Rechnergestützte Antriebsauswahl: Optimale Antriebsauslegung

Mit der EDV-gestützten Antriebsauslegung von Servosystemen kann der Anwender gewiss sein, dass sein Antriebssystem jeden Cent wert ist. Durch Berücksichtigung aller relevanter Parameter, wie beispielsweise Umgebungsbedingungen, Reibungsverlusten und Verfahrprofilen wird jedes Antriebssystem so zusammengestellt, dass der Regler, der Motor und das Getriebe ideal ausgenutzt werden. Bei Anwendungen mit kontinuierlichem Moment und Lauf, wie etwa bei einem Förderband, berechnet der Maschinen-Konstrukteur das benötigte Drehmoment an der Abtriebswelle und bestimmt das notwendige Getriebe-Übersetzungsverhältnis. Oft ergibt sich aufgrund der möglichen Einbausituation bereits die Wahl des passenden Getriebemotors – diese Art der Antriebsauslegung hat weiterhin ihre Berechtigung, und es kommen in solchen Anwendungen üblicherweise Asynchron-Getriebemotoren zum Einsatz. Herausforderungen hochdynamischer Abläufe Auf dem Gebiet der Servotechnik spricht man jedoch von hochdynamischen Beschleunigungsvorgängen und Verfahrprofilen. Sei es in der Verpackungsindustrie, der Werkzeugmaschine, der Robotertechnik oder in Produktionsmaschinen: Hier sind dynamische Positionierungen üblich, es sind eben klassische Servoanwendungen. Dabei sind neben den Umgebungsbedingungen zahlreiche Parameter zu berücksichtigen: Die Massenträgheitsmomente, die maximalen Beschleunigungen, der auf die Mechanik einwirkende Ruck, die geforderte Positioniergenauigkeit, Elastizitäten, Lose und vieles mehr. Alle mechanischen Belastungen und benötigten elektrischen Leistungen werden bei LTi DRiVES GmbH in dem Antriebsauslegungs-Programm ServoSoft simuliert und tabellarisch sowie grafisch dargestellt. In dem Programm sind für alle in der Antriebstechnik gängigen Mechaniken voreingestellte Applikationen wählbar – vom getakteten Bandantrieb über die Kugelumlauf-spindel, die Kniehebelpresse oder den Wickelantrieb bis hin zum Linearmotor. Durch einen flexiblen Aufbau ermöglicht die Berechnung die Einbeziehung von Kupplungen, Getrieben oder Vorgelegen. Getriebe von namhaften Herstellern sind aus der ServoSoft-Datenbank frei wählbar. Alle relevanten Parameter wie beispielsweise Dehnung, Spiel oder Torsion sind für die gelisteten Komponenten bereits im Datensatz enthalten. Setzt der Maschinenbauer ein Vorgelege ein, z.B. ein Zahnradpaar, so können alle antriebsrelevanten Eigenschaften wie etwa der Wirkungsgrad oder das Massenträgheitsmoment frei eingestellt werden. Letzteres ist dem Konstrukteur in der Regel bekannt; ist dies nicht der Fall, lassen sich die einzelnen Massenträgheiten schnell in Unterprogrammen berechnen. Durch die Eingabe von Bewegungen und Bewegungssegmenten wird das exakte Bewegungsprofil, wie es vom Anwender vorgegeben ist, abgebildet und wenn möglich energietechnisch verbessert. Daraus werden das effektive Moment sowie die Spitzenmomente für Motor und Getriebe berechnet. Auf Basis dieser Daten wird dann der passende Servoregler, der Motor und das Getriebe vorgeschlagen. Vorteile der elektronischen Berechnung Bei herkömmlichen Antriebsauslegungen auf dem Papier kann nur eine lineare Beschleunigung zugrunde gelegt werden. Diese Berechnung ist ungenau, weil sie nicht der Realität entspricht – es besteht die Gefahr der Unterdimensionierung. Bei einer linearen Beschleunigung würde zwar für einen Verfahrweg von Punkt A nach Punkt B die kürzeste Zeit und das niedrigste Maximalmoment benötigt, doch es wirkt ein theoretisch unendlicher Ruck auf die Mechanik, was in der Praxis zu vorzeitigem Verschleiß der Maschine führen würde. Um diesen auf die Mechanik einwirkenden Ruck zu reduzieren, werden in der Praxis ruckbegrenzende Beschleunigungsprofile verwendet. Diese im Servoregler verfügbaren Profile wie ein \’modifizierter Sinus\‘ oder \’Polynom 5. Ordnung\‘ sind in ServoSoft hinterlegt. So werden die später in der Anwendung geltenden Bedingungen bereits vor der Antriebsauswahl exakt simuliert und ermöglichen eine genaue Berechnung der benötigten Reglerströme und Drehmomente. Da in ServoSoft alle antriebsrelevanten elektrischen Daten der LTi-Servoregler hinterlegt sind, berücksichtigt das Programm neben dem temperaturabhängigen Dauerstrom u.a. das Überlastverhalten sowie bei dem Abbremsvorgang die interne Zwischenkreiskapazität des Reglers bzw. des Verbundsystems. So lassen sich in Anwendungen mit kurzen dynamischen Bremsvorgängen oftmals Einsparpotenziale aufzeigen, da auf den Einsatz eines Ballastwiderstandes verzichtet werden kann. Für zukünftigen Energieverbrauch komplexe Lastzyklen darstellen In einer konsequenten Maschinen-Neuentwicklung oder im Retrofit-Geschäft existieren seitens des Maschinenbauers oft komplexe Lastzyklen, die den zeitlichen Ablauf der einzelnen Achsen zueinander darstellen. Diese bereits in tabellarischer Form bestehenden Excel- oder CSV-Dateien können in ServoSoft eingebunden werden, sodass das vom Anwender vorgegebene Lastspiel exakt übernommen wird. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass der künftige Energiebedarf intelligent gemanagt werden kann. Besonders mit zunehmender Leistung des Antriebssystems nimmt der jährliche Energieverbrauch einen beachtlichen Anteil der Investitionskosten ein. Bei einem in der deutschen Industriewirtschaft üblichen Strompreis von 6 bis 10Cent/kWh summieren sich beispielsweise bei einem 7,5kW-Antrieb im 24 Stunden Taktbetrieb mit nur 30% Einschaltdauer die jährlichen Energiekosten auf weit über 1.000EUR. Intelligente Antriebssysteme: Energiepotenziale nutzen Bei solchen Anwendungen zahlen sich intelligente Achsverbundsysteme schnell aus. Wenn z.B. die beiden Achsen eines Hub- und Fahrantriebes in dem DC-Bus gekoppelt werden, kann die zurückgespeiste Energie des absenkenden Hubantriebes verwendet werden, um den Fahrantrieb zu speisen. Es ergibt sich ein doppelter Gewinn: Einerseits muss nicht die gesamte elektrische Energie für den Fahrantrieb aus dem Netz entnommen werden, andererseits kann auf den Ballastwiderstand des Hubantriebes verzichtet werden. Dies sollte nur als anschauliches Beispiel dienen. In einer Multiachs-Anwendung im anspruchsvollen Maschinenbau besteht die Möglichkeit, die Verfahrprofile zeitlich so zu optimieren, dass die rückspeisende Energie generatorischer Achsen größtmöglich zur Speisung motorischer Antriebe genutzt wird und nur der minimale Strombedarf aus dem öffentlichen Netz entnommen werden muss. Die Berechnung einer solchen intelligenten Abfolge von Bewegungsabläufen ist aufgrund ihrer Komplexität ohne ein Antriebsauslegungsprogramm schlichtweg nicht möglich. Bis zu 20 Antriebsachsen unterschiedlicher Ausprägung können mit eigenen Lastprofilen zeitlich zugeordnet im DC-Verbund abgebildet und die benötigten Einspeise- und Rückspeiseleistungen der Power Supply Unit (PSU) berechnet werden. Mit Anwendungs-Know-how und den vorhandenen technischen Möglichkeiten berechnet LTi DRiVES GmbH die effizienteste Antriebsauslegung und optimiert gemeinsam mit dem Anwender den Energiebedarf der Maschine. Hannover Messe 2012 Halle 9 Stand A54