Motion Control Reine Antriebskraft: Nicht mehr und nicht weniger

Autor / Redakteur: Thomas Herold / Karin Pfeiffer

Weniger Geld in die Mechanik stecken – und trotzdem viel Leistung und mehr Durchsatz fahren? Ein SMT-Be​stückungsautomat zeigt, wie das mit Pure Power und den Mini-Servo-Drives von Elmo klappen kann.

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Der neue Gold Twitter mit 80 Ampere von Elmo Motion Control ist Herstellerangaben zufolge der kleinste STO-zertifizierte Servoantrieb der Welt.
Der neue Gold Twitter mit 80 Ampere von Elmo Motion Control ist Herstellerangaben zufolge der kleinste STO-zertifizierte Servoantrieb der Welt.
(Bild: ZOHARON/Elmo Motion Control)

Industrie 4.0 gilt als Schlagwort unserer Zeit und scheint tatsächlich auf dem besten Weg, ganze Fabriken zu revolutionieren. Ein Aspekt allerdings, dem bisher eher wenig Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist die Motion-Control-Technologie. Dabei hat sie das Zeug, nicht nur viele der gesetzten Hauptziele von Industrie 4.0 zu erreichen. Sie kann sie auch noch vorantreiben. Die dezentralen Servoantriebe sind klein, intelligent, kompakt und kommunizieren auf effiziente Weise. Tief in einer Maschine verbaut fungieren sie schon jetzt als fortschrittliche Telemetriegeräte, die messen, überwachen und reagieren können. Der Einfluss innovativer Motion-Control-Technologie in der intelligenten Fertigung ist beispielsweise bei Pick-and-Place-Anwendungen deutlich erkennbar, aber auch bei vielen anderen hochdynamischen Applikationen, bei denen es auf maximale Leistung bei hohem Durchsatz ankommt.

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Die robusten Pure-Power-Antriebe von Elmo Motion Control stehen für eine solche intelligente Servotechnik. Diese Mini-Servo-Drives machen smarte Maschinen noch smarter, erlauben ein schlankeres Maschinendesign und höheren Durchsatz. Beispiel: ein SMT-Bestückungsautomat (Surface Mount-Technologie) für Leiterplatten mit hohem Durchsatz und hoher Qualität, mit doppelter Gantry-Bauweise und Montageköpfen auf der Z-Achse, die die Längen- und Winkelausrichtung der Bauteile steuern. Hier ist es durch den Einsatz der kompakten Servoantriebe Gold Twitter von Elmo Motion Control gelungen, das Gewicht von ursprünglich 2.000 kg bei einem Volumen von 5,2 m³ auf nur 1.200 kg und einem Volumen von 3,9 m³ zu reduzieren. Das sind satte 33 % weniger Mechanik! Zudem konnte der Hersteller den hohen Durchsatz der Pick-and-Place-Maschine so zusätzlich steigern.

Pure Power: Nicht mehr als nötig

Doch wie kann die kleinere, leichtere und dadurch zumindest scheinbar weniger leistungsfähige Maschine das gängige „Schwergewicht“ in seiner Ausbringungsmenge übertreffen? Die Lösung steckt im Begriff Pure Power. Pure Power bezieht sich auf die Fähigkeit, dem System exakt die Leistung zuzuführen, die nötig ist. Also nicht zu viel und auch nicht zu wenig. Normalerweise führen übermäßige oder ungenügende Energieübertragungen zu mechanischen Beanspruchungen, die als Störungen gelten und eine elektrische und mechanische Belastung verursachen. Dabei handelt es sich in der Regel um unerwünschte elektrische oder mechanische Oberwellen, übermäßige Hitze im Antrieb sowie elektromagnetische Störungen, mechanische Vibrationen und Resonanzen. All diese Effekte beeinträchtigen vor allem die Leistung des Systems.

Zu den herkömmlichen Methoden, diese Störungen zu vermindern oder zu vermeiden, zählt etwa das Hinzufügen spezieller Komponenten wie voluminöse Netzfilter, zusätzliche Induktivitäten, Kühlkörper und Ventilatoren. In einigen Fällen ist es notwendig, die Mechanik belastbarer und stabiler zu machen. In anderen wiederum lassen sich einige Vibrationen und Resonanzen durch einen langsameren Arbeitszyklus verhindern. Die meisten dieser Methoden vergrößern allerdings die Abmessungen der Maschine und erhöhen die Design- und Implementierungsarbeiten sowie Kosten und Wärmeabgabe. Jedes Teil der Antriebskette trägt zu dieser Aufblähung bei.

Mit Servoantrieb Gold Twitter Störfaktoren reduzieren

Um dieses Problem zu lösen, verfolgt Elmo Motion Control einen anderen Ansatz: Dabei spielt der intelligente Servoantrieb Gold Twitter in seiner Funktion als Antrieb selbst und mittels der anderen Komponenten der Servokette eine dominante Rolle bei der Reduzierung der Störfaktoren. Die Philosophie ist ganz einfach: „Wenn keine Hitze erzeugt wird oder Störungen verursacht werden, müssen diese auch nicht wieder beseitigt werden", erklärt Stefan Schmitz-Galow, Geschäftsführer von Elmo Motion Control im hessischen Viernheim.

„Der Einsatz unseres intelligenten Servoantriebs Gold Twitter mit bis zu 5.000 Watt Nennleistung, Nennströmen bis 80 Ampere und maximalen Versorgungsspannungen bis 196 Volt macht die Modifizierung der Mechanik überflüssig“, skizziert Schmitz-Galow das Konzept. Weitere Eckdaten des Gold Twitter: leichte und agile Mechanik. Und mit nur 20 g und weniger als 13 cm³, bei einer Größe von nur 35 mm x 30 mm x 11,5 mm passt der Antrieb in kleinsten Bauraum. Selbst mit ungünstiger Entwärmung, denn im Gold Twitter steckt Elmos Fasst-Schalttechnologie. Fasst steht für Fast and Soft Switching Technology. Sie ermöglicht einen Wirkungsgrad >99 Prozent und ist einer der Gründe, warum die Servoantriebe von Elmo so klein sein können.

Vorausschauende Verarbeitung von Schwingungssignale

Die Kommunikation erfolgt über Ethercat- oder Canopen-Schnittstelle in Echtzeit und erlaubt somit auch einen problemlosen Mehrachsbetrieb. Zudem überwacht der Gold Twitter das Konsequenzverhalten und entgegnet den parasitären Resonanzen mit Funktionalitäten wie Smart Motion und Servosteuerung. Dazu gehören mehrdimensionale Anla- genidentifikation, Gain Scheduling, Filter höherer Ordnung mit Polynomen 5. oder 7. Ordnung. Sie lassen sich mit der Anwendersoftware Easii von Elmo konfigurieren. Und Bode-Diagramm und Nichols-Diagramme zeigen in Echtzeit, wie die Filter reagieren. Eine vorausschauende Verarbeitung von Schwingungssignalen ist ebenfalls möglich. Dieser Ansatz ist nicht nur kostengünstiger als die mechanische Fixierung, sondern kann auch eine Pure Power innerhalb des Systems garantieren, da nur wenig Leistung auf die massige Mechanik aufgewendet wird. Blindleistungen, Overhead und Netzverschmutzung sind damit Vergangenheit. Der Gold Twitter entspricht zudem allen internationalen Standards in Bezug auf EMV und funktionale Sicherheit STO und SIL-3 und ist damit wohl der kleinste STO-zertifizierte Servoantrieb der Welt.

Verschlanken: Gantry Control und intelligente Servoantriebe

Die ursprüngliche Maschinenkonstruktion bestand im Fall des Bestückungsautomaten aus einer komplexen zentralen Gantry-Steuerungsarchitektur mit einem Master-Controller und mehreren Antrieben für jede Achse. Abgesehen von der physischen Komplexität neigen solche Systeme auch dazu, Feldbus-Netzwerke übermäßig zu beanspruchen. Durch den Einsatz des Gold Twitter Servo-Drives konnte der Anwender die Steuerungsarchitektur aufteilen und dadurch verschlanken. Das Design der neuen Maschine ist nun auf zwei Gantry-Steuerungen aufgeteilt, mit nur je zwei kleinen, hochleistungsfähigen Servoantrieben Gold Twitter. Resultate des neuen Bestückungsautomaten: eine deutliche Reduzierung der Kosten, da kein Controller und nur noch wenige Antriebe benötigt werden, weniger Kabel, Steckverbinder, Kühlkörper und Kabelführungen, die sonst übermäßig viel Leistung verbrauchten. Ein Schaltschrank ist nicht mehr erforderlich.

Der Gold Twitter kann auf, neben oder sogar im Motor sowie auf sich bewegenden Lasten montiert werden. Er harmoniert zudem mit jedem Servomotor, kann in Strom-, Geschwindigkeits- und allen Modi von Lageregelung betrieben werden, egal ob Single-Applikationen, Dual-Loop und Gantry – alle gängigen Gebersysteme sind unterstützt.

Montagekopfgröße auf Minimum reduziert

Zum geringeren Gewicht des neuen Bestückungsautomaten trägt übrigens auch bei, dass der Hersteller die Größe des Montagekopfs auf ein Minimum reduzieren konnte. Die baukleinen Servoantriebe Gold Twitter sind direkt an den beweglichen XY-Achsen montiert und konnten somit präziser auf die Last abgestimmt werden. Auch das machte hohe Pure-Power-Servoleistung möglich. So verbrauchen die Montageköpfe weniger Leistung, da die von bewegten Kabeln, den Schleppketten und Steckverbindern benötigte parasitäre Leistung deutlich reduziert ist.

Das Maschinendesign meistert eine hochpräzise sensorlose Kraftregelung im Bereich von 0,3 N bis 10 N. Erreicht wird sie zudem mit einem Stromregler-Dynamikverhältnis von mehr als 2000:1, einer sehr schnellen Reaktionszeit und einer großen Bandbreite von bis zu 4 kHz.

Und mit der Pure Power lässt sich die Montagekraft des Bestückungsprozesses sofort und präzise überwachen. Sie erkennt kurz- und langfristig Abweichungen in der Montagekraft, die aufgrund von mechanischem Verschleiß, Bauteilversagen oder einer schlechten Ladung an Bauteilen mit mechanischen Abweichungen entstehen können. Die Kraft-Werte und die Reaktion darauf lassen sich auf zweierlei Art nutzen: in Echtzeit, was ein sofortiges Handeln ermöglicht sowie langfristig. Die gewonnenen Daten kann der Anwender auf einen übergeordneten Controller, einen Motion Controller oder einen übergeordneten Host übertragen, ein dedizierter Alghorithmus analysiert die Big Data, um Abweichungen oder Anomalien zu erkennen.

Intelligente Servoantriebe können auch die kurz- und langfristige Laststabilität, Reproduzierbarkeit und Kontrolle des XY-Tischs überwachen. Spontane Änderungen der Drehmoment-Geschwindigkeit-Relation, der Belastung, der Reaktion oder des Auftretens neuer Schwingungen lassen sich überwachen und aufzeichnen. Mit den gesammelten Daten ist es möglich, in Echtzeit Analysen durchzuführen, um zukünftige Risiken von Fehlfunktionen, mechanischem Verschleiß und anderen Problemen zu erkennen.

Hochdynamische und -auflösende Servoantriebe wie der Gold Twitter sind in der Lage, Maschinenbewegungen, Teile und Geräte präzise zu erfassen, zu überwachen und zu analysieren. Die hochwertige Echtzeit-Kraftmessung, Drehmoment, Geschwindigkeit und Position bieten eine einzigartig hochaufgelöste Magnitude und Time-Stamp-Data für jeden Parameter. Mit den gewonnenen Daten kann eine mehrdimensionale Maschinenanalyse durchgeführt werden.

Servoantriebe, in denen der Großteil der verbrauchten Energie allein in die Bewegung der Lasten – also Pure Power – investiert wird, besitzen also nicht nur einen Vorteil im Industrie-4.0-Ökosystem.

SPS IPC Drives 20167: Halle 4, Stand 361

* Thomas Herold, Fachautor aus Ubstadt-Weiher

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