Kraft aus der Steckdose

Servoantriebe - Es muß nicht immer Hydraulik sein: Bei immer mehr Preßmaschinen kommen heute elektromechanische Antriebe zum Einsatz. Neuentwickelte Servomotoren und digitale Steuerungen ermöglichen dabei präzise Bewegungsvorgänge und senken zugleich den Energieverbrauch.

16. Juni 2005

Wo sehr hohe Kräfte zu übertragen sind, kommen traditionell hydraulische Antriebssysteme zum Einsatz, und speziell im Pressenbau war lange Zeit keine andere Antriebstechnik denkbar. Seit ungefähr zehn Jahren jedoch verwenden vor allem verschiedene japanische Hersteller in ihren neuentwickelten Preßmaschinen auch AC-Servomotoren. Einen Meilenstein für diese Entwicklung setzte der japanisch-amerikanische CNC-Spezialist GE Fanuc im Jahre 2001 mit einem AC-Servomotor mit einer Nenn-Ausgangsleistung von 110 Kilowatt, der den Herstellern von Pressen neue Möglichkeiten eröffnete und weitere Wünsche weckte.

Der Hersteller entwickelte die noch stärkeren AC-Servermotoren 2000 und 3000 (HV)is mit Nenn-Ausgangsleistungen von 200 und 250 Kilowatt. Ihre maximale Leistungsabgabe beträgt 400 oder 450 kW, das maximale Drehmoment 3.800 bzw. 5.500 Newtonmeter. Für noch höhere Kräfte lassen sich zwei oder vier Motoren im Tandem- oder Synchronmodus einsetzen. Eine optimierte Magnetschaltung verbessert dabei den Drehmomentverlauf und die Effizienz der Motoren. Bei dem größeren Motor wurde zudem die Form des Rotors optimiert, um seine mechanische Stabilität gegenüber Zentrifugalkräften und mechanischen Erschütterungen zu erhöhen. Beide Motoren ertragen deshalb die hohe Beanspruchung in Preßmaschinen auch im Dauerbetrieb und verkraften problemlos häufige Beschleunigungen, Verzögerungen und starke Erschütterungen.

Servo-Preßmaschinen erfordern eine hohe elektrische Leistung nur kurzzeitig, um den Servomotor zu beschleunigen und das Werkstück zu formen. Solange der Servomotor mit konstanter Drehzahl läuft, braucht er nur geringe elektrische Leistung. Durchschnittlich ist daher für einen Preßzyklus gleich viel, wenn nicht sogar weniger Energie erforderlich als bei hydraulischen Preßmaschinen mit der gleichen Preßkraft.

Für Jean-Luc Montamat, Vice President Business Development von GE Fanuc Automation Europe, bieten die großen Servomotoren die erforderliche Zuverlässigkeit, um der Beanspruchung in Preßmaschinen standzuhalten: ›Sie können rund um die Uhr eingesetzt werden und verkraften problemlos häufige Beschleunigungen, Verzögerungen sowie starke Erschütterungen im Preßbetrieb und garantieren dabei höchste Genauigkeit und Wiederholbarkeit.‹

Eine Besonderheit der großen Servomotoren von GE Fanuc ist die integrierte Energiesparfunktion der Servoverstärker: Beim Verzögern leitet die Elektronik die entstehende Energie in das Netz zurück, anstatt sie über Widerstände abzuleiten. Beim Einsatz in einer Servo-Preßmaschine der 100-Tonnen-Klasse, die an 260 Tagen pro Jahr jeweils acht Stunden in Betrieb ist, und einem Strompreis von 0,08 Euro/kWh verringert diese Funktion die jährlichen Stromkosten um knapp 8.000 Euro.

Direkt nutzen läßt sich die zurückgewonnene elektrische Energie allerdings nur von anderen Maschinen, die an den selben Transformator angeschlossen sind. Falls diese nicht die gesamte zurückgewonnene Energie verbrauchen können, fließt der Rest an das externe Stromversorgungssystem ab. Die Netz-Rückspeisung bietet neben dem Energiesparen den Vorteil, daß keine Widerstände eingesetzt werden müssen, die Platz brauchen und Hitze entwickeln.

Wichtig für den wirtschaftlichen Betrieb einer Servo-Preßmaschine ist natürlich eine sichere Stromversorgung. Für die 400-Volt-AC-Servosysteme von GE Fanuc beträgt die Mindest-Eingangsspannung 372 Volt, wenn der Servomotor das maximale Momentan-Drehmoment abgeben soll. Um diese Mindestspannung sicherzustellen, sollten die Stromkabel zum Servo-Netzteil möglichst kurz sein und einen großen Querschnitt besitzen. Zudem lassen sich die Motoren mit Spannungen bis 480 Volt betreiben und erlauben damit einen Spannungsabfall um bis zu 108 Volt ohne Leistungseinbußen.

Eine weitere Maßnahme ist die Speicherung der zurückgewonnenen Energie in Kondensatoren nach dem Prinzip eines ›elektrischen Schwungrads‹. Diese steht dann zur Verfügung, wenn ein hohes Ausgangs-Drehmoment zur Beschleunigung des Servomotors notwendig ist, um das Werkstück zu formen. Noch größere Kräfte lassen sich realisieren, wenn die Motoren an mehreren Servoverstärkern gleichzeitig betrieben werden. Dazu besitzen die Motoren mehrere isolierte Windungen, die jeweils mit einem Verstärker verbunden sind. Dadurch können preisgünstige standardisierte Servoverstärker zum Einsatz kommen.

Eine spezielle Technik erlaubt es zudem, eine Maschinenachse mit mehreren Servomotoren anzutreiben, wenn ein einzelner Motor nicht das erforderliche Drehmoment aufbringt. Dabei kann jeder einzelne Servomotor eine andere Last aufweisen. Eine spezielle Software reduziert dabei mögliche Interferenzen zwischen den einzelnen Motoren aufgrund der unterschiedlichen Lasten.

Zur Steuerung der Pressenbewegung bietet die CNC-Technologie von GE Fanuc zwei verschiedene Verfahren: Die Winkelsteuerung steuert die Position des Treibrads und die Wegsteuerung die des Stempels.

Die Winkelsteuerung wird für kontinuierliche Preßzyklen eingesetzt, bei denen der Servomotor in einer Richtung sowie die Position des Treibrads überwacht wird. Bei diesem Betrieb sind der obere und untere Totpunkt fixiert. Um die Genauigkeit zu halten, erfaßt die CNC bei jedem Preßzyklus die tatsächliche untere Totposition mithilfe eines linearen Sensors am Stempel und reguliert anschließend die Höheneinstellung. Auf diese Weise müssen Servomotor und Treibrad ihre Richtung nicht umkehren.

Die ›Wegsteuerung‹ ermöglicht eine hochpräzise Preßbewegung über die Steuerung der Stempelposition mit Hilfe eines Linearmaßstabs. Der Motor wird dabei so verschoben, bis die Stempelposition stimmt. Dieser Vorgang erlaubt dem Servomotor eine Rotation in der umgekehrten Richtung, zudem können die obere und untere Totposition vertauscht werden.

Erschienen in Ausgabe: 02/2004