Herz der Automation

Servotechnik

Sechs Markt- und Technologieführer diskutierten in Hannover, wohin sich die Servotechnik entwickelt. Heraus kam folgende Momentaufnahme.

17. Juni 2011

Das Druckwerk ist 2.872 Seiten stark. Es lässt sich edel aufgemacht als Buch beziehen, oder man kann es als PDF aus dem Netz herunterladen. Letzteres erlaubt die Volltextsuche. Mit ihr taucht an einer Stelle Seite 2154 das Wort Servotechnik auf, achtmal wird der Ausdruck Servo oder Servos gebraucht und 802 Treffer erzielt, wer nach Begriffen mit »Servo« als Teilwort sucht. Wortgebilde wie Servoachse, Servokabel, Servomotorbaureihe oder Servoverstärkergröße heißen die Ergebnisse. Übrigens: Es ist der Produktkatalog 2011 eines internationalen Anbieters von Industrie-Elektronik, von dem die Rede ist.

Und was ist ein Servo? Die Suche unter www.vdma.org blieb bis April 2011 ohne Resultat. Im Juni findet die mit besagtem Stichwort erneut durchforschte Webseite einen Treffer – der Verband weist auf die Marktstudie »Servoantriebe 2011« hin, die für VDMA-Mitglieder für 801 € zzgl. MwSt. beziehbar ist. Wir ziehen dagegen weiter im Netz, begeben uns auf den virtuellen Rundgang durch eine große Maschinenbaumesse, die real unlängst stattgefunden hat. Es geht um die Mitte Mai durchgeführte Interpack2011.

Der Begriff »Servo« – Wortkombinationen eingeschlossen – ist gut vertreten auf der im Netz besuchbaren Interpack. Es beginnt beim Buchstaben A, wo A.B.A. Machinery für Füll- und Verschließanlagen »auf Servobasis« wirbt und endet bei Z, wie Zellwag, deren Z-201-Vollautomat zum Füllen von Gebinden »dank Servoantrieben« in Minuten werkzeuglos umstellbar ist. Eingabe von Servo auf der Interseite des Verpackertreffs erbringt 269 Resultate bei den Produktinformationen, unter Servomotoren melden sich 15 Firmennews.

Erklärt der ZVEI, was es mit einem Servo auf sich hat? Richtig, mit 531 Zeichen definiert der Elektroverband, was ein Servoantrieb ist: erstens Präzisionsantrieb für anspruchsvolle Antriebsaufgaben, der, zweitens, grundsätzlich aus Servomotor und Antriebsstromrichter respektive Servoverstärker besteht. Und drittens ist die Antriebsart unter dem Blickwinkel der Anwendung zu betrachten. Im Idealfall seien das, so der ZVEI, Werkzeugmaschinen und Prozessautomation.

Runder Tisch zur Servotechnik

Aus Anlass eines von dieser Zeitschrift am 6. April zum Thema Servotechnik durchgeführten Rundgesprächs, an dem die sechs Unternehmen B&R, Bosch-Rexroth, Harmonic Drive, Lenze, SEW Eurodrive und Siemens (Reihenfolge alphabetisch) teilgenommen haben, sagte Hans-Rainer Knobloch von der Siemens Drive Technologies Division: »Die Servotechnik hat in den letzten zehn Jahren einen gerade für Maschinenbauer faszinierenden Aufschwung erlebt. Es gelang, den Maschinen ein sehr hohes Maß an Flexibilität zu verschaffen und klassische mechanische Lösungen nicht nur zu ergänzen und zu optimieren, sondern sie oftmals von Servoantrieben ganz abzulösen.«

Ob synchron oder asynchron, mit oder ohne Getriebe – eigenen Angaben zufolge bietet Siemens das weltweit breiteste Servomotorenprogramm an. »Unsere Auffassung deckt sich exakt mit der des ZVEI«, erklärt Hans-Rainer Knobloch. Bei Siemens habe die Technik ihren Ursprung als Vorschubantrieb in der Werkzeugmaschine, so der Vice President Motion Control Systems. »Hier erhebt Siemens den Anspruch, im Zusammenspiel von Servoantrieben mit unseren CNC-Steuerungen Sinumerik Gesamtsysteme und damit Servotechnik für alle Typen von CNC-Maschinen anzubieten.«

Der zweite Technikbereich sei die ganze Sparte der Motion-Control-Anwendungen jenseits der Werkzeugmaschinen – also hochgenaues und hochdynamisches Positionieren in großen Stellbereichen für unterschiedliche Branchenanwendungen wie Verpackungs-, Druck- oder Textil-Maschinen bis hin zum allgemeinen Maschinenbau.

»Unter Servotechnik verstehen wir immer die Drehzahl- und Lageregelung von Motoren mit Gebersystemen, wobei diese bei typischen Servomotoren bereits in den Motor integriert sind«, bekräftigt Knobloch.

»Servoantriebe zeichnen sich heute durch hohe Regelgüte und Dynamik, hochperformante Kommunikationsschnittstellen sowie integrierte Technologiefunktionen aus«, betont Bosch Rexroth. Dr. Roland Steffan, Leiter Vertriebliches Produktmanagement Antriebssysteme in Lohr am Main erklärt: »Rexroth positioniert sich mit der Indra-Drive-Antriebsfamilie im Bereich der intelligenten Servoantriebe: Neben der Leistungserzeugung für den angeschlossenen Servomotor kann der Antrieb höherwertige sicherheits- und steuerungstechnische Funktionen übernehmen.«

IndraDrive-Antriebe bieten, so Dr. Steffan, eine besonders weitreichende Funktionsvielfalt, von einfacher Lageregelung, über Achssynchronisation und elektronische Kurvenscheiben bis hin zur antriebsintegrierten Motion Logic. Diese Motion Logic mit integrierter SPS nach IEC 61131-3 können Anwender mit Funktionsbausteinbibliotheken nach IEC oder PLCopen, eigenen Anwenderbibliotheken oder fertigen Technologiepaketen von Rexroth frei programmieren. »Damit lassen sich«, versichert Rexroth, »rein antriebsbasiert mittels der hochperformanten Kommunikation über Sercos-III-Motion-Logic-Anwendungen mit bis zu zehn gekoppelten Servoachsen realisieren«.

In welcher Vielfalt Servotechnik heute verfügbar ist, zeigt das B&R-Servoprogramm. Die Palette umfasst ein intelligentes Antriebssteuerungssystem für universelle Maschinenbauaufgaben, intelligente Servoverstärker, Frequenzumrichter für Servoantriebe, Drehstromsynchronmotoren in den verschiedenartigen Motorenbaureihen, Linearantriebe, rotatorische Direktantriebe – sogenannte Torquemotoren , Servoregler für Elektrohydraulik und selbst die Möglichkeit, dass Schrittmotoren dank Rückführung Servoaufgaben erledigen können.

Integrierte Sicherheit

»Nicht zu vergessen, das B&R-Angebot an integrierter Sicherheitstechnologie«, ergänzt Markus Sandhöfner, Mitglied der Geschäftsleitung der B&R Industrie-Elektronik GmbH. »In der sicheren Antriebstechnik garantiert diese Technologie mit openSafety über das Powerlink-Netzwerk schnellste Reaktionszeiten sowie höchste Flexibilität und ist selbstredend auch für Servoaufgaben verfügbar«, unterstreicht er.

»Das Kriterium, das unser Angebot von allem, was der Automatisierungsmarkt sonst zu bieten hat, unterscheidet, ist absolute Durchgängigkeit«, erklärt Sandhöfner. Als Fundament für diese Durchgängigkeit fungiert die integrierte Software-Entwicklungsumgebung Automation Studio. Sie umfasst Werkzeuge für Steuerung, Regelung, Antrieb, CNC, Robotik, Kommunikation oder Visualisierung – alles ist in eine Umgebung integriert.

Automatisierungssysteme aus einer Hand bietet auch Lenze. Der Lösungsweg des Unternehmens aus Hameln ist generell bezeichnet mit Motion Centric Automation und eröffnet eine freie Wahl zwischen Controller-based und Drive-based Automation. Drive-based Automation ist für dezentrale Bewegungsführung und fungiert als dezentraler Automatisierungsansatz mit frei programmierbaren intelligenten Reglern.

Skalierbare Automation

So werden modulare Maschinenkonzepte effizient umgesetzt – ob mit Positioniersteuerung, elektronischer Kurvenscheibe oder integrierter Servo PLC. Die Alternative ist Controller-based Automation für zentrale Bewegungsführung: Komplexe Maschinen erfordern oftmals ein leistungsfähiges und durchgängiges Automatisierungssystem mit einer zentralen Steuerung. Sie erlaubt die koordinierte Bewegung mehrerer Achsen und gestattet, die Steuerungsfunktionen eines Linienprozesses mit zu übernehmen.

»Wir bündeln langjährige Erfahrungen in unserem Angebot«, sagt Frank Lorch, Leiter Strategisches Management, zum Lenze-Antriebsprogramm. »Daraus resultieren drei Kernkriterien: Der Kunde bekommt den Projektpartner, die Flexibilität und die Individualität, die er sucht.« Zum Beispiel führten die Ingenieure des Unternehmens gemeinsam mit Kunden eine gründliche Analyse durch. Frank Lorch: »Unsere elektronischen Produkte sind äußerst skalierbar und jedes unserer mechanischen Produkte gehört zu einem Baukastensystem.«

Einen ostentativen Weg verfolgt SEW Eurodrive. »Das intelligente Smart Servo Package veranschaulicht auch sprachlich, was wir unter Servotechnik verstehen – ein komplettes Paket aus einer Hand, das von der Antriebsbestimmung und Lösungsauswahl bis hin zum Getriebe, zum Kabel und bis zur Motion-Steuerung führt«, erklärt Michael Gutmann, Manager Servo Drive Technology bei SEW. Das sei der zentrale Punkt: »Wir bieten Servotechnik als Komplettpaket.«

»Unter der Vielzahl der Servolieferanten, betrachten wir uns als einen von nur wenigen Herstellern, die Servotechnik in dieser Form als Komplettlösung im Sortiment führen«, argumentiert Gutmann. »Kunden und OEM sparen dank perfekt abgestimmter Paketkomponenten wertvolle Zeit bei Auswahl, Installation und Inbetriebnahme des Servosystems.

Die Gesamtheit unseres weltweit verfügbaren Angebots wie auch die umfassende Anwendungsberatung, machen SEWEurodrive aus. Das bekommen wir immer wieder auch von Kunden gespiegelt.«

Hilfs- und Nebenantrieb

»In unserer Sicht ist der Servoantrieb immer ein Neben- und Hilfsantrieb«, erklärt die Harmonic Drive AG. Technischer Ansprechpartner in Limburg an der Lahn ist Andreas Kunz. Der Produktmanager Servotechnik erklärt den Standpunkt der Traditionsfi rma: »Gerade dann, wenn höchstpräzise Positionierungen gefordert sind, ist der Einsatz von Harmonic-Drive- Getrieben äußerst sinnvoll. Weil es Getriebe in Servoanwendungen immer auch anzutreiben gilt, haben wir seit Jahren Servoaktuatoren im Programm, die auf kleinstem Bauraum die Vorteile des präzisen Harmonic- Drive-Getriebes mit speziell abgestimmten Motoren und Gebersystemen verbinden.« Andreas Kunz: »Wir bieten für die Servotechnik das Ergänzungsprodukt, wenn herkömmliche Getriebetechnologie nicht mehr genügt. Speziell hier können wir mit den Vorteilen der Kompaktheit und Präzision unseres Getriebeprinzips eindeutig punkten.« Nachdem auf dem Markt bis dato keine an die Geometrie und Kompaktheit der Getriebe des Hauses maßgenau angepassten Servomotoren verfügbar seien, habe man sich entschieden, eine eigene Motorenfertigung aufzubauen. Kunz: »Die Serienproduktion am Standort Limburg geht im Herbst in Betrieb und betri_ t zunächst die neuen Lynx-Drive- AC-Servomotoren mit konzentrierter Wicklung.«

Warum der Bericht mit »Herz der Automation« überschrieben ist? Einerseits lässt sich bei sehr vielen Maschinen die dabei eingesetzte Servotechnik als Herz der Automation bezeichnen. Vor allem aber waren sich am Ende des Rundgesprächs die Teilnehmer einig, dass in der Industrieautomation und bei Motion Control Europa derzeit technisch führend ist. Der alte Kontinent fungiert weltweit als Herz der Automation. Nirgendwo sonst, außer hier, wird Servotechnik mit solchem Nachdruck vorangetrieben, muss darum das Fazit heißen.

Die Technik der Marktführer

B&R: Mittels Zwischenkreiskopplung über denDC-Bus bis zu 30 Prozent Energieeinsparung bei den Servoantrieben

Auf hohes Energieeinsparpotenzial mit Servotechnik verweist B&R. Die Antriebsexperten aus Österreich empfehlen einen prüfenden Blick in die sekundären Bereiche rund um den eigentlichen Antrieb zu werfen. Hier könnten viele Einzelmaßnahmen in der Gesamtrechnung bei Verwendung der richtigen Komponenten bereits mit geringem Aufwand rund um den Antrieb große Energieeinsparungen erzielen.

Bei komplexen Maschinen mit hintereinander ablaufenden Bewegungsvorgängen wird die kinetische Energie meist in Bremswiderständen in Form von Wärme freigesetzt. Mittels Zwischenkreiskopplung via DC-Bus der AcoposMulti-Servoantriebe lassen sich bis zu 30 Prozent der Bewegungsenergie einsparen. Die Bremsenergie ist über Pufferkondensatoren für Beschleunigungsvorgänge an anderer Stelle verfügbar. Der Anwender profitiert nicht nur von einer effizienten Energienutzung, sondern auch von einem kühleren Schaltschrank, da die Abwärme aus den Widerständen deutlich reduziert wird.

Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz lässt sich in Fällen geringer Gleichzeitigkeit von Brems- und Beschleunigungsvorgängen im Achsverbund durch aktive Energierückspeisung ins Stromnetz erreichen. Während die gesamte Bremsenergie einer sinnvollen Verwendung zugeführt wird, bleibt lediglich die unver-meidliche Reibung als Verlust zurück. Mit Einsatz von AcoposMulti seien, so B&R, kosteneffiziente Rückspeisungen von bis zu 80 Prozent der bisher in Widerständen verheizten Leistung möglich. Unterstützt wird die Energieersparnis durch Cold-Plate-Schaltschrankmontage, weil das Kühlgerät im Schaltschrank entfällt.

Bosch Rexroth: Servolösungen aus Antriebsmodulen für Leistungen von 0,1 bis 630 Kilowatt

Servoantriebe von Rexroth sind als Umrichter IndraDrive C und Cs sowie als Modularsystem

IndraDrive M verfügbar. Letzteres setzt sich aus Wechselrichtern in Einzel- und Doppelachsausführung sowie Versorgungsmodulen in ein- und rückspeisender Ausführung zusammen. Durch Kombination der vielfältigen Antriebsmodule lassen sich wirtschaftliche und energieeffiziente Antriebslösungen im Leistungsbereich von 0,1 bis 630 Kilowatt realisieren. Mit dem dezentralen Servoantriebssystem IndraDrive Mi bietet Rexroth zudem eine integrierte Lösung aus Servoantrieb und Servomotor, die Verkabelungsaufwand und Schaltschrankvolumen deutlich reduziert und gleichzeitig die Maschinenflexibilität erhöht.

Alle IndraDrive-Antriebe lassen sich mit Gehäuse- und Bausatzmotoren in Synchron- und Asynchrontechnik kombinieren. Der Hersteller benennt hier an oberster Stelle die IndraDyn-S-Servomotorenbaureihe MSK mit Maximaldrehmomenten von 1,8 bis 495 Newtonmetern. Das Portfolio vervollständigen Asynchron-Gehäusemotoren IndraDyn A, High-Speed-Spindelmotoren IndraDyn H mit Drehzahlen bis deutlich über 20.000 Umdrehungen pro Minute, High-Torquemotoren IndraDyn T mit Maximaldrehmomenten bis 13.800 Newtonmetern und Linearmotoren IndraDyn L mit Maximalkräften bis 21.500 Newton. Neu am Markt ist die eisenlose Linearmotorbaureihe MCL. Ergänzend bietet Rexroth ein Portfolio an Zusatzkomponenten wie beispielsweise Servoplanetengetriebe GTE und GTM, antriebsbezogene Komponenten wie Netz- und Motorfilter sowie Brems- und Kapazitätsmodule an.

Harmonic Drive: Hochpräzise spielfreie Getriebe in Kombination mit AC-Servomotor

Eine hochintegrierte Lösung ist die CHA-Baureihe. Präzise, spielfreie Harmonic-Drive-Getriebe werden laut Hersteller mit einem hochdynamischen AC-Servomotor, einem optischen Sinus-Cosinus-Encoder und einem extrem belastbaren Abtriebslager zu einem kompakt bauenden Antrieb kombiniert. Wesentliches Merkmal ist die für vielfältige Applikationen nutzbare zentrische Hohlwelle. Die Baureihe deckt einen Drehmomentbereich von 19 bis zu 1.840 Newtonmetern ab.

Der neue LynxDrive-Kompaktantrieb besteht aus einem hochpräzisen Getriebe der Baureihe HFUC, einem neu entwickelten AC-Servomotor mit konzentrierter Wicklung sowie einem Mess-System für die Drehzahl- und Lageerfassung. Bei der Entwicklung habe man besonders auf Kompaktheit, hohe Leistungsdichte und beste Gleichlaufeigenschaften geachtet, betont der Hersteller. Der sinus-kommutierte AC-Servomotor besitze einen weithin gleichförmigen Drehmomentverlauf. In die Motorwicklung integrierte Temperatursensoren schützten den Motor vor Überlastungen in der Anwendung.

LynxDrive ist zum Betrieb an marktüblichen Servoverstärkern für 230 bis 400 Volt AC geeignet, vor allem auch für den Betrieb am ebenfalls neuen volldigitalen Servoregler YukonDrive von Harmonic Drive. Der Servoantrieb deckt einen Drehmomentbereich von 27 bis 647 Newtonmetern bei Drehzahlen bis zu 217 Umdrehungen pro Minute ab.

Zusätzliche funktionale Highlights von YukonDrive sind die Kurvenberechnung in Anlehnung an Richtlinie VDI 2143, zeitsynchrone Vorsteuerung, Kompensation von Ungenauigkeiten, Markensynchronisierung und die ruckfreie Ein- und Auskoppelfunktion.

Lenze: Lücke zwischen Frequenz- und Servo-Umrichter geschlossen.

Lenze Servo-Umrichter sind die Servo Drives 9400 (0,37 bis 370 Kilowatt), die Servo Drives 9300 (0,37 bis 75 Kilowatt) sowie das für hochdynamische Multiachsanwendungen optimierte Servosystem ECS (0,37 bis 11 Kilowatt). Zum Angebot gehören ferner die Kleinspannungsservos Servo Drives 930 und die kompakten Servo-Umrichter 940. Ein dezentraler Servoantrieb für 0,14 bis 0,65 Kilowatt ist Servo Drives 930 fluxxtorque, der direkt an die Maschine montierbar ist.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011