Motion Control Wie Software die hardwarebasierte Bewegungssteuerung veränderte

Mechanische Lösungen waren gestern – heute bestimmt Software die Entwicklung bei Antriebstechnik und Automation. Um das Engineering der Antriebstechnik zu vereinfachen, stellen Anbieter wie Lenze heute fertige Applikationsbausteine bereit.

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Früher waren es Maschinen mit etwas Software. Heute sprechen wir von Software mit etwas Maschine drum herum. Die sicher überspitzte Formulierung soll klar machen, was die Antriebstechnik und Automation innerhalb der letzten Jahrzehnte so gravierend verändert hat: Software bestimmt heute mehr denn je das Geschäft. Von der mechanischen Lösung über die hardwarebasierte Bewegungssteuerung zur modernen Motion Control: Welche Meilensteine haben den Maschinenbau revolutioniert? Antworten gibt der Blick in mehr als sechs Jahrzehnte Entwicklungsarbeit bei Lenze.

Revolutionärer Spezialmotor

Antriebstechnik war im Nachkriegsdeutschland zunächst eine elektromechanische Disziplin mit einem mehr oder weniger variablen Verhältnis von Drehzahl zu Drehmoment. Bei Lenze wurde dieses bereits 1949 greifbar in Gestalt des seinerzeit revolutionären Alquist-Wicklers. Der Spezialmotor machte es zu Beginn der Wirtschaftswunderzeit erstmals möglich, Textil- oder Papierbahnen sowie Drähte und Folien prozesssicher auf- und abzuwickeln. So robust mechanische Lösungen auch heute noch arbeiten, die elektronische Bewegungsführung ließ nicht lange auf sich warten und eröffnete dem Maschinenbau weitere Möglichkeiten.

Ende der 1960er-Jahre brachte Lenze die ersten elektronischen Antriebsregler - zunächst für Gleichstrommaschinen - auf den Markt. Es folgte Regelungstechnik für Drehstrommotoren bis schließlich mit der antriebsbasierten Automation bei Lenze eine neue Ära eingeläutet wurde. War der Alquist-Wickler in den Gründerjahren von Lenze der mechanische Einzelantrieb zum Wickeln, hieß die Achse Mitte der 1990er-Jahre 9300 Servo PLC. Wie der Name verrät: Die Geräte boten mehr als die reine Antriebsregelung und ließen sich darüber hinaus frei programmieren. Die Vorteile für den Maschinen- und Anlagenbau: sehr gute Anpassungsmöglichkeiten von Standardgeräten durch Veränderungen in der Software und darüber hinaus der Wegfall teurer Zusatzkomponenten wie Wickelrechner, Motion Controller und sogar einer SPS.

Software hinterlässt erste Spuren

Mit der „Drive-based Automation“ bewies Lenze seinerzeit Pioniergeist und setzte mit der Integration von antriebsbasierter Bewegungssteuerung und der zusätzlichen Flexibilität einer antriebsnahen Prozesssteuerung einen wichtigen Meilenstein für die gesamte Branche. Die Antriebstechnik begann sich in den Folgedekaden mit Hilfe der Software in großen Schritten zu verändern.

Einen weiteren Technologieschub erlebte die Fabrikautomation mit dem Zeitpunkt, als sich die Industrieroboter aus den Automobilhallen aufmachten, um als hochautomatisierte Produktionshelfer in anderen Branchen anzuheuern. Spätestens jetzt wuchs das Bewusstsein für die Vorteile miteinander koordinierter Bewegungen im dreidimensionalen Raum – mit unterschiedlichen Bewegungsrichtungen und Orientierungen. Synchronisierte Achsen wurden immer wichtiger, kooperative Systeme ebenfalls.

Software übernahm in diesem Zusammenspiel die Aufgabe mechanischer Königswellen. Technologiefunktionen wie Fliegende Säge, Wickler oder das elektronische Getriebe waren keine Frage mehr von mechanischen Kopplungen. An ihre Stelle trat die elektrische Welle mit synchronisierten Einzelachsen, realisiert mit mächtiger Software und leistungsstarken Prozessoren im Inneren. In direkter Folge ließen sich Maschinen durch den Wegfall von gewichtsträchtigem Stahl deutlich filigraner, kompakter und leichter konstruieren. Mit dem Siegeszug der Software einhergehend folgte die Rush Hour auf der Datenautobahn - mit gleichzeitiger Forderung nach Determinismus und Echtzeitverhalten. Der vermehrte Einsatz der Industrierobotik warf darüber hinaus Fragen auf, wie sich die Einheiten vernünftig in vorhandene Produktionsanlagen integrieren lassen. Sowohl mechanische als auch datentechnische Schnittstellenfragen galt es zu beantworten – was die Bedeutung der Software ein weiteres Mal steigerte.

Eine wesentliche Grundfunktion ist geblieben

Einzelachsen als Positionierantriebe, interpolierende Systeme in Handlingsportalen, Wickelantriebe mit integrierter Bewegungssteuerung im Servo-Umrichter, leistungsstarke Motion Controller und SPS-Systeme: Die Aufzählung macht deutlich, dass sich der Lösungsraum für das Ausrüsten einer Applikation stetig erweitert hat. Bei allem technischen Fortschritt und der stetig steigende Stellenwert der Software ist eine wesentliche Grundfunktion aber geblieben – die Bewegungsführung. Intelligente Einzelachsen mit Motion Control und SPS im Antrieb eignen sich an dieser Stelle zum Beispiel sehr gut für Wickler und fliegende Sägen. Sind koordinierte Servo-Achsen – zum Beispiel in Robotern oder Portalsystemen – gefragt, sind zentrale Bewegungssteuerungen erste Wahl.

„Unabhängig davon, welche Technik später arbeitet - die Bewegung macht alles aus. Wir schauen uns deshalb innerhalb einer engen Entwicklungspartnerschaft mit unseren Kunden sehr genau an, wie diese Bewegungen aussehen müssen, wie schnell und exakt sie zu sein haben. Wir fassen unsere Gesamtleistung deshalb auch unter der Überschrift „Motion Centric Automation“ zusammen“, erklärt Dr. Armin Walter, Geschäftsführer der Lenze Engineering GmbH, zusammen. „Unsere Kunden interessiert weniger das wie. Sie wollen wettbewerbsfähige Maschinen bauen.

Beschleunigte Entwicklung

Darum geht es. Hierbei zählt neben der Performance auch mehr denn je, mit der Entwicklungsarbeit schneller fertig zu sein, damit sich Maschinen im Markt eher verkaufen lassen“, sagt Dr. Walter mit Blick auf einfach einsetzbare Software-Module, die Standardfunktionen so weit wie möglich abdecken. Lenze unterstützt die Schnelligkeit in der Entwicklung aktuell mit dem Ausbau der Application Software Toolbox FAST (siehe Kasten).

Dahinter steht ein Pool an Technologiemodulen, mit denen sich Anwendungen sehr einfach strukturiert aufbauen lassen, weil Teilaufgaben, die immer benötigt werden, bereits vorbereitet sind. Beispiele hierfür sind einfache Visualisierungen, Referenzenfahrten oder auch der Handbetrieb. Das Ganze reicht weiter bis hin zu vergleichsweise komplexen Handlings- und Robotikanwendungen.

Vor 20 Jahren setzte Lenze mit der 9300 Servo PLC einen Trend: Mit integrierten Motion-Control- und Steuerungsfunktionen sind seitdem kinematische Maschinenelemente, Koppelgetriebe oder ganze Maschinentypen in der Software abbildbar und mit ihren Auslegungsdaten beschrieben und regelungstechnisch beherrschbar. Weil die Programmierung immer mehr das Engineering der Antriebstechnik beherrscht, wird es in Zukunft wichtiger denn je sein, diese Arbeit zu vereinfachen, in dem komplexe Programmierungen in leicht einsetzbaren Applikationsbausteinen gekapselt sind. Flankiert wird das Ganze durch ein verändertes Bild in den Geschäftsbeziehungen, weil sich Komponentenhersteller zu echten Technologiepartnern des Maschinen- und Anlagenbaus entwickeln. (jv)

* Torsten Heß, Focus Industries – Robotics & Handling, Lenze

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