Mechatronik für Fortgeschrittene

Antriebstechnik

Schwenkarme – Hersteller von Fertigungslinien für die Automobilindustrie sind stets auf der Suche nach effizienteren Baugruppen. Der Schlüssel hierfür liegt unter anderem in der mechatronischen Betrachtungsweise des Gesamtsystems.

04. Mai 2012

Eine solche Kundenanfrage hat die Experten von SPN Schwaben Präzision in Nördlingen von Anfang an begeistert: Es ging darum, einen bestehenden Schwenkarm in ein mechatronisches System zu überführen, und das bei exakt gleicher Bauform und Größe sowie um 30 Prozent gesteigerten Leistungsmerkmalen.

Dies war eine spannende Herausforderung für die Getriebebauer, vor allem, da der Kunde nach einer Lösung suchte, die er sich selbst noch nicht vorstellen konnte.

Klar war nur, dass Energieeinsparung eine große Rolle spielen sollte. Moderne Fertigungsanlagen sind teilweise immer noch große Energieträger, deren Betrieb und Instandhaltung mit hohen Kosten verbunden sind. Bestehende Systeme durch neue, effizientere Lösungen zu optimieren beziehungsweise auszuwechseln, ist darum heute gerade in der Automobilindustrie ein wichtiges Thema.

Der bestehende Schwenkarm ist Teil einer Fertigungslinie in der Automobilindustrie und dient zum Positionieren mittelschwerer Lasten. Nachteile dieses Systems sind ein ungleich wirkendes Drehmoment während der Fahrbewegung sowie die anliegende Kraft in der Endlage. Diese wird über ein Kniehebelprinzip umgesetzt und wirkt deshalb nur in der einmal definierten Endlage. Eine mechatronische Lösung hingegen bietet für jede Stellung ein regelbares Drehmoment und lässt sich beliebig in jede erdenkliche Lage positionieren.

Diese Gründe waren ausschlaggebend, das bisherige System durch einen regelbaren Servomotor zu ersetzen. Weil wenig Bauraum vorhanden war, musste der Antrieb möglichst klein sein und somit schien es sehr schwierig, hohe Leistungsdaten zu erreichen. Die Aufgabe bestand also darin, ein Getriebe zu entwickeln, das bei einem maximalen Bauvolumen von rund fünf Litern und einer Übersetzung von über 400 ein Abtriebsmoment von mehr als 1.000 Newtonmeter übertragen kann.

Tiefere Betrachtung

Diese hohen Anforderungen an die Mechanik machten bereits im Entwicklungsstadium eine tiefergehende mechatronische Betrachtungsweise sowie den Einsatz hochgenauer Messtechnik unumgänglich. Neben den üblichen Simulationsverfahren nutzten die Experten bei SPN ausführliche Versuchsreihen. Auf diesen konnten sie nicht nur mit unterschiedlichen Werkstoffpaarungen experimentieren, sondern auch extreme und außergewöhnliche Verzahnungsgeometrien fertigen und auf Wirkungsgrad, Schwingungsanregung und Verschleiß testen. Parallel zur mechanischen Konstruktion erfolgte die Entwicklung eines maßgeschneiderten Komplettantriebs. Der Entwurf für einen Servomotor mit integrierter Bremse mit reduziertem Moment, einem Absolut-Wertgeber als Feedbacksystem und Handantrieb entstand in Zusammenarbeit mit einem namhaften Motorenhersteller.

Betrieben und gesteuert wird der Bewegungsablauf des gesamten Systems mit einem neuen SPN-Verstärkerkonzept, das im Herbst 2011 erstmals vorgestellt wurde. Die Servosteuerung Compact Motion-1000 ist ein universell ausgelegter Verstärker. Mit ihr kann der Anwender Komponenten bei maximaler Wirtschaftlichkeit ohne Einschränkung der Funktionalitäten vereinen. Die integrierte multitaskingfähige SPS ist mit einer Technologiebibliothek ausgestattet, die neben Standardprogrammen auch spezielle Anwendungen und kundenspezifische Sonderlösungen umfasst.

Exakt diese Eigenschaften waren bei besagtem Kundenauftrag gefragt. Der entwickelte Antrieb sollte als vollkommen eigenlauffähiges System betrieben und gesteuert werden können und gleichzeitig als Betriebsart »erweiterte Buspositionierung« an einer übergeordneten Steuerung funktionieren. Da bei der Servosteuerung drei Programme gleichzeitig ablaufen können, war diese Vorgabe leicht zu erfüllen. Vor allem wenn die Anwendung zeitkritisch ist, ermöglicht die »Multitasking-Lösung« von SPN intelligente Antriebskonzepte.

Im konkreten Beispiel übernimmt das erste Programm die Steuerung des Bewegungsablaufes, während das zweite die Kommunikation zur übergeordneten Steuerung via Profibus herstellt. Das dritte Programm sorgt für optimale Effizienz. Hierbei laufen im Hintergrund Rechenalgorithmen ab, die den Motor je nach Änderung der physikalischen Größen von Getriebetemperatur, Drehmomentverlauf und Geschwindigkeit so beeinflussen, dass dieser immer am bestmöglichen Arbeitspunkt betrieben wird.

Hochdynamische Servoantriebe funktionieren nur mit ebenso schneller Regelungstechnik. Wichtig ist die enge Zusammenarbeit von Regelungstechnikern und mechanischen Konstrukteuren. Auf diese Weise lassen sich die Antriebe auf die besonderen Gegebenheiten und hohen Anforderungen einstellen und parametrisieren.

Hierbei ist das so genannte Online-Scope hilfreich: Das Werkzeug stellt die Analyse des Antriebsstranges in Echtzeit am Rechner dar und informiert Benutzer und Entwickler kontinuierlich über den aktuellen Zustand des Systems.

Anwender müssen bei derartigen Projekten bereits vorhandene Motoren flexibel und intelligent in das Gesamtsystem integrieren können. Das ist mit der SPN-Steuerung der Fall, denn mit ihr lassen sich alle gängigen Feedbacksysteme lesen und bürstenlose Servomotoren bis zu einer maximalen Polzahl von 50 betreiben. Für die Parametrierung reicht in der Regel ein Datenblatt des Motorherstellers aus.

»Von der Vision zur Wirklichkeit« umreißt SPN Schwaben Präzision die Entwicklung des neuen mechatronischen Systems. Durch die intelligente Verkettung von Mechanik, Elektronik und Software sei es gelungen, den Gesamtprozess zu verbessern und alle Kundenvorgaben umzusetzen. mk z

SPN Schwaben Präzision stellt auf der Automatica aus: Halle B1, Stand 321B

Auf einen Blick

-Universell ausgelegter Verstärker für Servosysteme von SPN Schwaben Präzision.

-Integrierte multitaskingfähige SPS mit umfangreicher Technologiebibliothek.

-Offene Schnittstellen.

-Geeignet für alle handelsüblichen Gebersysteme und alle gängigen, bürstenlosen Servomotore bis zu einer maximalen Polzahl von 50.

-Datenblatt des Motors reicht für Parametrierung.

-Online-Scope zur Analyse des kompletten Antriebsstranges in Echtzeit am Rechner.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012