Alles im Kasten

Motoren - Beim Transport empfindlicher oder schwerer Teile ist es wichtig, Erschütterungen zu vermeiden. Stein Automation hat ein System entwickelt, das Teile sanft von A nach B bringt. Um dieses noch effizienter zu machen, suchte das Unternehmen einen geeigneten neuen Antrieb.

02. Mai 2019
Alles im Kasten
Werkstückträger-Transportsysteme von Stein Automation nutzen die unternehmenseigene Softmove-Technologie. Der ECI-Motor von EBM-Papst sitzt seitlich in den Bandelementen. (Bild: EBM-Papst)

Ganz egal, ob hier Staubsauger, Autoaußenspiegel oder Ventilatoren zusammengebaut werden: Werkstückträger-Transportsysteme bringen Teile in der Produktion von einem Montageschritt zum nächsten. Ein Anbieter für solche Systeme ist Stein Automation. Das Unternehmen fertigt Komponenten für diese Anlagen oder liefert auf Wunsch komplett montierte Systeme mit eigener Logistiksteuerung. Das ermöglicht den Kunden, direkt anzufangen und Aufträge mit wenigen Mausklicks zu erstellen.

Der Hersteller aus Villingen-Schwenningen bietet zwei Systeme: das System Stein 300 für Gewichte bis 25 Kilogramm und das System Stein 500 für Schwergewichte bis zu 60 Kilogramm. »Unsere Besonderheit ist der Softmove, also der sanfte Aufprall«, erklärt Jürgen Noailles, Geschäftsführer bei Stein Automation.

Bei anderen Transportsystemen fahren Werkstückträger kontinuierlich auf einen Stopper oder den nächsten Werkstückträger auf. Dadurch können Produkte Kratzer bekommen oder gehen im schlimmsten Fall kaputt. Bauteile des Transportsystems können schneller verschleißen und ein nerviges Klappern hallt durch die Produktionshalle. Mit der Softmove-Technologie bewegen sich die Werkstückträger in drei Geschwindigkeiten: Bei freier Fahrt fahren sie in Höchstgeschwindigkeit, erkennen sie einen Stau, fahren sie langsamer und die letzten zwei Zentimeter vor einem Stopper oder einem anderen Werkstückträger schalten sie in den Schleichgang. So stoppen sie rechtzeitig vor dem Hindernis. Das macht die Produktion leise, senkt die Verletzungsgefahr für die Mitarbeiter und spart Energie.

Verschiedene Anforderungen

»Besonders bei empfindlichen oder schweren Teilen ist es wichtig, Erschütterungen zu vermeiden«, sagt Noailles. »Zum Beispiel, wenn Flüssigkeiten nach dem Vergießen auf Elektronik erst noch trocknen müssen, aber auch bei sensiblen Statoren oder Rotoren.« EBM-Papst war deshalb einer der ersten großen Kunden, der Softmove einsetzte und bereits 1994 Werkstück-Transportsysteme von Stein Automation verwendete.

»Als wir vor vielen Jahren in der Produktion in Mulfingen waren, erzählte uns unser Ansprechpartner, wie wichtig bei ihnen der sanfte Aufprall ist«, berichtet Noailles. »Damals nutzten wir noch AC-Getriebemotoren und fragten uns, ob wir nicht auch die Motoren von EBM-Papst für unsere Transportsysteme verwenden könnten, um sie noch effizienter zu machen.« Also suchten die beiden Unternehmen gemeinsam nach einem Antrieb, der kompakt und leistungsfähig ist und die damalige Stein-EC-Motorenlösung verbessert.

Mit Baukasten zur Lösung

Besonders wichtig war für Stein Automation auch, dass der bürstenlose Gleichstrommotor regelbar ist und sich flexibel ansteuern lässt. Das fand das Unternehmen im ECI-Motor 63.20 K4 mit integrierter Steuerung und angebautem Schneckengetriebe. Die Abkürzung ECI steht für elektronisch kommutierte Innenläufer.

Die ECI-Motoren von EBM-Papst haben außerdem eine Drehmomentregelung und eine große Überlastfähigkeit. Da der Motor Drehmoment und Strom reguliert, können unterschiedlich schwere Werkstücke bei gleichbleibender Geschwindigkeit transportiert werden.

Der Antriebsspezialist setzt bei seiner ECI-Motorenreihe schon länger auf ein Baukastensystem. Solche Systeme für Antriebe im kleineren Leistungsbereich erlauben die optimale Abstimmung auf die Anwendung ohne aufwendige und kostenintensive Anpassungen, so das Unternehmen.

»In der Vergangenheit war der Geschäftsbereich Industrielle Antriebstechnik bei EBM-Papst auf OEM-Projekte fokussiert. Da hat uns der Kunde genau beschrieben, was für einen Antrieb er gerne von uns haben möchte. Wir haben ihm dann exakt auf diese Anforderungen hin sein Produkt entwickelt«, erzählt Patrick Schumacher, Leiter Produktmanagement in der Business Unit Industrial Drive Technology über die Gründe für das Baukastensystem.

Man sei auch weiterhin in kundenspezifischen OEM-Projekten unterwegs, gehe parallel aber verstärkt ins Breitengeschäft. »Das bedeutet: Der Kunde sagt uns, was er möchte. Wir schauen in unseren Baukasten und schlagen einen Antrieb vor, der seine Anforderungen am besten erfüllt. Wir entwickeln in diesem Fall also kein neues Produkt, sondern bedienen uns aus einem definierten Baukasten und kombinieren einzelne Module zu einer Antriebslösung.« Damit kann man auch auf die Anforderungen und Wünsche kleinerer Unternehmen eingehen. »Was vorher zu aufwendig gewesen wäre – für einen kleinen Sonderbedarf eine Entwicklung anzustoßen – ist heute kein Problem mehr.«

Stetig weiterentwickelt

Im Wesentlichen besteht der Baukasten in einer Maximalausstattung aus fünf Elementen: Motor, Getriebe, Elektronik, Bremse und Geber. Die Mindestausstattung für ein Produkt ist immer der Motor. Drei Baugrößen sind vorhanden: 42, 63 und 80 Millimeter in einem Leistungsbereich von zehn bis 750 Watt.

Da die Motoren typischerweise Nenndrehzahlen von 4.000 Umdrehungen pro Minute haben, benötigt der Kunde meist ein passendes Getriebe. »Hier sind die Anforderungen dann sehr unterschiedlich«, so Schumacher. »Der eine möchte das Getriebe inline vorne am Motor, der Nächste möchte es rechtwinklig und benötigt hierfür ein Winkelgetriebe. Andere Kunden haben vielleicht wenig Bauraum und suchen ein Getriebe, das sehr flach baut. Da ist dann ein Stirnradgetriebe passend. Entsprechend der Kundenanforderungen enthält unser Baukasten also unterschiedliche Varianten.«

Momentan sind über 4.000 Antriebsvarianten im Baukasten hinterlegt. »Theoretisch möglich sind aber noch viel mehr. Der Baukasten wächst und verändert sich auch stetig.« Das zeigt sich an einem aktuellen Beispiel: Der Antriebsspezialist hat seinen ECI-42-Baukasten Ende 2018 komplett überarbeitet. Die Antriebe mit 42 Millimeter Durchmesser und Schutzart IP54 werden nun auch mit magnetischen Inkrementalgebern und industrietauglichen Steckern für den einfachen elektrischen Anschluss angeboten.

Der bürstenlose elektronisch kommutierte Innenläufermotor hat Aktivlängen von 20 oder 40 Millimeter. Er erreicht Leistungen von rund 45 beziehungsweise 90 Watt bei 110 beziehungsweise 220 Millinewtonmeter Nenndrehmoment und einer Nenndrehzahl von 4.000 Umdrehungen pro Minute. Der Wirkungsgrad liegt bei über 75 Prozent.

Der radiale Winkelstecker mit Bajonettverschluss ist drehbar und rastet automatisch ein. Für platzkritische Anwendungen steht ein axiales Steckermodul zur Verfügung. Auch ein konfektionierter Kabelanschluss ist möglich.

Um die hohen Drehzahlen des Innenläuferantriebs auf anwendungsgerechtes Niveau zu bringen und das Abtriebsdrehmoment zu erhöhen, stehen Getriebemodule zur Verfügung, zum Beispiel Planetengetriebe und Winkelgetriebe in Kronenradtechnologie. Verlangt die Anwendung Halte- oder Sicherheitsbremsen, können Module mit Federdruck- oder Permanentmagnetbremsen die Antriebseinheit ergänzen.

Die Motoren gibt es in industrieüblicher 24- und 48-V-DC-Ausführung. Aktuell sind Hall-Sensoren zur Rotorlageerfassung integriert, die Ansteuerung des Motors erfolgt über externe Regler. Weitere intelligente integrierte Elektronik-Module wie beispielsweise Drehzahl- oder Lageregler, wahlweise mit Bus-Schnittstelle, sollen folgen.

Interview

»Varianz erreichen«

PATRICK SCHUMACHER, Leiter Produktmanagement Industrial Drive Technology bei EBM-Papst, über den Spagat zwischen Standard und Vielfalt im Baukastensystem.

Sie sind 2010 mit dem modularen ECI-Baukastensystem gestartet. Angefangen bei Ihrer ECI-63er-Baureihe haben sie es dann sukzessive auch auf die Baugrößen 42 und 80 Millimeter ausgeweitet und innerhalb der Baugrößen stetig ergänzt und verbessert. Was waren die Herausforderungen bei der Erstellung des Baukastens?

Die Lösungen aus dem Baukasten müssen für unterschiedlichste Einsatzzwecke in den Bereichen Gerätetechnik und Industrieautomation geeignet sein. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen und Applikationen. Darum muss man sich davon lösen, dass alles immer maximal kostenoptimal ist. Denn Varianz und wiederholte Einsetzbarkeit, erreichen wir eher, wenn wir bei manchen Themen etwas mehr bieten.

Auf der einen Seite sind die einzelnen Elemente des Baukastens standardisiert, auf der anderen Seite aber dennoch sehr differenziert. Wie lässt sich das steuern?

Im Baukasten unterscheiden wir zwischen Vorzugs- und Standardtypen. Das Besondere bei den Vorzugstypen ist, dass sie innerhalb 48 Stunden versandbereit sind. Das Thema Verfügbarkeit ist vor allem in der Entwicklung beim Kunden sehr wichtig: Je schneller der Entwickler etwas zum Spielen hat, desto eher ist er bereit, sich damit zu identifizieren und mit dem, was er auf dem Tisch hat, weiterzugehen.

Gibt es eine Mengenbeschränkung für Teile aus dem Baukasten?

Grundsätzlich nicht, das Thema ist eigentlich nur die Verfügbarkeit. Bei Vorzugstypen kann der Endkunde darum pro Bestellung maximal 20 Stück ordern. Wenn er einen wiederkehrenden Bedarf hat, dann definieren wir für ihn natürlich einen Rahmen, aus dem er sich dann bedienen kann – egal ob das 5.000 oder 50.000 Stück sind.

Module vielfältig kombinierbar

»Das Besondere bei der Elektronik ist, dass wir den Antriebsregler, die Logik- und Leistungselektronik in den Motor integrieren – in unterschiedlichen Varianten für verschiedenste Anforderungen«, verdeutlicht Schumacher, worauf es hier bei allen ECI-Antriebslösungen des modularen Baukastens zu achten gilt. »Wir haben dafür verschiedene Elektroniken vom einfachen Drehzahlregler bis hin zur komplexen Positioniersteuerung und natürlich auch Bus-Systeme, um den Antrieb ansteuern zu können.« Außerdem benötige man auch Bremsen, die den Motor in einer Position sicher halten. »Die müssen für den Baukasten entsprechend vordesignt sein, damit sie später gut in unsere Motoren passen.«

Ein weiteres Element, auf das es zu achten gilt, sind Rotorlagegeber. »Denn um eine hohe Positioniergenauigkeit bieten zu können, brauche ich immer ein hochauflösendes Gebersystem.« Um die Auswahlpalette für den Anwender bei der Kombination der Module zu erweitern, bietet der Hersteller aus St. Georgen seinen elektrisch kommutierten Innenläufermotor der Baugröße 63 (ECI 63) unter anderem in Kombination mit einer integrierten Steuerung K4 oder K5 an.

Der ECI 63.xx K4 enthält eine kompakte sinuskommutierte Leistungsendstufe und kann den Motor mittels feldorientierter Regelung bis zum Stillstand betreiben. Außerdem bietet die Steuerung mehrere analoge und digitale I/O- Schnittstellen für Drehzahl- und Positionsregler inklusive Halteregler mit Drehmomentbegrenzung sowie für schnelle Wechsel zwischen unterschiedlichen, vordefinierten Betriebszuständen.

»Der Kunde sagt uns, was er möchte. Wir schauen in unseren Baukasten und schlagen einen Antrieb vor.«

— Patrick Schumacher, EBM-Papst

Des Weiteren kann der Anwender über eine serielle Schnittstelle RS485 das System parametrieren und die Firmware herunterladen. Die Motoren gibt es je nach Leistungsanforderung von 150 bis 400 Watt in drei Varianten mit Paketlängen von 20, 40 und 60 Millimeter. Der Motorwirkungsgrad liegt bei rund 90 Prozent. Getriebe-, Brems- und Gebermodule vervollständigen den Baukasten.

Bis zu 80 Prozent Energie einsparen

Der Kompaktantrieb eignet sich besonders für Einsätze in der industriellen Automatisierung, für Förder-, Lager und Sortiersysteme sowie als Verstellantrieb. Durch die Option einer Drehmomentbegrenzung in der Steuerung ist er für Wickel- und Spulantriebe ebenso einsetzbar wie in der Labortechnik für Pumpen oder Hebe- und Verstelleinheiten.

Den ECI 63.xx K5 gibt es in einem Leistungsbereich von 180 bis 370 Watt. Auf Basis eines BLDC-Innenläufermotors mit integriertem Elektronikmodul lässt sich der Motor über eine standardisierte CANopen-Bus-Schnittstelle, die direkt am Antrieb sitzt, in Netzwerke einbinden. Der typische Betrieb als Slave in einem CANopen-Netzwerk ist damit sichergestellt. Die Ansteuerung kann dabei über die digitalen und analogen Ein- und Ausgänge erfolgen.

Stein Automation setzt die Antriebe der Variante ECI 63.20 K4 in beiden Werkstückträger-Transportsystemen ein, der Antrieb sitzt seitlich in den Bandelementen. Das EBM-Papst-Werk in St. Georgen liefert den Motor für die Systeme, die der Ventilatoren- und Antriebsspezialist dann selbst an allen seinen Produktionsstätten nutzt. »Aus einer reinen Kunden-Lieferanten-Beziehung ist eine echte Partnerschaft geworden«, fasst Noailles zusammen. »Und die hilft allen unseren Kunden, bis zu 80 Prozent Energie zu sparen und ihre Produkte sanft zum Ziel zu bringen.«

Erschienen in Ausgabe: 03/2019