Erschienen am: 29.10.2014, Ausgabe SPS-MAGAZIN 11 2014

Kompaktdrive für Multi-Achsanwendungen

Sechs auf einen Streich

Mehr Performance und Dynamik, weniger Bauraum und das zu reduzierten Kosten - so lauten die Ansprüche, die Maschinen- und Roboterhersteller heute an die elektrische Antriebstechnik stellen. Mit der Baureihe SDD 1000 geht das Unternehmen Sigmatek genau auf diese Marktanforderungen ein und bietet kompakte, hochpräzise Mehrachs-Antriebssysteme mit einem attraktiven Preis-/Leistungsverhältnis.


Bild: Sigmatek GmbH & Co KG

Moderne Antriebstechnik ist die Voraussetzung für die Effizienz von Produktionsmaschinen und Robotern. Aktuelle Statistiken zeigen, dass im Maschinenbau durchschnittlich sechs Antriebsachsen pro Applikation benötigt werden. Die Anzahl wird einer Studie von Quest TechnoMarketing aus dem vergangenen Jahr zufolge auf zehn elektronische Antriebe pro Maschine im Jahr 2016 ansteigen. Diesen Markttrend hat der Automatisierungslösungsanbieter Sigmatek bei der Entwicklung seiner neuen kompakten Multiachs-Servodrives berücksichtigt. Bis zu sechs Motoren können mit einem Servoantrieb der Baureihe Dias-Drive 1000 angesteuert werden. Die Serie umfasst Drives mit drei, vier und sechs Antriebsreglern - jeweils in einem Gehäuse untergebracht. So kann der Maschinenbauer die Achsanzahl perfekt auf seine Anwendung abstimmen und die Vorteile von Kompakt-Drives voll nutzen: Sie sparen durch die kompakte Bauform erheblich Platz im Schaltschrank und sind zudem wesentlich wirtschaftlicher als Einzelachsen oder ein modulares System.

Bauraum und Kosten reduziert

Das Sechsachsgerät misst 21cm in der Breite, 59cm in der Höhe und hat eine Einbautiefe von 22cm. Der Hersteller will so den Begriff 'Kompakter Mehrachs-Servodrive' mit den Servoverstärkern der Reihe SDD 1000 auf eine neue Stufe stellen. Die Antriebstechnik für sechs Motoren in die äußerst kompakte Form zu bringen - das war für das Entwicklungsteam eine echte Herausforderung, und zwar unter elektronischen und mechanischen Aspekten. Möglich wird dieses geringere Bauvolumen durch den Einsatz hochmoderner Antriebselektronik und die Einsparung von Material, da sich die sechs Antriebsregler sowohl das Gehäuse als auch Controller, Zwischenkreis und Kühlkörper teilen. Natürlich entfallen auch viele Stecker, Schrauben und Zwischenkreisverbindungen. Dass es dadurch möglich ist, die Gerätekosten zu reduzieren und gleichzeitig die Stabilität zu steigern, liegt auf der Hand. Die Drive-Variante mit drei kleineren Achsen (10 bis 20A) und drei größeren Achsen (20 bis 40A), wie sie häufig in Roboterapplikationen zu finden sind, wird erstmals auf der diesjährigen SPS IPC Drives in Nürnberg zu sehen sein und ist ab Anfang 2015 verfügbar, genauso wie die Drei- und Vierachs-Antriebsregler.

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Hohe Leistungsdichte

Die Multiachs-Drives der SDD-1000-Reihe umfassen einen Onboard-Controller, der die Ausführung der Positionier- und Regelalgorithmen übernimmt. Er kommuniziert zudem mit dem übergeordneten Steuerungssystem und stellt schnellen Querverkehr im Drive sicher, wie dies z.B. bei interpolierenden Achsbewegungen nötig ist, oder wenn es zu einem Safety Stop kommen sollte. Gängige achsbezogene Sicherheitsfunktionen wie Safe Brake Control (SBC), Safe Torque off (STO), Safe Stop 1 (SS1) und Safe Out (SO) erleichtern die Integration der Antriebstechnik in das Sicherheitskonzept der Maschine (SIL3/SIL CL3 gemäß EN62061 und nach PLe, Kat. 4 gemäß ISO13849-1). Mit dem Safety-Ausgang (SO) können sicherheitsrelevante Baugruppen wie Ventile angesteuert werden. Der Motor-Regelalgorithmus wurde bei der neuen Baureihe weiterentwickelt, wodurch Präzision und Dynamik gesteigert werden konnten. Die Positionsvorgabe erfolgt in der SPS und wird dann über das echtzeitfähige Ethernet-Bussystem Varan an den Drive übermittelt. Sehr kurze Zykluszeiten des Reglers (62,5s) sorgen für eine außerordentlich exakte Positionierung bei hoher Geschwindigkeit. Bei den Funktionen beschränkt sich Sigmatek in den Drives bewusst auf Strom-, Drehzahl- und Positionsregelung. Im internen Data Analyzer der Dias-Drives können Daten mit Abtastraten bis zu 62,5µs aufgezeichnet und online im Software Tool dargestellt werden. Da die Konfigurationsparameter zentral im Steuerungssystem verwaltet werden, ist es nicht nötig, die Antriebskomponenten einzeln zu konfigurieren. Auf diese Weise werden die Inbetriebnahmezeiten verkürzt und Fehler vermieden.

Flexibles Gesamtsystem

Die Dias-Drives 1000 sind für dynamische Multi-Achsanwendungen konzipiert, wie sie im Serienmaschinenbau häufig zu finden sind. Beispiele dafür sind die Lebensmittel- und Verpackungstechnik, die Kunststoffindustrie, Handlinggeräte und Robotik-Applikationen. Bei der Entwicklung lag der Fokus des Herstellers darauf, ein flexibles System zu entwerfen, um Individualisierung bei der Serienproduktion zu ermöglichen. Verschiedene Leistungsgrößen können in dieselbe Mechanik verpackt werden. So ist eine Anpassung an marktspezifische Anforderungen einfach umzusetzen. Flexibilität bieten die von außen steckbaren Gebersysteme. Aktuell sind Resolver, EnDat 2.1 und Hiperface DSL verfügbar. Die verschiedenen Feedback-Module oder auch neue Gebervarianten lassen sich einfach hinzufügen oder austauschen. Der Anwender verfügt also immer genau über die Feedback-Systeme, die er für seine Anwendung benötigt. Das verwendete Rückführungssystem wird vom Drive automatisch erkannt. Hiperface DSL ermöglicht die Übertragung von Positionssignal und Leistung in nur einem Kabel. Diese Lösung spart Platz, Bauteile und erhöht die Übersichtlichkeit.

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Energie clever nutzen

Durch die kompakte Bauform war in punkto Wärme-Management eine clevere Lösung gefragt. Die Entwickler von Sigmatek entschieden sich für ein lüfterbasiertes Konzept und einen internen Zwischenkreisverbund, der für eine effiziente Energienutzung und -verteilung sorgt. Stromschienenführung und Kühlung lassen sich bei solch einem Kompaktsystem bestmöglich realisieren, da ein Gesamtsystem die wechselnden Spitzen und die erzeugten Temperaturen besser handhaben kann. Die beim Bremsen erzeugte Energie wird zur Versorgung der anderen Komponenten genutzt. Dazu ist ein 24V-Netzteil integriert, das auch aus dem Zwischenkreis gespeist wird und die restliche Elektronik versorgt. Bei einem Spannungseinbruch steht dem Controller also weiterhin Energie zur Verfügung, damit ein geregelter Stillstand realisiert werden kann.

Nahtlose Integration

Wenn die Antriebstechnik wie bei Sigmatek Teil des Automatisierungssystems und somit nahtlos in die Steuerungs- sowie Sicherheitstechnik und eine durchgängige Engineering-Plattform eingebunden wird, ist der Integrationsgrad dementsprechend hoch und die Produktivität der Maschine steigt. Das für die Bewegungsregelung zuständige Paket Lasal Motion ist nahtlos in die SPS-Programmier- und Projektierungs-Software Lasal Class integriert. Regelalgorithmen, Ablaufsteuerung und Achsbewegungen werden ohne unnötige Schnittstellen gesamtheitlich gehandhabt und greifen wie in der Maschine auch in der Software ineinander über - und sind somit aus einem Guss. Das all-in-one-Engineering umfasst bei Sigmatek auch die Sicherheitstechnik, die sich mit den TÜV-zertifizierten Funktionen des Lasal Safety Designer ebenso integriert realisieren lässt. Lasal ist objektorientiert aufgebaut und erfüllt den Standard IEC61131-3. Durch die Modularität und grafische Darstellung eröffnet die erprobte Entwicklungsplattform dem Anwender eine hohe Flexibilität beim Umsetzen individueller Kundenwünsche. Ein weiterer, wichtiger Aspekt dieses gesamtheitlichen Ansatzes: Die Engineeringzeiten und -kosten können so erheblich reduziert werden. Für häufig benötigte Funktionen gibt es in der Antriebsbibliothek eine große Auswahl an vorgefertigten Bewegungs-Funktionsbausteinen und Technologiemodulen. Beispiele dafür sind Module für die Positionierung oder Bahnsteuerung ebenso wie Kurvenscheiben, Nockenschaltwerke, fliegende Säge, CNC-Funktionalität sowie interpolierende Bewegung von bis zu neun Achsen, ruckbegrenzte Fahrprofile oder dynamische Schutzraumüberwachung. Auch Templates für verschiedene Roboter-Kinematiken, wie Knickarm, Delta, Scara oder Portal, stehen zur Verfügung. Der Applikationstechniker wählt das passende Modul, übernimmt es in sein Projekt und kann nach dem Setzen einiger Parameter bereits direkt starten bzw. eine Simulation ablaufen lassen. So lassen sich Motion-Control-Aufgaben komfortabel umsetzen, ohne dass der Anwender etwas programmieren muss.

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Effizienz und Diagnose

Bei der Entwicklung von Lasal Motion wurde größte Aufmerksamkeit auf die einfache Anwendung und Effizienz der Achskommandos gelegt. Mit nur einem Kommandoaufruf können beispielsweise mehrere Achsen untereinander synchronisiert werden. Die Synchronisation kann dabei über Geschwindigkeit, Position, Positionsversatz, mit Getriebeübersetzung auf reale oder auch auf virtuelle Achsen erfolgen. Für eine präzise Diagnose stehen alle zur Regelung relevanten statistischen Werte wie minimale und maximale Spannung, mittlerer Schleppfehler, Temperaturverlauf oder Reglerauslastung pro Achse zur Verfügung. Umfangreiche Oszilloskopfunktionen beschleunigen die Inbetriebnahme und ermöglichen die Optimierung der Maschine. Eine Versionskontrolle ist in Lasal ebenso integriert wie Multi-User- und Multiprojektstruktur. So können bei komplexen Applikationen mehrere Entwickler gleichzeitig programmieren. Im Hinblick auf Industrie 4.0 unterstützt Lasal nun auch das OPC-UA-Kommunikationsprotokoll, sodass Maschinendaten hersteller- und plattformunabhängig transportiert werden können - und dies sowohl horizontal als auch vertikal, also zwischen Produktions- und Unternehmensleitebene.

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