Erschienen am: 06.10.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 10 2017

Antriebsauslegung für Maschinen und Anlagen

Dynamische Modelle

Für produzierende Unternehmen ist Energieeffizienz und die Reduktion von Lastspitzen ein entscheidender Wettbewerbsfaktor. Die Installation und der Betrieb der benötigten Infrastruktur sind Kostenfaktoren, die so gering wie möglich zu halten sind. Das gilt auch für jegliche Art von Antrieben, die in einer Anlage verbaut werden. Dr. Georg Wünsch von Machineering beschäftigt sich in seinem Kommentar nun mit der entscheidenden Frage, wie groß der benötigte Antrieb denn tatsächlich sein muss.


Bild: Machineering GmbH & Co. KG

Bei der Konstruktion einer neuen Maschine erfolgen die ersten Berechnungen meist schon in einem sehr frühen Stadium. Oft gilt es, verschiedene Varianten zu berechnen und abzuschätzen, ob die Leistung auch dann noch ausreicht, wenn ein kleinerer Antrieb eingesetzt wird, oder inwieweit sich diese mit dem nächstgrößeren Antrieb steigern lässt. Ist der Antrieb unterdimensioniert, erreicht die Maschine nicht die gewünschte Leistung und der Antrieb muss durch einen größeren ersetzt werden. Das zieht Aufwand und eventuell sogar Konstruktionsänderungen nach sich. Wurde der Motor zu groß ausgelegt, steigen Anschaffungs- und Unterhaltungskosten im späteren Betrieb, weil der Antrieb mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet und zu viel Energie verbraucht. Meiner Erfahrung nach werden Antriebe oft - auch aus mangelnder Kenntnis - bis zu dreifach überdimensioniert. Das muss nicht sein! Mithilfe unserer Simulationssoftware IndustrialPhysics ist eine Abbildung eines geplanten Antriebs möglich. Wir können so Kennwerte von verschiedenen Antrieben vergleichen und reelle Werte zugrunde legen. Für den Bereich Masse -> Reibung ist sogar eine grobe Abschätzung ausreichend. Der große Vorteil an der Simulation eines dynamischen Antriebs ist, dass schnell alle geplanten Zyklen vorliegen. Selbstverständlich bildet die Simulation mit IndustrialPhysics alle Modelle gemäß des DIN-Bewegungsplans ab. Dieser ist steuerungsunabhängig und direkt in die Software integriert. Auch die VDI-Richtlinie 2143 Blatt 1 zu Bewegungsgesetzen für Kurvengetriebe gehört standardmäßig zu unserer Software. Dazu zählt beispielsweise die Bewegung mittels eines Polynoms 5. Grades mit begrenztem Ruck oder auch 7. Grades (ruckfrei). Mit der Software lässt sich ein Modell erstellen, das die Antriebsregelung realistisch abbildet und die Vorsteuerung für Geschwindigkeit und Beschleunigung entsprechend berücksichtigt. Systemparameter, wie z.B. der Luftspalt des Motors und die Reibung in Getriebe und Anwendung sowie weitere Parameter im Regelkreis können - die Kenntnis der entsprechenden Größen und Zusammenhänge vorausgesetzt - bei der Berechnung der Differentialgleichungen mit einbezogen werden. Aus all diesen Elementen entsteht das Simulationsmodell - als großes Ganzes oder auch nur einzelne Teile der geplanten Anlage. Anhand dieses Modells kann die virtuelle Inbetriebnahme schrittweise starten. So werden die Zykluszeiten nach und nach verkürzt. Sukzessive werden reale Komponenten in den Inbetriebnahmeprozess integriert. Mit diesem Verfahren wird die Auswahl der passenden Antriebsgröße vereinfacht. Der Verbrauch der Maschine muss mit einem Simulationsmodell für jeden Zeitpunkt einer anfallenden Bewegung vorberechnet werden. Um eine gute Realitätsnähe zu erreichen, wird hierfür ein mechatronisches Berechnungsmodell benötigt. Erfahrungsgemäß ist so eine Verbesserung um bis zu 20 Prozent möglich.

Inhouse oder nicht?

Aus Erfahrung wird man klug! Warum also nicht das Wissen Inhouse bündeln und selbst die Antriebsberechnung in die Hand nehmen? Vieles in diesem Bereich ist Empirie. So lassen sich Verbesserungen schnell intern umsetzen und die Antriebe selbst entsprechend konfigurieren. Wir von Machineering bieten hierzu entsprechende Schulungen an. Durch viele Gespräche mit unseren Kunden wissen wir, dass der Bedarf an Simulation von dynamischen Antriebsmodellen hoch ist. Viele erwarten diese Möglichkeit einfach von einer guten Simulationssoftware. Um diese Modelle Inhouse zu erstellen, auszulesen und entsprechend umzusetzen, ist es wichtig, Kompetenzen im Team zu bündeln. Strategisch ist es sogar sinnvoll, eine eigene Abteilung zu schaffen, die sich mit der Antriebsauslegung befasst. Dafür wird das Know-how an Mechanik, Elektroplanung und Hydraulik benötigt. Natürlich lassen sich diese Berechnung auch durch die Antriebshersteller vornehmen. Wenn diese auch mit einer Simulationssoftware wie unserer arbeiten, werden diese zu einem ähnlichen Ergebnis kommen. Ob ein Maschinenbauer aber seine gesamte Anlagenplanung nun außer Haus geben möchte, bleibt jedem Unternehmen selbst überlassen. Denn für eine gute Antriebsauslegung muss umfangreiches Wissen über die Antriebsmechanik sowie die Prozesslast vorliegen. Ziel ist es sicherlich, Schnittstellen zu verbessern. Das gilt sowohl für die Antriebshersteller selbst als auch für die Maschinenbauer. Mithilfe der Simulation von dynamischen Antriebsmodellen entsteht nebenbei sehr viel wertvolles Wissen: verschiedene Antriebstechniken werden vergleichbar und Erfahrungen zu der tatsächlich benötigten Antriebsgröße, basierend auf den virtuellen Erkenntnissen, gesammelt.