So werden Wünsche wahr

Servo-Antriebe sind im Grund genommen überall im Einsatz. Sie treiben Roboter in der Automobilindustrie an, positionieren Portale bei der Möbelherstellung, wickeln Drähte oder zerschneiden und portionieren präzise Fischfilets. Hier sorgen sie für hohe Produktionsgeschwindigkeiten durch schnelle und exakte Bewegungen entsprechend den Steuerungsvorgaben. Bildlich dargestellt ist als Beispiel eine Maschine zur Bearbeitung von Folien. Neben den beiden Wickelantrieben mit Drehstromasynchronmotoren und Frequenzumrichtern ist die Maschine mit fünf Servo-Antrieben zum Bewegen und Bearbeiten des Materials ausgerüstet.

Servo-Achsen bestehen generell aus den Hauptkomponenten Servomotor und Servo-Umrichter. Der Servo-Umrichter setzt die elektrische Energie des Netzes geregelt in Leistung für den Motor um. Er besteht aus dem Leistungsteil sowie der Steuerelektronik zur Regelung, Sollwertgenerierung und Überwachung der Komponenten. Der Servomotor wandelt die elektrische Leistung in eine rotative Bewegung. Er besteht aus dem Aktivteil zur Drehmomenterzeugung, dem Sensor zur Winkel- und Drehzahlrückführung und gegebenenfalls einer Bremse zum Halten der Position im stromlosen Zustand. Es ist das Zusammenspiel der Servo Drives 9400 mit den Synchron- oder Asynchron-Servomotoren der Lenze-Reihen MCS und MCA, die aus einzelnen Komponenten einen exakt, schnell und effizient arbeitenden Servo-Antrieb machen.

Positionieraufgaben sind typisch für Servo-Antriebe, die Werkzeuge oder Material punktgenau zu einer vorher definierten Position fahren. Vielfach im Einsatz sind Gewindespindelantriebe. Der Motor treibt direkt oder über ein Getriebe die Gewindespindel an und verschiebt einen Schlitten linear an die gewünschte Position. Die Positionsmessung erfolgt indirekt über den im Motor eingebauten Winkelsensor. Damit bestimmt die Genauigkeit des im Motor eingebauten Gebersystems die Positionsgenauigkeit des Schlittens.

So zieht bei einer getriebelosen Kombination von Servomotor und Spindel (10 mm Steigung) ein Winkelfehler von 20 arcmin im Motor eine Positionsungenauigkeit des Schlittens von 9 µm nach sich. Bei einem Hebelantrieb mit 100 mm Länge führt der gleiche Winkelfehler von 20 arcmin zu einer Positionsungenauigkeit von ca. 0,6 mm. Die Anforderungen an den Geber sind daher stark von der jeweiligen Anwendung abhängig. Diese Berechnungen belegen, dass es notwendig ist, Servo-Antriebe so anzupassen, dass sie den jeweiligen Anforderungen gerecht werden. Aus diesem Grund bietet Lenze für die Servomotoren unterschiedliche Rückführsysteme an, die direkt im Motor eingebaut sind.

Zu nennen sind für die Asynchron-Servomotorenreihe MCA und Synchron-Servomotorenreihe MCS Resolver, Inkrementalgeber sowie Sin-Cos-Absolutwertgeber in Single- und Multiturnausführung. Selbstverständlich unterstützt die Reglerreihe Servo Drives 9400 die verschiedenen Geber, so dass es für den jeweiligen Anwendungsfall möglich ist, die optimale Lösung auszuwählen.

Die hier dargestellte Tabelle zeigt die wesentlichen Eigenschaften der verschiedenen Winkelsensoren im Vergleich.

Für die meisten Anwendungen sind Resolver ausreichend. Sie arbeiten genau, sind robust und im Vergleich preiswert. Sind bei Prozessen innerhalb einer Maschine höhere Anforderungen zu erfüllen, ist es ausreichend, nur gezielt für die betroffenen Achsen genauere Geber einzusetzen.

Sind in einer Anwendung Positionen anzufahren, so hat das regelungstechnisch betrachtet die Folge, dass sich zeitabhängig Winkelsollwert und Drehzahlsollwert verändern. Der Servo-Antrieb versucht nun seinerseits, dem sich ändernden Winkelsollwert zu folgen. Dabei kommt es zu einer Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert. Diese Abweichung, auch als Schleppfehler bezeichnet, beträgt für einen herkömmlichen Antrieb ohne Beschleunigungsvorsteuerung in einem konkreten Fall ±26 arcmin.

Mit den Servo Drives 9400 hat es Lenze erreicht, durch die höhere Auflösung und schnellere Beschleunigungsvorsteuerung die Genauigkeit insgesamt zu verbessern. Diese Vorsteuerung lässt den Antrieb schneller reagieren, so dass sich der Schleppfehler verringert – bei den neuen Reglern in der gleichen Anwendung auf weniger als ±11 arcmin. In vielen Anwendungen müssen Antriebe zu einem Leitantrieb mit fester Drehzahl winkelsynchron laufen. Ein typisches Beispiel sind Druckmaschinen. Hier drehen sich alle Antriebe für ein einwandfreies Druckbild synchron zur Papierbahn. Winkelabweichungen führen zu Verschiebungen einzelner Druckbilder zueinander, so dass später Farbfehler, weiße Ränder und Ähnliches sichtbar werden. Zur Beherrschung dieser Aufgabe verfügen die Servo Drives 9400 über spezielle Reglerelemente für den Gleichlauf, die den Winkelfehler erheblich reduzieren. Den Unterschied zwischen den Regelverfahren ist beachtlich. Die Gleichlaufeinstellung reduziert die Winkelabweichung zum Leitantrieb um den Faktor fünf.

Servo-Antriebe setzen die Signale einer Steuerung in Bewegung um. Je nach Anwendung variieren die Anforderungen an die Präzision. Durch unterschiedlich genaue Winkelsensoren lassen sich die Antriebe auf die jeweilige Anwendung zuschneiden.

Mit den Servo-Antrieben – bestehend aus Servo Drives 9400 und Lenze-Servomotoren – lassen sich einerseits Sollwerte der Steuerung präzise umsetzen und andererseits die Schleppfehler deutlich durch die Verbesserungen in der Regelung reduzieren. So steigt die Winkelpräzision, die ihrerseits einen wesentlichen Faktor für moderne Automatisierungslösungen darstellt.

1947 gründete Hans Lenze die Handelsgesellschaft „Stahlkontor Weser GmbH“, Hameln – Ursprung der heutigen Unternehmensgruppe Lenze. Der Umsatz im Geschäftsjahr 05/06 beträgt 529,1 Mio. €. Das Unternehmen ist tätig in den Branchen Antriebs- und Automatisierungstechnik für den Maschinen- und Anlagenbau.

Stand: November 2006

Servoantriebe KEM 431

Produkte Lenze KEM 432