Auslegungskriterien und Entwicklungsperspektiven bei der Antriebstechnik (Motek: 3-303)

Schneller, präziser – einfacher, sicherer

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Bewegungen sind oft komplex und bieten ein enormes Optimierungspotenzial, wenn die entsprechenden Systeme, d.h. die elektrischen Antriebe – u.U. auch als mechatronische Kombination mit pneumatischen Zylindern – richtig ausgelegt sind. Zudem profi-tiert die Automatisierung mit elektrischen Antrieben nach Ansicht von Festo in naher Zukunft von den drei Entwicklungstrends beschleunigte Produktverfügbarkeit, vereinfachte Steuerungstechnik und Handhabung sowie erhöhte Maschinensicherheit.
Nach Informationen der Festo AG & Co. KG in Esslingen ( www.festo.com)
Die ideale Kombination für eine optimal ausgelegte Bewegungsachse kann so aussehen: Die elektrische Zahnriemenachse Elga sorgt für Highspeed auf der Strecke. Für die Präzision ist dann die intelligente Kamera SBOI-Q zuständig. Sie ermittelt den Ist-Punkt und positioniert präzise das transportierte Werkstück. Beispiel für eine typische Applikation ist ein einbaufertiges Handling-System zur Prüfung elektronischer Bauteile, wobei viele Testplätze exakt und mit hoher Geschwindigkeit anzusteuern sind. Doch wie findet die Achse mit dem Greifmodul und den zu prüfenden Bauteilen die genauen Positionen freier Testplätze? Dafür sorgt die Kamera SBOI-Q, die das elektrische Handling via integrierter SPS steuert. Dabei analysiert sie das Bild der Referenzdaten und errechnet daraus die richtige Position für die X- und Z-Achse des Handlings. Die Kamera ist auf dem Frontend des elektrischen Auslegerhandlings montiert und übernimmt die komplette Handling-Steuerung – dank der integrierten CoDeSys-SPS mit Can-open-Master-Funktionalität. Eine zusätzliche Steuerung ist nicht notwendig, d.h. die gesamte Anlage ist weniger komplex sowie kostengünstiger und schneller als beim Einsatz einer vergleichsweise teuren Spindelachse mit hoher Präzision.
Erreichen können die Festo-Projektingenieure solch kostengünstigen, energieeffizienten und individuellen einbaufertigen Lösungen u.a. dank des Inbetriebnahmeservice für Achssysteme: für elektrische Antriebe die Auslegungssoftware PositioningDrives und für pneumatische die Software ProPneu. Interessieren sich Anwender besonders für die energieeffizienteste Lösung, steht der neue Online-Energieeffizienzrechner zur Verfügung. Auch Konstrukteure der Anwender können je nach Bedarf gezielt auf ein breites Spektrum Antriebstechnologien zugreifen: pneumatische und servo-pneumatische Zylinder und bei elektrischen Antrieben von Zahnriemen- über Spindel- und Kugelumlaufführungs- bis hin zu Linearmotorachsen. Mit Schnittstellen zu allen Komponenten wie Antriebsreglern oder Ventilinseln werden die Antriebssteuerungen jeder Anforderung gerecht: Sollen Bewegungen von Punkt zu Punkt verfahren werden, soll eine Position überschliffen werden oder ist eine komplette Bahnsteuerung für Robotik-Lösungen erforderlich? Die Steuerungswelt ist skalierbar und modular – und integraler Bestandteil des mechatronischen Handhabungsbaukastens.
Ganz im Sinne einer schnelle Systemlösung können sich Anwender nicht nur auf einzelne Komponenten des elektrischen Antriebssortiments verlassen, sondern auch auf einbaufertige Handhabungssysteme. Für die Systemlösungen wie Tripod, Highspeed-H-Portal oder Highspeed-T-Portal, aber auch ganz individuell auf die jeweilige Kundenanforderung ausge-richtete kartesische Mehrachsportale finden Projektingenieure von Festo im Application Center, in dem die Systeme – oft mit den Kunden gemeinsam – bis zur Einsatzreife optimiert werden. Das Application Center erlaubt Zykluszeit-Bewertungen, bietet Vertikal-Teststationen und Online-Laser-Tracker, ermöglicht Tests für Anwendungen mit schweren Werkstücken, aber auch mit Servo- und Linearmotoren sowie Versuche für Vakuumanwendungen, Bildverarbeitung oder Band-Tracking.
Perspektiven für elektrische Antriebe
Nicht nur Verbraucher erwarten heute technische Produkte, die intuitiv zu bedienen, schnell verfügbar und sicher sind. Auch Konstrukteure und Entwickler von Maschinen und Anlagen erwarten, dass ihre Systempartner sie umfassend unterstützen – besonders in Boomzeiten, wenn sie selbst enorm unter Zeitdruck stehen und für Eigenentwicklungen und Experimente die Zeit fehlt. Dann erwarten sie von ihren Systempartnern, dass deren Produkte schnell verfügbar sind, die Steuerungstechnik und Handhabung der Produkte immer einfacher wird und sie wünschen sich umfassende Unterstützung in Sachen Maschinensicherheit.
Worauf es beispielsweise bei der schnelleren Produktverfügbarkeit ankommt, erläutert Fredrik Stal, Leiter Produktmanagement Elektrische Antriebe: „Elektrische Antriebe sollen einfach zu dimensionieren, einfach zu bestellen und einfach zu montieren sein, bei Festo umgesetzt als 'Optimised Motion Series'. Für die vereinfachte Dimensionierung wird es eine Reihe von vordefinierten und getesteten Kombinationen mit allen notwendigen Daten im Katalog geben. Für die vereinfachte Bestellung bekommt eine komplette Antriebslösung – bestehend aus Mechanik, Motor und Motorcontroller – nur noch eine einzige Teilenummer. Und für die vereinfachte Montage werden Motor und Mechanik als Einheit realisiert.“
Mit der Webbrowser-Technologie wird in Zukunft die Steuerungstechnik und Hand- habung vereinfacht. „Anwender werden sich darüber freuen, neue elektrische Antriebe leicht in Betrieb nehmen, einfach steuern und problemlos instandhalten zu können“, erklärt Fredrik Stal. Eine vereinfachte Inbetriebnahme gelingt über die Webkonfiguration per Parameter-Cloud. Die optimierte Steuerung folgt den einfachen Prinzipien der pneumatischen Ventiltechnik. Die Diagnosefunktion per Standard-Webbrowser reduziert deutlich den Instandhaltungsaufwand.
Safety als Gesamtkonzept
„Auch wenn das Thema Maschinensicherheit nicht mehr neu ist, es wird den Maschinen- und Anlagenbau auch in Zukunft weiter beherrschen“, erklärt Fredrik Stal weiter. „Das liegt daran, dass der Markt von großen Unsicherheiten geprägt ist und das komplexe Thema von vielen Anwendern nicht ohne Unterstützung ihrer Systempartner umsetzbar ist. Dort, wo Anwendungen nicht hinter Sicherheitsgittern geschützt sind, sondern wo Menschen in den direkten Kontakt mit Anlagenteilen kommen, müssen auch alle elektromechanischen Systeme mit integrierten Sicherheitsfunktionen eine hinreichende Risikominde-rung gewährleisten. Hier gilt es, den Anwendern ein Safety-Gesamtkonzept anzubieten, das eine Überwachung der Achsmechaniken und eine sicherheitsgerichtete Klemmung bzw. Bremsung ermöglicht.“ Oft begnügten sich Anwender mit einem nachträglich umgesetzten Sicherheitskonzept. Viele nähmen ein beliebiges Sicherheitsschaltgerät und verdrahteten die STO-Funktion. Zusätzlich tauschten sie den Servomotor gegen einen mit Bremse aus. Allerdings sind damit längst nicht alle möglichen Fehler berücksichtigt, denn ein Montagefehler der Kupplung oder ein Zahnriemenriss der Umlenkeinheit könnte die Bremse wirkungslos werden lassen. Als Folge dieser Fehler stürzt der Schlitten mit der Last ab und verursacht schwere Verletzungen. Auch könnte nach einem Crash ein unentdeckter Lagerschaden die Dehnung des Zahnriemens oder ein Schaden an der Kugelumlaufführung die Achse um mehrere Millimeter absacken lassen. Die Folge: Der Schlitten kann Quetschungen verursachen. Dazu erläutert Fredrik Stal: „Ein ganzheitlicher Ansatz überwacht die Achsmechaniken und ermöglicht eine sicherheitsgerichtete Klemmung bzw. Bremsung, wie es z.B. die sicherheitsgerichtete elektrische Achse EGC mit einem zweikanaligen Messsystem und Festelleinheiten tut.“ Die Mechanik kann durch einen Motorencoder (erster Kanal) und ein lineares Messsystem (zweiter Kanal) überwacht werden (EGC-M). Die ein- oder zweikanaligen Feststelleinheiten EGC-HPN zum Halten einer Position, Absturzsicherung und mit Not-Brems-Eigenschaften ermöglichen Sicherheitsmaßnahmen beispielsweise bei Vertikalachsen. Diese antriebsbezogenen Sicherheitsfunktionen können von dem zertifizierten Sicherheitssystem CMGA für Motorcontroller überwacht werden. Die üblichen Sicherheitsbefehlgeräte wie Not-Halt-Schalter, Schutztürschalter, Lichtvorhänge und Laserscanner sind daran anschließbar. Sobald diese eine Sicherheitsanforderung auslösen, wird über das Sicherheitssystem CMGA ein sicherheitsgerichteter Halt wie SS1 oder SS2 ausgelöst oder im Einrichtbetrieb auf sicher reduzierte Geschwindigkeit überwacht. Zur einfachen Verwendung gibt es für viele Maschinen vorvalidierte Anwendungsprogramme, die die Komplexität eines programmierbaren Sicherheitssystems auf die Einfachheit eines Sicherheitsrelais reduzieren.

praxis plus
Auf der Strecke schnell, am Endpunkt präzise: Wenn man diese beiden Eigenschaften nur da nutzt, wo sie gefragt sind, wird ein Handling wesentlich schneller. Zudem reduzieren sich die Kosten, da man mit einer schnellen Zahnriemenachse an Stelle einer präzisen Spindelachse auskommt. Das ist nur eine von vielen Lösungen, die Festo mit elektrischen Antrieben auch in mechatronischen Kombinationen mit pneumatischen Zylindern weltweit realisiert. Die richtige Systemauslegung ist hier der Schlüssel zur erfolgreichen Applikation. Unterstützt wird dies durch aktuelle Entwicklungstrends in Sachen Automatisierung mit elektrischen Antrieben – bzgl. Produktverfügbarkeit, Steuerungstechnik und Handhabung sowie Maschinensicherheit.

INFO-TIPP
Festo-Experte Fredrik Stal sieht im Bereich elektrische Antriebe für die nahe Zukunft Potenzial bei Produktverfügbarkeit, Steuerungstechnik und Handhabung sowie Maschinensicherheit. Welche Technologietrends die Automatisierungstechnik insgesamt bewegen, verdeutlicht die entsprechende Rubrik unseres Online-Portals:
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