Lösungen aus dem Baukasten

Regler/Umrichter - Fortschritte in der Elektronik- und Software-Entwicklung haben mittlerweile Antriebslösungen ermöglicht, an die in der ersten Hälfte der 1980er-Jahre nicht zu denken war.

10. Juli 2008
Das Antriebssystem aus ECS-Servoreglern und MCS-Synchron-Servomotoren arbeitet präzise und mit hoher Überlastfähigkeit.
Bild 1: Lösungen aus dem Baukasten (Das Antriebssystem aus ECS-Servoreglern und MCS-Synchron-Servomotoren arbeitet präzise und mit hoher Überlastfähigkeit.)

Wenn sich Dr. Edwin Kiel, Leiter Innovation der Lenze AG, um 25 Jahre zurückversetzt und an die damals angebotene geregelte Antriebstechnik zurückdenkt, wird ihm bewusst, wie sehr diese sich weiterentwickelt hat: »Vor 25 Jahren waren viele Antriebe entweder Schrittmotoren oder DC-Antriebe, die geregelten Drehstromantriebe standen erst am Anfang. Die Regelung war analog und mit Potenziometern zu bedienen, als Leistungsbauteile wurden bipolare Leistungstransistoren, Mosfets und Thyristoren eingesetzt. Leistungsmodule gab es noch nicht, und auch der IGBT stand ganz am Anfang. Der Sollwert wurde über ein Signal mit plusminus zehn Volt analog übertragen. Geregelte Antriebe waren teuer und auch nicht immer sehr zuverlässig.« Kiels Beschreibung verdeutlicht, wie sehr sich die elektronische Antriebstechnik in allen Aspekten weiterentwickelt hat. Die Regelung ist heute durchweg digital. Damit öffnete sich auch die Tür, um Antriebe in Automatisierungssysteme über digitale Kommunikation einzubinden. Diese macht nicht nur die Sollwertübertragung sicher und störungsfrei, sie ermöglicht auch den Zugriff auf Parameter und Istwerte des Antriebs. Die angetriebenen Prozesse lassen sich damit viel besser steuern und überwachen. In der Leistungsumsetzung haben sich IGBT-Technik und Drehstrommotor durchgesetzt. Beide sind robust und zuverlässig, verschleißfrei und im Lauf der Jahre immer preiswerter geworden. DC-Antriebe sind bei Neuinstallationen unterhalb von 100 Kilowatt verschwunden, Schrittmotoren können sich nur in Nischenanwendungen im kleinen Leistungsbereich behaupten. Die meisten dieser Änderungen haben in den 1990er-Jahren stattgefunden. Weiterentwicklungen der letzten zehn Jahre wie die Integration von dezentralen Steuerungsfunktionen in Antriebe und die Integration der Sicherheitstechnik in den Umrichter setzen im Wesentlichen auf der Basis eines durch Software gesteuerten Antriebs auf. Mit diesen Schritten ist der Antrieb heute ein Teil eines vernetzten Automatisierungssystems mit einer Funktionsverteilung auf zentrale und dezentrale Komponenten. Während die Entwickler vor 25 Jahren Wege suchen mussten, den Antrieb mit einer guten Performance, niedrigen Kosten und einer hohen Zuverlässigkeit auszurüsten, so steht heute die einfache und schnelle Nutzung der Software im Vordergrund. Ein Antriebsbaukasten wie das L-force-System von Lenze, das mit seinen Servo-Umrichtern 9400, den Frequenzumrichtern 8400 und der hierauf abgestimmten Elektromechanik mit Motoren und Getrieben ein skalierbares und sich anpassendes Produktprogramm bietet, zeigt, wo die Antriebstechnik mittlerweile angekommen ist. Kiel: »Sie gibt dem Maschinenbau mechatronische Funktionselemente an die Hand, mit denen alle im Maschinenbau vorkommenden Bewegungsaufgaben exakt und zuverlässig realisiert werden können.« Ein aktuelles Beispiel dafür liefert eine Applikation bei Ro-Ber, einem Hersteller von Portalrobotern in Kamen. Dessen Neuentwicklung mit der Bezeichnung »Gigant« kann 1.000 Kilo tragen und dank der bewährten Servotechnik von Lenze zudem schnell. »Mit 50 Kilogramm haben wir mal angefangen«, erzählt Ro-Ber-Geschäftsführer Dr. Hans G. Severin. Es folgten dann recht schnell Portale mit 150 Kilo Traglast. »Die GeniX-Serie ist heute unsere Standardlösung «, sagt Severin. Nachdem die 300-Kilo-Marke gefallen war, standen die Konstrukteure im letzten Jahr vor einer neuen Herausforderung: Sie sollten für einen japanischen Folienhersteller ein Portalsystem entwickeln, das im Produktionswerk in den Niederlanden auch eine Tonne Last sicher und zügig packt. »Das konnte bisher niemand. Wir sind mit unserem Giganten die ersten im weltweiten Markt«, freut sich Severin. Die Konzeption des Giganten selbst verlief, dank der seit Jahren herrschenden Standardisierung und dem modularen Aufbau, vergleichsweise einfach. Die Basis bildet der kleine Bruder für Traglasten bis 300 Kilo. Die Konstruktion aus Stahlträgern wurde entsprechend statisch angepasst, Führung und Laufrollen verstärkt, die Antriebstechnik sowie die Fahrprofi le punktuell verändert.

Einfach zu kombinieren

Hier setzt Ro-Ber erfolgreich auf das ECS-Servosystem von Lenze. »Der Schaltschrankaufbau blieb unverändert und die Lenze-Motoren mussten wir lediglich mit anderen Getrieben kombinieren, um durch die höhere Untersetzung das Drehmoment zu steigern «, erläutert Christoph Bergmann, Leiter des technischen Bereichs bei Ro-Ber. Bei der Konzeption der Antriebstechnik verlässt sich das Kamener Unternehmen seit Jahren auf die enge und vertrauensvolle Partnerschaft mit den Experten von Lenze. Speziell auf Mehrachsbewegungen mit hoher Überlastanforderung abgestimmt, arbeiten die ECS-Servoregler bei Ro-Ber als optimierte Stellglieder für die Synchron-Servomotoren der Reihe MCS von Lenze. Die ECS-Gerätereihe verfügt über ein separates Versorgungsmodul für Mehrachsanwendungen. Dieses Konzept ermöglicht den Energieaustausch über den gemeinsamen Zwischenkreis, spart weiteren Aufwand an Schaltelementen wie Netzabsicherung, Netzfilter und minimiert den Verdrahtungsaufwand.

Hohe Dynamik

Die MCS-Motoren erreichen maximales Drehmoment und hohe Dynamik mit der Ausdauer eines Marathonläufers. Die SEpT-Bauform (Sinus-Einzelpol-Technologie) der Motoren führt in Kombination mit Hochenergiemagneten aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) zu einem verzerrungsfreien, rein sinusförmigen Arbeitsfeld. Resultate an der Motorwelle: hoher Wirkungsgrad, sehr gute Rundlaufeigenschaften und maximale Leistungsdichte ohne störende Rastmomente. Die Leistungsdichte ist hoch, da die Wicklung nur das Arbeitsfeld erzeugt. Der Kupferdraht wird nicht, wie bei herkömmlichen Statoren, durch einen engen Schlitz in die Nut eingebracht, sondern der Pol direkt gewickelt. Durch diesen Kunstgriff passt wesentlich mehr Kupfer in den Stator. Dies führt zu mehr Leistung bei gleichzeitig kompaktem Aufbau. Dabei sind die Pole sehr fest gewickelt und vollständig vergossen. Dieses erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen. Der Vollverguss führt die Verlustwärme zudem schneller an die Motoroberfläche ab. In Summe steigen Leistungsdichte und Laufgüte an, ohne dass die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Die MCS-Motoren leisten Maximalmomente von 190 Newtonmeter und treiben beim Giganten die x-, y- und z-Achse an. Ferner sind bis zu zwei Motoren für die c-Achse im Einsatz. Alle Synchron-Servomotoren sind mit Resolvern als Rückführungssystem sowie Permanentmagnetbremsen ausgestattet. Die ECS-Achsregler arbeiten mit einem zentralen Versorgungsmodul und nutzen für den energiesparenden Betrieb den gemeinsamen DC-Zwischenkreis. Ein externer Bremswiderstand und Systemkabel von Lenze als schleppkettenfähige Ausführung für den Motor- und Resolveranschluss runden das Programm ab.

Neue Einsatzgebiete

Mit hoher Dynamik, präziser Positionierung mit sanften Fahrprofilen sowie dem großen, flexibel anpassbaren Arbeitsbereich erschließt der Gigant durch seine maximierte Traglast neue Anwendungsgebiete. Geschäftsführer Dr. Hans G. Severin ist deshalb davon überzeugt, dass das Handling der 800 Kilo schweren Folien nur der Anfang ist: »Wir verfügen jetzt über eine Handhabungslösung, die bisher durch das hohe Produktgewicht weder flexibel noch preiswert zu realisieren war.« Eine denkbare Anwendung ist beispielsweise das Umsetzen ganzer Ladungen in Logistikzentren.

Erschienen in Ausgabe: 03/2008