Dezentrale Servos treiben Drehteller-Karussells an
Sie sind modular aufgebaut, erweiterbar und werden an die jeweilige Anwendung angepasst: Die Rede ist von dezentralen Kleinservos. Diese Flexibilität mussten sich Kunden bislang allerdings teuer erkaufen. Für einen Verpackungsmaschinen-Hersteller entwickelte ein Unternehmen nun Servoantriebe, die einen hohen Standardisierungsgrad aufweisen und sich so für die Serienfertigung eignen.
A-Drive hat sich auf Aufgabenstellungen spezialisiert, die sich nicht mit einer Antriebstechnik von der Stange lösen lassen. Nicht selten entstehen bei solchen Kundenprojekten Lösungen, die das Unternehmen anschließend in das reguläre Sortiment aufnimmt. So geschehen im Fall des dezentralen Servoantriebs Pegasus, der nun seit 2014 auf dem Markt ist.
Alles begann mit einer Anfrage eines Verpackungsmaschinen-Herstellers: Dieser war auf der Suche nach einer gut regelbaren Lösung, die in einer Inspektionsmaschine die Drehteller eines Karussells antreiben sollte. Je nach Durchmesser benötigte der Hersteller auf einem Karussell 32 bis 96 Drehteller-Antriebe. Diese mussten zwar untereinander vernetzt, sollten aber auch einzeln ansteuerbar sein, sodass der Hersteller einen kontinuierlichen Prozessablauf gewährleisten kann. A-Drive empfahl den Einsatz eines dezentralen Antriebs, der den Aufwand für Installation und Inbetriebnahme auf ein vertretbares Maß reduziert. Mechanik, Motor, Geber, Regel-Elektronik, Software und Kommunikation: Die Kombination in einer Einheit bietet Vorteile. So sind Motor und Ansteuerelektronik aufeinander abgestimmt, weniger Einbauraum wird benötigt und ein kleinerer Schaltschrank ist ausreichend. Nicht zuletzt überzeugen dezentrale Servoantriebe durch kurze Anregelzeiten.
Zunächst implementierte man bei der Inspektionsmaschine einen klassischen Servoantrieb, der die Funktion auch erfüllte. Jedoch: Ein Serieneinsatz war wegen des Preises und der Baugröße nicht vorstellbar. Ein modularer Aufbau, die optionale Erweiterbarkeit sowie der Fokus auf Performance und Funktionalität ergaben eine teure und nicht besonders kompakte Lösung. Um den Kunden zufrieden zu stellen, entschied sich A-Drive deshalb für ein mechatronisches Re-Engineering. Das Entwicklungsziel: Ein vollwertiger Servoantrieb, der bei geringen Herstellungskosten ein möglichst breites Anwendungsspektrum abdeckt. Das wiederum erforderte einen hohen Standardisierungsgrad und ein Produktdesign, das sich einfach produzieren lässt.
Herausforderung: Ein günstiger Geber
Um dieses Ziel realisieren zu können, bildete A-Drive ein Projektteam. Die Expertise für die Entwicklung des Motors und der Software war im Unternehmen vorhanden, benötigt wurden jedoch zusätzlich auch Kenntnisse im Bereich der Serienfertigung, der Elektronik-Entwicklung und der Produktion. Eine besondere Herausforderung stellte der Geber dar. Die üblicherweise verwendeten Geber erfordern – bedingt durch die Einbausituation – einen erweiterten Temperaturbereich und sind in Standardausführungen viel zu groß. Deshalb entwickelten die Ingenieure einen integrierten magnetischen Geber. Die erzielte Auflösung von 14 Bit (4096 IPU) ist höher als bei optischen Gebern oder kleinen Resolvern. Durch das magnetische Prinzip ist der Geber verschleißfrei und temperaturstabil, während die Herstellungskosten unter denen vergleichbarer Geber liegen.
Präzise regeln und sicher einsetzen
Anders als bei der ursprünglichen Lösung verzichtete A-Drive auf eine SPS-Funktionalität. Eine integrierte Steuerungsfunktionalität bedingt I/O-Erweiterungen, die die Baugröße erhöhen (wie auch die elektrischen Anschlüsse). Stattdessen ist ein schneller PID-Regler integriert, der Kraft, Geschwindigkeit und Lage kontrolliert. Abläufe und Synchronisation werden über eine schnelle Feldbus-Kommunikation gesteuert. Als Standard wird EtherCat genutzt, da das Protokoll für diese Anwendung die besten Eigenschaften mitbringt. Mit EtherCat In/Out lassen sich im Ring mehrere Antriebe kostengünstig vernetzen. Die Achs-Synchronisation erfolgt über die DS402-Funktionalität, die sich auch bei CANopen bewährt.
Nicht zuletzt erfüllt die Antriebslösung hohe Sicherheits-Standards: Alle Antriebe haben die Möglichkeit der Kurzschlussbremsung. Hierbei wird das Moment über den Stecker abgeschaltet und die Wicklung des Synchronmotors kurzgeschlossen. So kann selbst bei hängenden Lasten keine Gefährdung entstehen, in vielen Fällen ist eine Haltebremse dann überflüssig.
Fazit
Insgesamt ist eine kostengünstige, standardisierte Antriebslösung entstanden, mit der der Kunde Servotechnik zum Preis eines Schrittmotor-Antriebs erhält. Die Baureihe eignet sich nicht nur für den Antrieb von Drehteller-Karussells, sondern auch für diverse andere hoch-performante Anwendungen. Unter den Namen Pegasus ist der neue, dezentrale Kleinservo inzwischen über das Standardsortiment von A-Drive einem breiten Markt zugänglich. Er ist in den zwei Baugrößen 40 und 60 mm erhältlich. Die Leistung liegt bei 50 bis 300 W, die Versorgungsspannung bei 24 bis 80 VDC.
