Schwingungen sind in der Regel auf Resonanzfrequenzen und nicht lineare Kräfte zurückzuführen, die von Robotergelenken oder Maschinenkupplungen ausgehen. Die steigenden Taktraten und die Leichtbauweise moderner Maschinen führen zudem zu einer erhöhten Schwingneigung. Etwa bei Portalrobotern kommen zunehmend weniger stabile Konstruktionen zum Einsatz um Kosten und Gewicht einzusparen. In solchen Anwendungen mit überhängenden Lasten können die flexiblen Gelenke zwischen dem Endeffektor und den Portalroboterachsen bei jedem Stopp- oder Umkehrpunkt übermäßige Schwingungen verursachen. Um eine ausreichende Genauigkeit zu gewährleisten, muss die Maschine dann pausieren bis die Schwingungen abgeklungen sind. Jedoch müssen die Einschwingzeiten so kurz wie möglich sein, damit die Kapazität eines Systems ausgeschöpft werden kann. Die von Servotronix entwickelte und im Servoantrieb der Reihe CDHD implementierte Schwingungsunterdrückung stabilisiert Systeme, die Schwingungen mit konstanter Frequenz erzeugen. Mit proprietären Algorithmen werden Schleppfehler und die Einschwingzeit der Last deutlich reduziert. Die Vorteile der Servotronix-Schwingungsunterdrückung sind:
- Genaue Bahnführung für präzisere Maschinen,
- Kürzere Einschwingzeit für höheren Maschinendurchsatz,
- Gleichförmige und leise Bewegungen,
- Aktive Dämpfung passt sich tatsächlichen Schwingungen an, sobald sie auftreten, und ignoriert Schwankungen der Resonanzfrequenz,
- Regelt Systeme mit Schwingungsfrequenzen von bis zu 400Hz.
Die Schwingungsunterdrückung ist als Regelkreis implementiert, der Schwingungen erkennt, sobald sie auftreten, und sie sofort dämpft. Durch die aktive Dämpfung von Schwingungen der montierten Last ermöglichen Servotronix-Antriebe eine deutliche Reduzierung der für das Einschwingen einer schweren Last oder eines Endeffektors an der Zielposition benötigten Zeit. Obwohl dies möglicherweise zu größeren Nachlauffehlern am Geber führt, ist die an der Lastposition betrachtete Gesamtleistungsfähigkeit des Systems dennoch deutlich verbessert.
Prozess zur Schwingungsunterdrückung
Der Prozess zur Schwingungsunterdrückung ist in vier Phasen unterteilt, die in Bild 3 dargestellt sind.
- Phase 1: Störeinflüsse am System werden anhand von Eingangsvariablen wie Positionsfehler und Strom erkannt. Daraufhin wird ein Störungswert berechnet.
- Phase 2: Der Störungswert wird durch einen Schmalbandfilter geführt, um die Störeinflüsse zu ermitteln, die auf die Systemschwingungen zurückzuführen sind. Die Mittenfrequenz und die Bandbreite das Bandpassfilters werden anhand von zwei Parametern festgelegt.
- Phase 3: Die Korrekturparameter werden berechnet.
- Phase 4: Die Korrekturparameter werden den Regelparametern in Form eines dämpfenden Verstärkungsparameters hinzugefügt.
Für hochfrequente Schwingungen werden in den Servoantrieben der Reihe CDHD standardmäßige Tiefpassfilter und Kerbfilter eingesetzt. Die proprietäre Funktion zur Schwingungsunterdrückung wurde für die Regelung von Schwingungen entwickelt, die auf tiefe Resonanzfrequenzen im Bereich von 5 bis 400Hz zurückzuführen sind. Die Funktion kann auch Systeme dämpfen, in denen mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen auftreten. Die Schwingungsunterdrückung wird automatisch über die Selbstoptimierung des Antriebs umgesetzt. Dabei wird zunächst die Schwingungsfrequenz gemessen, und eine Unterdrückungsfrequenz festgelegt. Dann wird eine entsprechende Verstärkung schrittweise angehoben, bis ein Dämpfungseffekt festgestellt wird. Über die grafische Benutzeroberfläche der Servotronix-Software ServoStudio können Benutzer die Einstellungen einfach überwachen und manuell anpassen. Mit der Methodik zur Schwingungsunterdrückung von Servotronix, kann die Leistungsfähigkeit in Servosystemen, in denen eine Last über eine bewegliche Kupplung an das System gekoppelt ist, deutlich verbessert werden. Diese Art der Ankopplung ist sehr flexibel. Wenn die Servoregelung des Motors auf Positionierfehler nahe Null gesetzt ist, treten bei der Last an jeder Position starke Schwingungen auf. Zudem wird bei jeder Beschleunigungsänderung ein Ruck erzeugt, durch den die Lastschwingung noch weiter verstärkt wird. In diesem System beträgt die Einschwingzeit ohne Schwingungsunterdrückung mehr als 1,5s. Mit Schwingungsunterdrückung wird die Einschwingzeit auf fast 0,25s reduziert. Die Schwingungsunterdrückung von Servotronix hat sich in Roboteranwendungen, in denen schwere Lasten zu Bahnabweichungen führen, als effektiv erwiesen. Bild 4 zeigt die vom Roboter abgefahrene Bahn mit und ohne Anwendung der Schwingungsunterdrückung in einem System mit Servotronix-Antrieben der Reihe CDHD. Ohne die Schwingungsunterdrückung sind deutliche Abweichungen von der gewünschten Bahn zu erkennen. Mit Schwingungsunterdrückung wird die Bahn präzise und gleichförmig abgefahren. In Automatisierungsanwendungen, in denen überhängende Lasten vorkommen, oder in denen Kugelrollspindeln, riemengetriebene Linearschlitten oder eine nicht starre Kupplung zwischen Motor und Last zum Einsatz kommen, besteht das Risiko von übermäßigen Schwingungen. Mit der standardmäßig implementierten Schwingungsunterdrückung können die Antriebe der Reihe CDHD die Zykluszeit und Performance von Maschinen deutlich verbessern, die u.a. in der Elektronikmontage, der Halbleiter- und Werkzeugmaschinenindustrie sowie in der Laborautomatisierung eingesetzt werden.
