Die Anforderung an eine Antriebsmechanik besteht darin, einen Gegenstand bestimmter Masse während einer fest vorgegebenen Zeit von einem Punkt zum anderen zu bewegen. So weit, so gut. Aber nach welchem Bewegungsprofil? Soll die Geschwindigkeit einen dreieckförmigen Verlauf haben? Oder doch eher wie ein Trapez verlaufen? Selbst bei einfachsten Bewegungsaufgaben wird schon mit der Wahl des Bewegungsprofils entschieden, wie gut oder schlecht ein Motor ausgenutzt wird. Antriebsauslegung mittels Software bietet verschiedene Lösungsansätze. Die optimale Bewegung berechnen Wenn die Art der Bewegung nicht von vornherein durch Prozessabläufe bestimmt ist und es bei den kinematischen Größen innerhalb gewisser Grenzen einen Spielraum gibt, ist es möglich, das Bewegungsprofil zu beeinflussen und die Antriebsauswahl zu optimieren. In den meisten Fällen sind jedoch die beiden Größen \’Weg\‘ und \’Zeit\‘ die Hauptvorgabedaten. Oftmals sind, zum Schutz der Mechanik, noch die Werte der maximal zulässigen Beschleunigung und Geschwindigkeit vorgegeben. Die Werte für Zeit, Beschleunigung und Geschwindigkeit dürfen nicht überschritten und der Wert für den Weg weder über- noch unterschritten werden. Unter Berücksichtigung dieser Vorgaben bestehen die folgenden Möglichkeiten: – Berechnung eines Geschwindigkeitsverlaufs nach Dreieck Mit zwei der vorgegebenen Größen wird ein Dreieckprofil gerechnet und kontrolliert, ob die restlichen Vorgabewerte nicht über- bzw. unterschritten sind (Bild 2). – Berechnung eines Geschwindigkeitsverlaufes nach Trapez Mit drei der vorgegebenen Größen wird ein Trapezprofil gerechnet und kontrolliert, ob der restliche Vorgabewert nicht über- bzw. unterschritten ist. – Berechnung einzelner Geschwindigkeitsphasen Mit der maximal zulässigen Beschleunigung wird auf die maximal zulässige Geschwindigkeit erhöht. Mit dem gleichen Beschleunigungswert wird auf null verzögert. Wenn der vorgegebene Gesamtweg während dieser beiden Phasen noch nicht zurückgelegt wurde, wird noch eine entsprechende Phase mit konstanter Geschwindigkeit eingefügt. Im nächsten Schritt erfolgt die Berechnung der erforderlichen Drehmomente für diesen Bewegungsablauf. Eine Betrachtung der einzelnen Drehmoment-Drehzahl-Wertepaare sowie des Effektivmoments bei mittlerer Drehzahl zeigt gegebenenfalls folgende weitere Verbesserungsmöglichkeiten: – Der Motor ist thermisch nicht ausgenutzt Das Effektivdrehmoment ist viel kleiner als das zulässige Dauerdrehmoment des Motors. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen erfordern so hohe Drehmomente, dass die Größe des Motors einzig und allein durch das Beschleunigungsmoment bestimmt wird. – Der Motor wird dynamisch nicht ausgenutzt Das Beschleunigungsdrehmoment ist viel kleiner als das zulässige Maximaldrehmoment des Motors. Das Effektivdrehmoment erfordert ein so hohes Dauerdrehmoment, dass die Größe des Motors einzig und allein davon bestimmt wird (Bild 4). Software zeigt Auslastung des Antriebs Bei der Definition des Bewegungsprofils sowie der Auswahl des richtigen Motors bietet Software effiziente Unterstützung. Das Softwaretool IndraSize von Rexroth erlaubt es dem Benutzer, sich ein genaues Bild über die Auslastung des Antriebes zu machen. Nach der ersten Antriebsauswahl kann er sich die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Antriebs und die einzelnen Arbeitspunkte, das heißt die einzelnen Drehmoment-Drehzahl-Wertepaare und das Effektivdrehmoment bei der mittleren Drehzahl, betrachten. Auf diese Weise vereinfacht die Software die optimale Dimensionierung von Antriebsregler, Motor und mechanischer Übertragung. Alle gängigen Antriebsmechanismen, wie Kugelgewindeantrieb, Zahnstange oder -riemen, linearer Direktantrieb, Drehtisch, Walzen, Wickler, lassen sich über die komfortable Oberfläche innerhalb weniger Minuten passend auslegen. Der Motor ist bezüglich des Dauerdrehmomentes gut ausgelastet, wenn das Effektivdrehmoment (roter Punkt) nahe an der Dauerdrehmomentkennlinie (rote Linie) des Motors liegt (Bild 4). Die Möglichkeiten des maximalen Drehmomentes werden jedoch nicht ausgenutzt, da die einzelnen Arbeitspunkte der Anwendung (rot umrandete Punkte) sehr weit unterhalb der Maximaldrehmomentkennlinie (blaue Linie) liegen. Kennt der Projektierer die Freiheitsgrade, innerhalb derer er sich bewegen darf, und die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Größen, kann er den Bewegungsablauf so optimieren, dass das Verhältnis der maximalen Drehmomente zum Effektivdrehmoment in etwa dem des Motors entspricht. Wenn die beiden Größen Weg und Zeit konstant bleiben, lässt sich das Bewegungsprofil zwischen zwei Extremen verändern: von einem Dreieckverlauf in Richtung eines Rechteckverlaufs. Ein vollständig rechteckförmiger Verlauf der Geschwindigkeit ist in der Realität nicht möglich, da hierfür die Beschleunigung und somit auch die Beschleunigungsmomente unendlich hoch sein müssten. Innerhalb dieser beiden Extreme verändern sich die Größen des Beschleunigungs- und des Effektivmomentes (Bild 3). Zu erkennen ist auch, dass bei einem Geschwindigkeitsverlauf mit Trapez nach Drittel-Regel das kleinste Effektivmoment auftritt. Die Drittel-Regel besagt, dass die Beschleunigungs-, die Konstant- und die Bremsphase je ein Drittel der gesamten Zeit dauern. Software sucht passenden Antrieb Über diese einfache Methode hinaus bietet das Tool IndraSize weitere Anwendungen. Durch die Verwendung von Bewegungsgesetzen höherer Ordnung lassen sich weitere Optimierungspotenziale ausschöpfen. Deutlich wird das, wenn anstelle des Dreieckprofils (Bild 4) ein Trapezprofil nach Drittel-Regel mit einem Polynom dritter Ordnung kombiniert wird (Bild 5). In der Software kann der Projektierer nach passenden Antrieben für dieses Profil suchen. Effektivmoment und die erforderlichen Maximalmomente sollten in einem ausgewogenen Verhältnis stehen – das entspricht der Charakteristik eines Servomotors (Bild 6). Es kann sogar ein Motor kleinerer Baugröße verwendet werden, als dies im ersten Beispiel der Fall war. Das Softwaretool deckt die komplette Palette der IndraDrive Antriebe sowie der IndraDyn Motoren von Rexroth ab. Zudem gibt es eine Datenbank mit speziell optimierten Motor-Regler-Kombinationen für Servoantriebe (rotativ oder linear), S1-Antriebe (Druck-Applikationen) und für Hauptantriebe, die teuere Überdimensionierungen vermeiden hilft. Darüber hinaus bietet IndraSize die Möglichkeit, typische Anwendungen in sehr einfacher Form über eine Parametereingabe zu beschreiben. Anwendungen wie z.B. Wickler oder mitlaufende Bearbeitung lassen sich so im Handumdrehen für den optimalen Antrieb projektieren. Weiterhin können beliebige Bewegungsprofile frei konfiguriert werden. Auch elektronische Kurvenscheiben beliebiger Formen, die vorher mit dem Kurvenscheibeneditor von Rexroth erstellt wurden, können Benutzer in die Software importieren. Software unterstützt die Auslegung Softwaretools für die Antriebsauslegung bieten Anwendern eine erhebliche Zeitersparnis, insbesondere wenn es gilt, viele Varianten zu berechnen oder zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal auf die Daten zurückzugreifen. Darüber hinaus stehen damit immer die aktuellen Daten der kompletten Motor-Regler-Kombinationen zur Verfügung, was die Auswahl der effizientesten Lösung erleichtert. Kasten: Softwareunterstützung für die Antriebsauslegung
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