Erschienen am: 08.02.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2018

Kompaktbauende Servoantriebe als Telemetriegeräte

Weniger Kosten für Mechanik

Ein Aspekt, dem beim Thema Industrie 4.0 bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist das Motion Control, das viele der gesetzten Ziele vorantreibt. Kleine, intelligente, kompakte und effizient kommunizierende dezentrale Servoantriebe, die tief in der Maschine verbaut sind, fungieren schon jetzt als Telemetriegeräte, die messen, überwachen und reagieren. Sie führen zu schlankeren Maschinendesigns und höherem Durchsatz.


Der Gold Twitter mit 80A von Elmo Motion Control ist einer der kleinsten STO-zertifizierten Servoantriebe.
Bild: Elmo Motion Control Ltd.

Bei einem Bestückungsautomaten für Leiterplatten mit hohem Durchsatz und hoher Qualität, mit doppelter Gantry-Bauweise und Montageköpfen auf der Z-Achse, die die Längen- und Winkelausrichtung der Bauteile steuern, ist es durch den Einsatz der kompakten, aber leistungsstarken Servoantriebe Gold Twitter von Elmo Motion Control gelungen, das Gewicht von ursprünglich 2.000kg bei einem Volumen von 5,2m³ auf 1.200kg und ein Volumen von 3,9m³ zu reduzieren. Dadurch ergeben sich 33 Prozent weniger Mechanik. Darüber hinaus ließ sich der hohe Durchsatz der Pick&Place-Maschine noch steigern. Doch wie ist es möglich, dass die kleinere, leichtere und dadurch scheinbar weniger leistungsfähige Maschine die schwere Maschine in ihrer Ausbringungsmenge übertrifft?

Was ist Pure Power?

Pure Power bezieht sich auf die Fähigkeit, dem System exakt die Leistung zuzuführen, die benötigt wird. Normalerweise führen übermäßige oder ungenügende Energieübertragungen zu mechanischen Beanspruchungen, die Störungen darstellen und eine elektrische und mechanische Belastung verursachen. Das sind in der Regel störende und unerwünschte elektrische oder mechanische Oberwellen, übermäßige Hitze im Antrieb sowie elektromagnetische Störungen, mechanische Vibrationen und Resonanzen. All diese Effekte beeinträchtigen im Wesentlichen die Leistung des Systems. Die herkömmlichen Methoden, um diese Störungen zu vermindern oder zu vermeiden, umfassen das Hinzufügen von speziellen Komponenten wie voluminöse Netzfilter, zusätzliche Induktivitäten, Kühlkörper und Ventilatoren. In einigen Fällen ist es notwendig, die Mechanik belastbarer und stabiler zu machen. In anderen Fällen können einige Vibrationen und Resonanzen durch eine Verlangsamung des Arbeitszyklus verhindert werden. Die meisten dieser Methoden vergrößern allerdings die Abmessungen der Maschine und erhöhen die Design- und Implementierungsarbeiten sowie die Kosten und die Wärmeabgabe. Jedes Teil der Antriebskette trägt zu dieser Aufblähung bei. Der Ansatz von Elmo Motion Control zur Lösung dieses Problems besteht darin, dass der Servoantrieb Gold Twitter durch den Antrieb selbst und die anderen Komponenten der Servokette eine dominante Rolle bei der Reduzierung der Störfaktoren spielt. Die Philosophie ist ganz einfach: "Wenn keine Hitze erzeugt oder Störungen verursacht werden, müssen diese auch nicht wieder beseitigt werden", weiß Stefan Schmitz-Galow, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung von Elmo Motion Control.

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Sehr kleiner Ethercat-Servoantrieb

"Der Einsatz unseres intelligenten Servoantriebs mit bis zu 5.000W Nennleistung, Nennströmen bis 80A und maximalen Versorgungsspannungen bis 196VDC macht die Modifizierung der Mechanik überflüssig", erklärt Schmitz-Galow weiter. Mit 20g und einer Größe von 35x30x11,5mm passt der Antrieb in sehr kleinen Bauraum, selbst mit ungünstiger Entwärmung, denn im Gold Twitter steckt die FASST (Fast and Soft Switching Technology)-Schalttechnik, die einen Wirkungsgrad >99% ermöglicht. Die Kommunikation erfolgt über Ethercat- oder CANopen-Schnittstellen in Echtzeit und erlaubt somit auch einen problemlosen Mehrachsbetrieb. Zudem überwacht der Antrieb das Konsequenzverhalten und begegnet den parasitären Resonanzen mit Smart-Motion- und Servosteuerungsfunktionen, wie mehrdimensionaler Anlagenidentifikation, Gain Scheduling, Filtern höherer Ordnung mit Polynomen 5. oder 7. Ordnung. Die Polynome sind online mit der Anwendersoftware EASII konfigurierbar und zeigen in Echtzeit per Bode- und Nichols-Diagramm, wie die Filter reagieren. Eine vorausschauende Verarbeitung von Schwingungssignalen ist ebenfalls möglich. Dieser Ansatz ist nicht nur kostengünstiger als der der mechanischen Fixierung, sondern garantiert auch Pure Power innerhalb des Systems, da nur wenig Leistung auf die Mechanik aufgewendet wird. Blindleistungen, Overhead und Netzverschmutzung gehören damit der Vergangenheit an. Der Antrieb entspricht zudem allen internationalen Standards in Bezug auf EMV und funktionale Sicherheit nach STO und SIL3 und ist damit einer der kleinsten STO-zertifizierten Servoantriebe.

Gantry Control und intelligente Servoantriebe

Die ursprüngliche Maschinenkonstruktion bestand aus einer komplexen zentralen Gantry-Steuerungsarchitektur mit einem Master-Controller und mehreren Antrieben für jede Achse. Abgesehen von der physischen Komplexität neigen solche Systeme dazu, Feldbus-Netzwerke übermäßig zu beanspruchen. Durch den Einsatz des Servoantriebs ließ sich die Steuerungsarchitektur aufteilen und dadurch verschlanken. Das Design der Maschine ist nun auf zwei Gantry-Steuerungen aufgeteilt worden, mit je zwei kleinen, hochleistungsfähigen Servoantrieben. Das Resultat des neuen Bestückungsautomaten ist eine deutliche Reduzierung der Kosten, da kein Controller und wenige Antriebe benötigt werden. Zudem wurden Kabel, Steckverbinder, Kühlkörper und Kabelführungen, die ansonsten übermäßig viel Leistung verbrauchten, reduziert oder komplett eliminiert. Ein Schaltschrank ist daher nicht mehr notwendig. Aufgrund seiner Robustheit lässt sich der Antrieb auf, neben oder sogar im Motor sowie auf sich bewegenden Lasten montieren. Der Gold Twitter harmoniert mit jedem Servomotor, kann in Strom-, Geschwindigkeits- und allen Modi von Lageregelung betrieben werden, für Single-, Dual-Loop und Gantry-Applikationen. Dabei werden alle gängigen Gebersysteme unterstützt. Das geringere Gewicht des neuen Bestückungsautomaten wurde auch dadurch erreicht, dass sich die Größe des Montagekopfs reduzieren ließ. Die baukleinen Servoantriebe wurden zudem direkt an den beweglichen XY-Achsen montiert und ließen sich somit präziser auf die Last abstimmen. Damit wurde sichergestellt, dass die Montageköpfe weniger Leistung verbrauchen, da die von bewegten Kabeln, den Schleppketten und Steckverbindern benötigte parasitäre Leistung reduziert wurde.

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Sensorlose Kraftregelung

Aufgrund des modernen Maschinendesigns wurde eine präzise sensorlose Kraftregelung im Bereich von 0,3 bis 10N erreicht. Hinzu kam ein Stromregler/Dynamik-Verhältnis von mehr als 2000:1, eine schnelle Reaktionszeit und eine große Bandbreite bis 4KHz. Mit Pure Power lässt sich die Montagekraft des Bestückungsprozesses sofort und präzise überwachen. So werden kurz- und langfristig Abweichungen in der Montagekraft, die aufgrund von mechanischem Verschleiß, Bauteilversagen oder einer schlechten Ladung von Bauteilen mit mechanischen Abweichungen entstehen können, erkannt. Die Kraftwerte und die Reaktion darauf lassen sich auf zwei Arten nutzen. Einmal in Echtzeit, dieein sofortiges Handeln ermöglicht, und zum zweiten langfristig. Die gewonnenen Daten können auf einen übergeordneten Controller, einen Motion Controller oder einen übergeordneten Host übertragen werden, wobei sie durch einen dedizierten Algorithmus analysiert werden, um Abweichungen oder Anomalien zu erkennen.

Leistung und Betrieb

Intelligente Servoantriebe können auch die kurz- und langfristige Laststabilität, Reproduzierbarkeit und Kontrolle des XY-Tischs überwachen. Spontane Änderungen der Drehmoment/Geschwindigkeitsrelation, der Belastung, der Reaktion oder des Auftretens neuer Schwingungen lassen sich überwachen und aufzeichnen. Mit den gesammelten Daten ist es möglich, in Echtzeit Analysen durchzuführen, um zukünftige Risiken von Fehlfunktionen, mechanischem Verschleiß und anderen Problemen zu erkennen. Die Antriebe sind in der Lage, Fehler zu beheben bzw. zu verhindern, dass eine Störung auftritt oder es zu einem Maschinenstillstand kommt.

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Mehrdimensionale Maschinenanalyse

Servoantriebe, in denen der Großteil der verbrauchten Energie allein in die Bewegung der Lasten investiert wird, besitzen einen Vorteil im Industrie-4.0-Ökosystem. Dynamische und hochauflösende Servoantriebe sind in der Lage, Maschinenbewegungen, Teile und Geräte präzise zu erfassen, zu überwachen und zu analysieren. Echtzeitkraftmessung, Drehmoment, Geschwindigkeit und Position bieten eine hochaufgelöste Magnitude und Time-Stamp-Daten für jeden Parameter. Mit den gewonnenen Daten lässt sich dann eine mehrdimensionale Maschinenanalyse durchführen.

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