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Servoverstärker Schraubaufgaben unkompliziert regeln

Quelle: Sieb & Meyer AG 5 min Lesedauer

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SIEB & MEYER AG
Heidrive GmbH
FAULHABER Antriebssysteme
Actronic-Solutions GmbH

Die Weber Schraubautomaten GmbH setzt bei ihren automatischen Handschraubern und stationären Schraubsystemen den neuen Servoverstärker SD4S von Sieb & Meyer in der Prozesssteuerung C5S ein. Dort sorgt er für hohe Dynamik, guten Gleichlauf und punktgenaue Abschaltung.

Baugröße als auch Preis des SD4S sind im Vergleich zum SD2S reduziert – für Weber überzeugende Argumente.(Bild: Sieb & Meyer)
Baugröße als auch Preis des SD4S sind im Vergleich zum SD2S reduziert – für Weber überzeugende Argumente.
(Bild: Sieb & Meyer)

Ein Trendsetter in der Automatisierungstechnik: Weber Schraubautomaten aus Wolfratshausen zählt mit seinen Hand- und stationärer Schraubtechnik inklusive Zuführungen zu den führenden Unternehmen der Branche. Im Sortiment finden sich Elektro-Handschrauber, Schraubspindeln, Schraubautomaten, Schraubeinheiten und Schraubsysteme – jeweils abgestimmt auf die konkreten Bedürfnisse der Kunden. Ziel ist immer, den Schraubprozess möglichst schnell und prozesssicher durchführen zu können. „Automatisierungsprozesse in der Montage sind komplex“, so Christian Schönig, Entwicklungsleiter bei Weber. „Es geht darum, Lösungen zu finden, die verschiedensten Anforderungen und Parametern genügen.“ Die Servoverstärker von Sieb & Meyer helfen dabei – und zwar schon seit mehreren Jahrzehnten.

Für den stationären Einsatz in Schaltschränken konzipiert

Der Servoverstärker vom Typ SD4S, bei der das „S“ für Stand-Alone steht, machte den Anfang in der neuen Serie SD4x von Sieb & Meyer. Die Gerätefamilie ist für den stationären Einsatz in Schaltschränken beispielsweise von Werkzeugmaschinen oder Turbokompressoren/-verdichtern konzipiert und tritt die Nachfolge der erfolgreichen SD2S-Modellreihe an, die bei Weber ebenfalls im Einsatz ist.

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Für die Produktentwicklung war für Sieb & Meyer die enge Zusammenarbeit mit Weber ein Glücksfall: „Wir waren schon in den frühen Entwicklungsstufen der Serie SD4S in engem Kontakt zu Weber“, schildert Ralph Sawallisch, Key Account Manager Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. Der Schraubspezialist hatte bereits vorab sein Interesse signalisiert, das neue Gerät testen und bei Eignung nutzen zu wollen. „Wir haben von Weber viele wichtige Impulse erhalten, die wir umgesetzt haben. Als die ersten Prototypen verfügbar waren, war Weber der erste Kunde, der das Gerät auf Herz und Nieren prüfte“, so Ralph Sawallisch.

Baugröße und Kosten reduziert

Die Neuentwicklung der SD4x-Reihe seitens Sieb & Meyer läutete eine neue Runde in der Zusammenarbeit ein. „Unsere Hauptanforderung an den SD4S war, dass sowohl Baugröße als auch Preis im Vergleich zum SD2S reduziert sein mussten“, erinnert sich Christian Schönig. „Das ist für den Einsatz in unserer Prozesssteuerung C5S unumgänglich.“

SD4S: Stand-Alone-Gerät mit weitem Leistungsbereich

Der SD4S steht derzeit in Baugrößen der 50 und 230-V-Klasse zur Verfügung, 2023 kommen zusätzliche Modelle der 400-V-Klasse auf den Markt. Insgesamt decken diese Geräte dann den aktuellen Leistungsbereich (1,4..55 kVA) der SD2S-Serie ab bzw. erweitern diesen sogar nach unten und oben (0,8..66 kVA).

Der SD4S stellt PWM-Frequenzen bis 32 kHz und Kommutierungsfrequenzen bis 64 kHz zur Verfügung. Das resultiert in höheren Drehfeldfrequenzen bis zu 6.000 Hz und geringeren harmonischen Frequenzanteilen. Der Anwender kann höherpolige Motordesigns realisieren und profitiert von geringeren Motorverlusten. Ein weiterer Vorteil: Der Eingang für den Thermokontakt ist galvanisch von der Logik- und Hauptspannung getrennt. Das gewährleistet einen sicheren Betrieb auch im Fall eines Isolationsproblems des Thermokontakts im Motor. Nicht zuletzt erlaubt das Softwaretool Motor Analyzer eine Simulation der Betriebspunkte und eine FFT-Analyse mit THDi- und THDu-Berechnung. Die Analyse der Systemperformance kann somit bereits bei Entwicklungsbeginn erfolgen.

Die Schraubsteuerung kann für unterschiedliche Schraubaufgaben verwendet werden. Dabei sind verschiedene Schraub­strategien unter Einbeziehung von Drehmoment, Winkel und Tiefe möglich. Die C5S verfügt über einen verschleißfreien Servoantrieb, der für eine ausgedehnte Standzeit der Steuerung und des Antriebssatzes sorgt.

Indirekte Bestimmung des Drehmoments

Die C5S ist ideal geeignet für Verschraubungen, bei denen keine hochpräzise Drehmomenterfassung bzw. eine Dokumentation der Schraubergebnisse nötig ist. Die Steuerung wird beispielsweise beim Fertigen von Möbeln zur Befestigung von Beschlägen und Scharnieren verwendet. Bei diesen Verschraubungen in Holz ist eine Fluktuation der Drehmomente aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit des natürlichen Materials gegeben. Deshalb kann auf eine direkte Messung des Drehmoments verzichtet werden und eine indirekte Bestimmung des Drehmoments durch den Servoverstärker ist möglich.

Weber setzt in der C5S das bislang kleinste SD4S-Modell ein, das mit 230 V AC betrieben wird – noch kleinere Geräte benötigen eine DC-Spannung zwischen 48 und 72 V. Der SD4S treibt den Motor der Schraubspindel an, der über den Bit die Schraube eindreht. Dabei wird der vom Servoverstärker gemessene Motorstrom verwendet, um auf das Drehmoment an der Schraube zu schließen. Hier ist eine möglichst hohe Präzision des Drehmoments über dem Drehwinkel des Motors relevant.

Cogging des Motors wird effizient reduziert

Der SD4S reduziert das Cogging des Motors dabei sehr effizient. Mit Cogging wird das Rastmoment eines Synchron- Servomotors bezeichnet, das durch die Permanentmagnete im Rotor entsteht. Je nach Bauart des Motors kann dieser Effekt unterschiedlich stark auftreten. Die hochdynamische Regelung des SD4x verringert den Effekt auf ein Minimum, so dass das Drehmoment, das letztlich auf die Schraube wirkt, ausgesprochen gleichmäßig anliegt.

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Wichtig für Weber ist zudem die einfache und kostengünstige Ansteuerung des Reglers über CANopen. „Andere Feldbussysteme verursachen auf beiden Seiten des Busses Kosten“, erläutert Christian Schönig. „Ebenso wesentlich ist aber, dass der SD4S die Ansteuerung von Servomotoren unterschiedlichster Hersteller ermöglicht.“ Der Multiparametersatz des SD4S ermöglicht es, unterschiedliche Motoren am Servoverstärker anzuschließen und ohne weitere Parametrierung zu betreiben. Ein integrierter EMV-Filter erlaubt es zudem, die Kosten einer externen Filterschaltung zu reduzieren.

„Sehr speziell bei diesem Projekt ist der angesteuerte Motor, der einen herstellerspezifischen Rotor-Lage-Geber verwendet“, so Ralph Sawallisch. „Wir haben unseren SD4S für Weber so angepasst, dass er diesen Geber sicher auswerten kann.“ Christian Schönig ergänzt die Hintergründe: „Es gibt auf dem Weltmarkt klein bauende Motoren, die aber herstellerspezifische Rückführsysteme haben. Der SD4S kann diese auswerten, was für uns eine höhere Flexibilität bei der Motorauswahl bedeutet. Gerade vor dem Hintergrund aktueller Lieferprobleme eröffnet uns das Alternativen bei der Verwendung von Motoren.“

Technisch fundierte Kommunikation

Für Christian Schönig ist genau das das Alleinstellungsmerkmal von Sieb & Meyer: Die Flexibilität der Produkte ohne Abstriche bei Preis und Support. Der Entwicklungsleiter schätzt aber auch die direkte und technisch fundierte Kommunikation: „Bei Sieb & Meyer kennt man den Kunden und seinen Anwendungsfall. Hier spricht man auf Augenhöhe und bekommt ehrliche Antworten.“ Kein Wunder also, dass Weber den Einsatz des SD4S auch in anderen Produkten prüft – die zusätzlichen Feldbusanschaltungen, die Sieb & Meyer inzwischen realisiert hat, machen auch andere Anwendungsfälle möglich.

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