Schlüsselelemente der Mechatronik

Motion Control - Mechatronik im Maschinenbau räumt Software einen immer höheren Anteil an der Weiterentwicklung und Funktionserfüllung von Maschinen und Anlagen ein. Wie können elektronisch geregelte Antriebe in diesem Metier eine Schlüsselfunktion übernehmen?

20. Juli 2006

Elektroantriebe setzen die Softwarekommandos des Automatisierungssystems in die eigentlichen Produktions- und Transportprozesse um und werden so selbst zu einer mechatronische Antriebslösung. Insofern stellt jeder elektronisch geregelte Antrieb ein mechatronisches Subsystem in einer Maschine oder Anlage dar.

Ein geregelter Antrieb in einer Maschine oder Anlage ist kein Selbstzweck, sondern erfüllt eine ganz konkrete Aufgabe. Dabei handelt es sich beispielsweise um exakte Positionierungen, kontinuierlichen Materialvorschub oder das Auf- und Abwickeln von Materialrollen. Praktisch umgesetzt wird die Aufgabe durch das Zusammenwirken von Software zur Bewegungsführung, dem Antriebsstrang aus Umrichter und Motor sowie weiterer passiver Antriebstechnik. Sie überträgt die mechanische Energie des Motors über Getriebe, Spindeln, Zahnriemen oder Wellen in den Fertigungsprozess.

Durch dieses Zusammenspiel von Software, Antrieb und Mechanik entsteht ein klassisches mechatronisches System, in dem die Software die Mechanik steuert und beide in einem engen Wechselspiel stehen.

Dieses System ist mehr als das reine Verstellen einer Drehzahl an einer Motorwelle, nämlich die ganzheitliche Realisierung einer kompletten Maschinenfunktion. Vor diesem Hintergrund ist es unerlässlich, die Komponentensicht mit einfachen Produktbezügen zu verlassen, um stattdessen das Engineering eng mit den jeweiligen Maschinenfunktionen zu verknüpfen.

Mechatronischer Baukasten

Die Funktionen zur Bewegungsführung sind nur in wenigen Maschinenbaubranchen - beispielsweise dem Werkzeugmaschinenbau - durchgehend beschrieben und standardisiert. In vielen anderen Industrien entstehen sie häufig eher handwerklich, indem jeder neue Anwendungsfall neu gelöst wird. Durch entsprechende Baukastensysteme und effiziente Entwurfsmethodik lässt sich dieser Aufwand zur Realisierung einer Maschinenfunktion deutlich reduzieren. Ein erster Schritt zur Effizienzsteigerung kann darin bestehen, jeden Fall nicht länger als Unikat zu betrachten, sondern zu klassifizieren.

Lenze hat aus diesem Grund eine große Zahl gelöster Anwendungen analysiert und sie in Form von zwölf unterschiedlichen Lösungen in einem Katalog zusammengefasst. Jede dieser Antriebsaufgaben beschreibt dabei die Maschinenfunktion, typische Anwendungen und Randbedingungen sowie die prinzipielle Produktauswahl für diese Antriebsaufgabe. Häufig ist dabei zwischen Fällen mit mittleren oder höheren Anforderungen zu unterscheiden.

Am Maschinenbau orientiert

Die Beschreibung orientiert sich dabei bewusst an der Welt des Maschinenbaus und greift auch dessen Nomenklatur und Darstellung auf. Resultat der Arbeit ist eine erste systematische Grundlage zur Orientierung und zur Förderung der Mechatronik im Maschinenbau.

Um eine Vielzahl von Anwendungen lösen zu können, hat das Hamelner Unternehmen Lenze als Basis einen Baukasten entwickelt, dessen Hard- und Softwareelemente miteinander kombinierbar sind. Konkret handelt es sich um die Baureihe L-force Servo Drives 9400: Deren Getriebebaukasten lässt sich mit verschiedenen Drehstrom- und Servomotoren kombinieren. Drehstrom- und Synchronservomotoren für die unterschiedlichen Dynamikanforderungen sind optional ausgestattet mit Positionsmesssystemen (Resolver, Encoder), Bremse und Fremdlüfter. Umrichter in den entsprechenden Leistungsklassen dienen entweder als Einzelachse oder als Elemente eines Mehrachssystems mit gemeinsamer Einspeisung. Zur Realisierung verschiedener antriebsintegrierter Sicherheitsfunktionen gibt es spezielle Sicherheitsmodule. Softwaremodule regeln den Antrieb in verschiedenen Performanceklassen, Softwaremodule sind verantwortlich für die Bewegungsführung der konkreten Antriebslösung. Kommunikationsmodule letztendlich sorgen für die Verbindung zur übergeordneten Steuerungstechnik.

In der Steuerung oder dezentral?

Die Software für die Bewegungsführung und damit das Lösen der Antriebsaufgabe lässt sich prinzipiell entweder in der Steuerung oder dezentral im Antrieb realisieren. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, dass der Antrieb diese Funktionen selber ausführt, um damit die Steuerung zu entlasten und mit einer einfach zu beherrschenden SPS-Steuerung für eine hohe Anzahl von Achsen auszukommen. Um aus einem Baukasten die richtige Lösung für eine konkrete Maschinenfunktion zusammenzustellen, ist ein mehrstufiger Engineeringprozess zu durchlaufen: Als erstes erfolgt eine quantifizierte Beschreibung der Antriebsaufgabe. Sie umfasst alle Daten über die zu bewegenden Massen sowie die notwendigen Geschwindigkeiten und Genauigkeiten. Daraus leitet sich die Auswahl der Produkte und ihrer Leistungsdaten ab. Dies sind im Einzelnen die Antriebsleistung sowie die Wahl des Antriebssystems und von Einzelkomponenten wie Motortyp oder Rückführsystem am Motor. Dann wird die Software konfiguriert und parametriert. Der Programmierer stellt dabei Grundblöcke für die Antriebsregelung, Bewegungsführung und die Technologieapplikation zusammen. Als letztes folgt die Inbetriebnahme des Antriebs in der Maschine.

Mithilfe dieses Mehrstufenplans für Soft- und Hardware lässt sich das Engineering einer Antriebslösung durch eine durchgehende Methodik und den Einsatz von leistungsfähigen Softwarewerkzeugen sehr effizient und sicher gestalten.

Es gibt allerdings bestimmte Voraussetzungen: Durch eine entsprechende Navigation muss der direkte Zugriff auf den einzelnen Antrieb und die mit ihm verbundenen Werkzeuge und Bedienoberflächen sichergestellt sein. Der Anwender muss Werkzeuge und Bedienoberflächen integrieren können, die auf die konkrete Aufgabe zugeschnitten sind und sich dabei an der Funktion des Antriebs in der Maschine orientieren. Eine durchgängige Datenhaltung sollte Mehrfacheingaben und Zweideutigkeiten verhindern. Leistungsfähige Werkzeuge für Diagnose und Inbetriebnahme müssen in der abschließenden Phase für eine gute Unterstützung sorgen. Lenze hat für diese Aufgaben das Softwaresystem L-Force Engineer entwickelt.

Komponenten leicht einsetzbar

Der mechatronische Baukasten und das durchgängige Werkzeug zum Engineering sollen letztendlich vor allem einfache Lösungen ermöglichen. Alle Prozesse müssen so gestaltet sein, dass der individuelle Aufwand für Projektierung, Produktauswahl, Installation und Inbetriebnahme sowie Service niedrig ist, Aufgaben müssen produktiv und zuverlässig zu erledigen sein.

Durch das Konzept der Antriebslösungen steht nicht mehr das individuelle Produkt sondern die Maschinenaufgabe im Vordergrund. Daraus ergibt sich eine Vorauswahl: Fragen bei Auswahl, Produktkonfiguration und Funktionsfestlegung lassen sich bereits eingrenzen. Der Aufwand zu ihrer Beantwortung reduziert sich deutlich. Insgesamt senkt dieser Weg die Komplexität, da nur die Informationen zu erarbeiten sind, die für die konkrete Aufgabe wirklich benötigt werden. Die Komponenten selbst hat Lenze so konzipiert, dass sie sich schnell und einfach einsetzen lassen.

Gleiches gilt für die Softwarewerkzeuge. Sie sind leicht zu erlernen und intuitiv zu bedienen. Der Hersteller verfolgt mit dieser Strategie vor allem eine Steigerung der Produktivität, denn Maschinen und Anlagen müssen insgesamt so produktiv wie möglich arbeiten. Damit steigen der Grad der Automatisierung und die Anzahl elektronisch geregelter Antriebe. Unter diesen Voraussetzungen sind mechatronische Lösungen schnell und sicher zu realisieren.

Dr. Edwin Kiel, Lenze

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006