Breiten- und Höhenanschläge an einer Maschine werden häufig mittels Spindeln verstellt, die per Handrad eingestellt werden. Schon bei wenigen Formatwechseln rentiert sich das Automatisieren dieser Sekundärachsen. Zusätzlich können aktuelle Industrie-4.0-Anforderungen erfüllt werden. Dabei ist die Auswahl des Antriebssystems entscheidend. Neben Faktoren wie Initialkosten und mechanischer Integration des Systems ist der Verdrahtungs- und Projektierungsaufwand für die SPS-Software-Integration ausschlaggebend.
Schrittmotoren sind eine günstige Lösung, wenn Aspekte wie ein Positionsfeedback keine Rolle spielen. Eine wichtige Größe bei der Auslegung des Antriebs ist das erforderliche Drehmoment. Es hängt vom Profil der Spindel und der zu bewegenden Last ab. Ein Schrittmotor stellt kein erhöhtes Losbrechmoment zur Verfügung, sollte sich die Reibung einer Spindel mit der Betriebszeit erhöhen.
Servomotoren bieten nicht nur Vorteile
Eine BLDC-Servoachse kann zum Beispiel aus dem Stillstand mit dem dreifachen Nennstrom angesteuert werden und leistet ein entsprechend erhöhtes Losbrechmoment. Darüber hinaus bieten Servomotoren praktisch ein konstantes Drehmoment über den zulässigen Drehzahlbereich und sind als System mit passenden Planetengetrieben und Frequenzumrichtern verfügbar. Für Primärachsen mit bis zu 100 Prozent Einschaltdauer repräsentieren sie den gängigen Standard. Sie sind allerdings deutlich teurer als Schrittmotoren. Bei geringem Einbauraum ist darüber hinaus der klassische Aufbau mit getrenntem Motor, Getriebe, Kabelsatz und Gebersystem nachteilig. Dieser führt zu einer hohen Gesamtlänge der Servoachse. Zusätzlich muss ein Verstärker im Schaltschrank Platz finden.
Integrierte Antriebe zur Formatverstellung
Für die Breitenverstellung eines Geländers – Anschlag oder seitliche Begrenzung eines Transportbandes – mittels einer Linearachse reichen 30 bis 300 U/min zumeist aus. Eine hohe Dynamik ist hier unerwünscht, um die Mechanik nicht zu überlasten. Jedoch sind ein erhöhtes Losbrechmoment sowie eine Positions- oder Zustandsrückmeldung erforderlich. Die Eigenschaften von Servoachsen oder Schrittmotoren sind somit unvorteilhaft für Formatverstellungen.
In einigen Produktionsbereichen sind staub- und spritzwasserdichte Gehäuse gefordert. Die integrierten Antriebe von Lenord + Bauer namens Powerdrive kombinieren 24V-BLDC-Motoren, Getriebe, Endstufe, Buskommunikation und Multiturn-Absolutwertgeber in einem kompakten Gehäuse der Schutzklasse IP67. Bei 5 Nm Nennmoment liegt die Einbautiefe unter 100 mm. Die BLDC-Motoren lassen ein erhöhtes Losbrechmoment zu. In anderen Bauformen sind zudem Edelstahl- oder Aluminiumgehäuse sowie die Integration einer kompakten Bremse auf der Motor-b-Seite möglich.
Genau und reproduzierbar positionieren
Für reproduzierbare Einstellungen ist es entscheidend, wie präzise ein Antrieb sein Ziel anfährt. Bei typischen Antriebsachsen sind ein inkrementelles Gebersystem auf der b-Seite des Motors und ein Getriebe auf der a-Seite montiert. Das inkrementelle Gebersystem wird zur Kommutierung des Motors und zur Positionierung verwendet. Bei den Power-
drives ermöglicht der zusätzliche Multiturn-Absolutwertgeber an der Getriebeabtriebswelle eine Positioniergenauigkeit von zumeist 50 Mikrometern an Spindelachsen. Referenzfahrten nach einem Spannungsausfall, Not-Aus beziehungsweise Anlagenneustart und so weiter entfallen dadurch. Die Antriebe kennen ihre exakte Position und melden diese an die Anlagen-SPS zurück. Damit kann das jeweilige Format direkt dokumentiert werden.
Schrittmotoren oder Servoachsen werden in der Regel mittels Montageglocken oder entsprechenden Flanschbildern fest mit einem Anlagenrahmen verbunden. Motor und Spindelwelle werden mit flexiblen Kupplungen verbunden, um das Axial- und Radialspiel auszugleichen. Die Stellantriebe von
Lenord + Bauer haben eine Hohlwelle, die direkt auf die Spindelwelle aufgesteckt und mit einem Klemmring zu einem Festlager verbunden wird. Die Antriebe reiten auf der Spindelwelle. Eine flexible, an den Einbauraum anpassbare Drehmomentstütze stellt das Loslager und verhindert das Mitdrehen der Antriebe. Auf diese Weise wird zusätzlicher Bauraum eingespart.
Die Powerdrives können direkt in Linientopologie in alle gängigen Feldbus-Profile oder mittels der sogenannten Powerdrive-Box eingebunden werden. Diese arbeitet als Sternverteiler und kann sich im Maschinenbett oder im Schaltschrank befinden. Sie ist die Kommunikationsschnittstelle zur Maschinensteuerung und ermöglicht den Einsatz von Antrieben mit nur einem schleppkettentauglichen Hybridkabel. Das reduziert den Verkabelungsaufwand. Die Motorleistung der Stell-
antriebe und weitere Systemparameter werden von der intelligenten Steuereinheit überwacht und auf dem jeweiligen Feldbus-Profil zur Verfügung gestellt.
Mit oder ohne SPS-Anbindung
Die Erstinbetriebnahme eines Antriebs ist nicht zu unterschätzen. Für Schrittmotoren und Servoantriebe muss die Achsenprojektierung programmiert und bezüglich Getriebe-Motor-Sensorparameter abgeschlossen sein. Häufig darf das Montagepersonal mangels Zugriffsrechten nicht auf die SPS-Programmierung zugreifen. Oft ist die SPS zudem während der Montage noch nicht lauffähig und die jeweilige Antriebslösung schwer zu überprüfen.
Bei integrierten Stellantrieben ist keine aufwendige Projektierung der Achsen erforderlich. Sobald eine 24-V-DC-Spannungsversorgung zur Verfügung steht, können die Stell-
antriebe mittels Laptop und einem Support-Tool ohne vorherige Programmierung der SPS in Betrieb genommen werden. Neben dem Test der mechanischen Installation und dem Einrichten der Spindeln oder Hubeinheiten können Kenndaten wie der Motorstrom kontrolliert werden.
Durch die Verdrahtungstopologie der Stellantriebe in Kombination mit der Powerdrive-Box kann die Leistung zentral in die Box eingespeist und die Antriebsachsen sowie die Verkabelung getestet werden. Das konfigurierbare System aus diversen Antrieben, Steckern, dem Systemkabel und der modularen Box für verschiedene Feldbus-Profile ist für die Standards nach UL-Richtlinien zertifiziert. Das ist für die exportstarken Anlagenbauer in Deutschland wichtig bei der Auswahl des Systems.
Jeder Antrieb ist Teil einer Gesamtanlage und wird in eine übergeordnete Anlagensteuerung eingebunden. Das geschieht nicht zuletzt aufgrund der immer weiter steigenden Forderung nach Industrie-4.0-Konformität. Viele Hersteller bieten ausschließlich Lösungen für einzelne Steuerungen und eine geringe Anzahl Schnittstellen an. Die Unterstützung bei der Einbindung fällt dabei ebenfalls sehr unterschiedlich aus, oftmals wird eine proprietäre Schnittstelle unterstützt. Der einzige Standard sind hier demnach die Gerätedateien – ein Muss für die jeweiligen Feldbus- beziehungsweise Industrial-Ethernet-Standards.
Ein intelligentes System bietet Lösungen für alle gängigen Echtzeit-Kommunikations-Profile. Ein entsprechendes Front-
end im integrierten Antrieb und steckbare Schnittstellenmodule für die Powerdrive-Box ermöglichen diese Vielfalt. Neben den notwendigen Gerätedateien liefert
Lenord + Bauer release-gepflegte Funktionsbausteine. Diese sind für viele SPS/PLC-Plattformen vorbereitet und stehen in einer Library zur Verfügung. Neben den Istwerten über Zustand, Geschwindigkeit und Position der Antriebe liefert das Positioniersystem damit auch Informationen zu Motorstrom und -temperatur; Daten, die zur proaktiven Wartung und zum Condition Monitoring genutzt werden können. Sie geben beispielsweise Hinweise auf die Verschmutzung der angetriebenen Spindel. Durch frühzeitiges Eingreifen lässt sich ein Maschinenausfall verhindern. Dies liefert einen Beitrag zur Vernetzung von Komponenten und Maschinen.
