate des Stromreglers
n Einsatz von Mini AC-Servo-Motoren
n lntegration der mikroprozessorgesteuerten Drehzahl- und Positionsregelung in die Servo-Endstufe
n Realisierung der Feininterpolation zwischen vorgegebenen Lagesollwerten in der Positionsregelung auf der Basis einer Rampenfunktion
n Anschluß der Positionsregelung an ein Standard-Feldbussystem.
Das PowerCube Antriebssystem bietet auf Grund der Mikroprozessor-Steuerung zusätzliche Möglichkeiten für die Maschinensteuerung. Der intelligente Motion Controller kann durch digitale und analoge Ein- und Ausgänge ergänzt und somit zur Steuerung anderer Maschinenkomponenten eingesetzt werden. Die Lage- und Drehzahlinformation kann entweder durch Resolver oder durch digitale Encoder erfaßt werden. Über den Standard-Feldbusanschluß werden die Antriebsmodule miteinander vernetzt. Die PowerCube Antriebssteuerung verfügt über zwei Optionen: Profibus-DP und CAN-Bus. Beide Varianten werden von den meisten intelligenten Maschinensteuerungen, wie z.B. SPS, Industrie-PC oder Flat-Panel-Systemen unterstützt. Die Busübertragungsraten sind bei einer sehr hohen Übertragungssicherheit sehr hoch (Profibus-DP bis zu 12 Mbit/s).
Komplette dezentrale Antriebsmodule
Basierend auf dem PowerCube und den AC-Servo Motoren hat Amtec ein System von Komplettantrieben entwickelt, das dem Baukastenprinzip folgt. Jedes PowerCube Antriebsmodul vereint in sich auf kleinstem Raum z.B.:
n ein spielfreies Harmonie-Drive Well-Getriebe
n einen bürstenlosen AC-Servo Motor, eine Permanentmagnet-Einscheibenbremse
n einen digitalen Encoder, mit einem digitalen Servo-Verstärker mit Stromregelung
n einen digitalen Positions- und Drehzahlregler.
Um das Baukastenprinzip vollständig zu realisieren ist auch eine einheitliche mechanische Schnittstelle erforderlich. Alle aktiven Elemente (Antriebsmodule) sind deshalb einheitlich als Würfel aufgebaut:
n Das Drehmodul als Doppelwürfel, dessen Einzelwürfel sich gegeneinander verdrehen können.
n Das Linearmodul ist aus zwei Würfelteilen zusammengesetzt. die mit einer Linearführung variabler Länge verbunden sind.
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