Kundenspezifische Lösungen in der Antriebstechnik

Der Weg zur individuellen Spindel

Kundenspezifische Funktionsmodule machen Servoregler fit für spezielle Aufgaben. Damit erlauben sie eine wirtschaftliche und kompakte Konfiguration von Antriebssystemen, die exakt auf spezielle technische Anforderungen abgestimmt sind. Ein gutes Beispiel liefert an dieser Stelle die Funktionalität von Werkzeugspindeln.

Autor: Andreas Pottharst, Ferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG.


Bild 1: Exemplarische Topologie einer kompletten Steuerungs- und Antriebslösung für ein Bearbeitungszentrum.
Bild: Ferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG

Automatisierungslösungen von Ferrocontrol werden u.a. in Bearbeitungszentren, Schneidmaschinen und Werkzeugmaschinen eingesetzt - Bild 1 zeigt eine typische Ausrüstung für ein Stabbearbeitungszentrum. Die Antriebsserie E°Darc C verfügt über leistungsstarke Wechselrichter für Werkzeugspindeln mit einem Maximalstrom von 16 bis 64A. Die Servoregler sind für synchrone und asynchrone Hochfrequenzspindeln ausgelegt und verfügen bei Bedarf über zusätzliche Funktionen, die der Anbieter für und mit Kunden entwickelt. Der modulare Hardware-Aufbau der Regler erlaubt es, kundenspezifische Module in den Regler einzubringen (Bild 3). Hier stehen unterschiedliche Feldbus-, Geber- oder Safety-Module sowie kundenspezifische Einsteckkarten zur Verfügung. Der Regelalgorithmus und die Signalverarbeitung auf dem Regler wurden mit Matlab-Simulink entworfen und mittels Autocoder auf dem Steuerungs-FPGA implementiert. Das erlaubt per Software-in-the-Loop-Simulation eine unkomplizierte Einbindung spezifischer Funktionen. Die komplette Antriebsregelung wird parallel auf einem FPGA platziert. Hierzu wird ein Autocoder zur Reduzierung des Ressourcenbedarfs eingesetzt.

Vorteile der FPGA-basierten Regelung

Mit dieser quasi-analogen Regelung ergibt sich eine hohe Dynamik auch für die Positions- und Drehzahlregelung, wobei alle Regelschleifen im Takt des Stromreglers (16kHz) arbeiten. Durch den Einsatz von Oversampling-Verfahren für die Positions- und Strommesswert-Erfassung wird außerdem die Regelgüte verbessert, ohne zusätzliche Latenzzeiten innerhalb der Regelschleifen zu generieren. Damit die Messwerterfassung zeitlich und qualitativ verbessert wird, stehen möglichst rauscharme Signale für die Strom- und Positionsregelung zur Verfügung (Bild 2). Im Folgenden wird anhand von vier Beispielen aufgezeigt, wie sich auf Basis dieser modularen Hard- und Software-Plattform kundenspezifische Lösungen für Werkzeugspindeln realisieren lassen.

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Beispiel 1: Stillstandwächter

Das eigentliche Gebermodul kann z.B. durch ein Steckmodul mit integriertem sicherem Stillstandwächter (SSW) ergänzt werden (Bild 3), was die sichere Erkennung eines Antriebsstillstands nach SIL2 bzw. PLd ermöglicht. Der SSW wertet die Gebersignale von Hochfrequenzspindeln aus und überwacht so Motoren mit einer Drehzahl von bis zu 40.000min-1. Zum Einsatz kommt das SSW-Steckmodul beispielsweise, um die Sicherheit beim Werkzeugwechsel nach der Maschinenrichtlinie zu gewährleisten. Dann werden sicherheitskritische Szenarien, solange ein Motor dreht oder austrudelt, z.B. über den direkten Anschluss einer Schutztürzuhaltung vermieden. Gegenüber zusätzlichen Lösungen lassen sich hier Kosten sparen, es wird keine separate Sicherheitssteuerung benötigt. Weitere Vorteile sind die Platzersparnis im Schaltschrank und der geringere Verkabelungsaufwand. Auch technologisch hat die analoge Hardware-Lösung Vorteile: Systembedingte Latenzzeiten per Buskommunikation werden vermieden, was die Ansprechzeiten verkürzt.

Beispiel 2: Parametersatz- verwaltung

Großen praktischen Nutzen hat auch die Parametersatzverwaltung direkt im Antrieb. Im Speichermodul des Reglers (inkl. SD-Card) lassen sich bis zu 16 werkzeugbezogene Parametersätze hinterlegen. Dies ermöglicht eine schnelle und reibungslose Parametersatzumschaltung bei Werkzeugwechseln. Aufgrund der unterschiedlichen Massen und Formen von Werkzeugen wie Sägeblatt, Gewindeschneider, Bohrer oder Fräser ist es sinnvoll, einen werkzeugabhängigen Parametersatz zu hinterlegen und auszuwählen. Auf diese Weise erhält die Antriebsregelung für jedes Werkzeug stets die richtigen Reglerparameter für Dynamik und Energieverbrauch. Hierdurch sind Maschinen gut gerüstet für die oft sehr kurzen Werkzeugwechselzeiten bzw. Span-zu-Span-Zeiten, die bei modernen Bearbeitungszentren schon einmal unter 3s liegen können. Im Servicefall kann ein Regler mithilfe des Speichermoduls einfach und schnell getauscht werden.

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Beispiel 3: Torque-Level-Trigger

Für einen Hersteller von Bearbeitungszentren hat Ferrocontrol eine spezifische Torque-Level-Trigger-Funktion entwickelt, die dabei hilft, Fehlbestückung oder Werkzeugbruch zu erkennen. Leerfahrten werden so vermieden und Bearbeitungsdauern gesenkt. Durch die Funktion kann ohne zusätzliche Sensorik oder Messtechnik die Höhe des Werkstücks sehr genau ermittelt und die Eindringtiefe des Werkzeugs gemessen werden. Beim Eintauchen des Fräsers in das Material tritt eine kleine Drehmomentspitze auf, die sich messen lässt. Das damit verbundene elektrische Signal ist allerdings äußerst fein und muss daher aufwendig gefiltert und analysiert werden. Anschließend lässt sich dieses Signal als Triggerimpuls verwenden (Bild 4). Diese Sonderfunktion kann somit vielfältig bei Fräsapplikationen eingesetzt werden.

Beispiel 4: Hochfrequenzspindeln

Klassisch wird eine Werkzeugspindel auf zwei unterschiedliche Arten betrieben: Im Bereich kleiner Drehzahlen (<6.000min-1 ) für Anwendungen wie Gewindeschneiden, Sägen oder Bohren wird die Spindel geregelt betrieben, während der Antrieb im Bereich hoher Drehzahlen (>12.000min-1) für Anwendungen wie Fräsen oder Schlichten (Bild 5) meistens gesteuert betrieben wird. Bei der gesteuerten Betriebsart wird nach einer FU-Kennlinie immer so viel Energie in den Motor gespeist, dass das Kippmoment möglichst hoch liegt. Wird dieses Drehmoment am Werkzeug nicht benötigt, so wird der Motor nur unnötig erwärmt und es geht viel Energie ungenutzt verloren. Im geregelten Betrieb wird hingegen nur so viel Energie in den Motor eingespeist, wie tatsächlich am Werkstück benötigt wird. Deshalb ist es sinnvoll, die Werkzeugspindel über den gesamten Drehzahlbereich geregelt zu betreiben. Der Servoregler E°Darc C kann hierzu mit einem Modul für Hochfrequenzspindeln bestückt werden, das zusätzliche Funktionen wie Feldschwächung, Übermodulation und geeignete Beobachterstrukturen für die Flussbestimmung enthält. Es ermöglicht einen geregelten Betrieb von synchronen und asynchronen Spindelmotoren mit bis zu 20.000min-1, sodass der Motor somit möglichst verschleißarm und energieeffizient betrieben werden kann. Auch Lastsprünge durch variierende Werkstückstärken und Vorschübe können mit nur sehr geringen Drehzahlabweichungen ausgeregelt werden. Dadurch lässt sich die Bearbeitungsqualität der Werkstücke erheblich verbessern.

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Fazit

Moderne Antriebssysteme müssen hardware- und softwaretechnisch modular und flexibel erweiterbar sein, um den komplexen und sich wandelnden Anforderungen an die Automatisierung von Maschinen gerecht zu werden. Mit dem modular per Steckkarten erweiterbaren Antriebssystem E°Darc C bietet Ferrocontrol seinen Kunden nicht bloß skalierbare Lösungen, sondern entwickelt auch kundenspezifische Funktionen. Möglich wird dies durch ein hochflexibles FPGA-basiertes Systemdesign mit quasi-analoger Regelung. Ferrocontrol verfügt über großes Know-how in der Entwicklung digitaler Regelalgorithmen, die auf FPGAs durch die massive parallele Signalverarbeitung extrem schnell ausgeführt werden. 2006 entwickelte das Unternehmen einen der ersten FPGA-basierten Regler im Markt. Seither wird das System kontinuierlich weiterentwickelt.

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