Antriebssysteme

Dynamische Antriebe für präzise Bewegungen

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Interview: Johannes Gillar, Stellvertretender Chefredakteur, elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Servoantriebssysteme liegen im Trend. Welche Gründe gibt es für den „Siegeszug“ der Servotechnik?
Kai Bernhardt (Siei-Areg): Die Gründe liegen in der Energieeinsparung, der hohen Dynamik, den kompakten und verschiedenen Bauformen. Zudem sind Servoantriebssysteme zuverlässig und bieten eine hohe Überlast, ein hohes Haltemoment und eine stabile Drehzahl. Außerdem ist mit ihnen Positionierung möglich.
Torsten Blankenburg (Sieb & Meyer): Der steigende Automatisierungsgrad von Produktionsprozessen bei gleichzeitiger immer komplexer werdenden Produkten macht den Einsatz von hochdynamischen und -genauen Bewegungsachsen nötig. Diese Eigenschaften können von Servoantriebssystemen optimal erfüllt werden.
Manfred Brucksch-Richter (A-Drive): Der Siegeszug der Servoantriebe begründet sich in der Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit dieser geregelten Synchronantriebe. Die bei sinkenden Kosten weiter steigende Leistungsfähigkeit der Elektronik eröffnet neue Möglichkeiten durch Weiterentwicklung der Software. Geberlose geregelte Systeme, Einkabellösung mit Hyperface DSL, elektronisches Typenschild zum Autotuning bis hin zu intelligenten, kognitiven vernetzten Systemen werden möglich und weisen in die Zukunft.
Gregor Dietz (SEW-Eurodrive): Hier greifen mehrere Erfolgsfaktoren ineinander und 1+1 ist dann mehr als 2: Leistungsfähigere Elektronik, gepaart mit besseren und optimierten Servomotoren, erhöhen die dynamischen Eigenschaften, um die gestiegenen Anforderungen aus den Anwendungen zu erfüllen.
Martin Funk (Lenze): Servoantriebssysteme sind heute absolut entscheidend für die Funktionalitäten und die Performance von Produktionsmaschinen, also ‚State of the Art‘. Durch den Einsatz von Servoantrieben können sehr präzise Bewegungen mit hoher Dynamik ausgeführt werden. Diese komplexen Bewegungsabläufe erlauben es, Produkte in gleichbleibend hoher Qualität bei einem hohen Durchsatz zu produzieren. Servoantriebssysteme unterstützen zudem die Flexibilität der Maschinen, was in Zeiten der Digitalisierung die Produktion kleiner Losgrößen und individualisierter Endprodukte bei kurzen Rüstzeiten möglich macht.
Holger Goergen (Pilz): Da gibt es verschiedene Gründe. Zum einen steigen die Anforderungen an die Produktivität von Maschinen. Das erfordert mehr Dynamik und größere Präzision. Zum anderen werden die Maschinen immer kompakter, auch deshalb kommen die ‚kleineren‘ Servomotoren zum Einsatz. Energieeinsparung und Akustik sind weitere Argumente.
Carsten Kobusch (Bosch Rexroth): Die Vorteile der Servotechnik liegen in der gesteigerten Produktqualität, durch hohe Präzision, sowie der hohen Maschinendynamik, die sich mit kürzeren Zykluszeiten positiv auf die Produktivität auswirkt. Darüber hinaus gewinnt die flexiblere Gestaltung der Produktionsprozesse zunehmend an Bedeutung. In Kombination von Servoantrieben und verteilter Intelligenz lassen sich Maschinen und Abläufe modularisieren, um auch kleinere Losgrößen wirtschaftlich zu fertigen.
Jürgen Lieber (Schneider Electric): Servoantriebssysteme spielen ihre Stärken sowohl in Sachen Energieverbrauch als auch beim Funktionsumfang und der Beschaffenheit aus. Sie sind besonders energieeffizient, bestechen aber darüber hinaus durch hohe Dynamik und ein beachtliches Drehmoment. Die kompakte Bauform spart zudem Platz.
Jürgen Rapp (AMK): Mehr Output der Maschinen und höhere Präzision bei der Fertigung erfordern auch die entsprechende Antriebstechnik. Aber auch weichere Themen wie Energieeffizienz und Vernetzung von Maschinen tragen zum Erfolg der Servotechnik bei.
Tobias Unger (Yaskawa): Die Direktantriebstechnik führt zur Einsparung von mechanischer Transmission wie etwa von Getrieben. Damit sind Servoantriebssysteme auch in Hinblick auf Preis und auf Energieeffizienz interessant, insbesondere bei kleinen Leistungen. Weitere Gründe für ihren anhaltenden Erfolg sind u.a.: die Möglichkeit von Multiachsanwendungen, hohe Verfügbarkeit, Kompaktheit, einfache Anwendbarkeit und ein großer Funktionsumfang inklusive der Vernetzbarkeit. Preis, Ease-of-Use und integrierte Kommunikationssysteme sind neben den regelungstechnischen Argumenten sicherlich die Haupttriebkräfte. Ebenso spielen die Entwicklungen bei der antriebsintegrierten Funktionalen Sicherheit eine gewichtige Rolle beim Nutzwert der Servotechnik in Maschinen.
elektro AUTOMATION: Früher verwendete man Servoantriebe aufgrund ihrer technischen Nachteile eher als Hilfsantriebe, z.B. als Stellantriebe in Werkzeugmaschinen. Mittlerweile werden moderne Servosysteme jedoch zunehmend als Hauptantriebe eingesetzt. Was hat sich (technisch) geändert?
Bernhardt (Siei-Areg): Die Fertigung der Servoantriebssysteme und der zunehmende Anteil im Markt sorgen dafür, dass die Preise auch für große Leistungen interessanter werden. Zudem sind mittlerweile verschiedene Bauformen und mehr Zubehör erhältlich. Ein weiterer Punkt ist die Entwicklung in der Digitaltechnik, also Bediensoftware, sowie eine einfache Inbetriebnahme.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Eine wichtige Veränderung hat sich insbesondere beim Maschinenkonzept ergeben. Wurden früher synchrone Abläufe unterschiedlicher Bewegungsachsen mittels einer festen mechanischen Kopplung realisiert, etwa der klassischen Königswelle, so bieten heutige Servoantriebssysteme die Möglichkeit Bewegungsachsen elektronisch hochgenau miteinander zu synchronisieren. Die elektronische Kopplung bietet dabei mehrere Vorteile. Zum einem vereinfacht die fehlende mechanischen Kopplung den mechanischen Aufbau und bietet neue Freiheitsgrade, zum anderen kann jede Bewegungsachse flexibel an veränderte Produktionsparameter angepasst werden, zum Beispiel der Bewegungshub.
Brucksch-Richter (A-Drive): Der einzige technische Nachteil von Servoantrieben ist die als Synchronantrieb fehlende Möglichkeit der Feldschwächung und damit eine fixe Drehzahlobergrenze auch ohne Last. Dies machte sie für Hauptspindelantriebe weniger geeignet. Auch hier konnte durch die steigende Leistungsfähigkeit der Elektronik die Drehzahlobergrenze angehoben und der Einsatzbereich bei Hauptspindelantrieben erweitert werden.
Dietz (SEW-Eurodrive): Technologisch haben sich große Änderungen und Weiterentwicklungen beim Magnetmaterial ergeben. Ausgehend von Ferriten über Magnete aus Samarium-Kobalt werden heutzutage Magnete mit Seltenen Erden wie Neodym, Dysprosium und ähnlichem eingesetzt. Nach dem Preisschock bei Seltenen Erden in den Jahren 2010 und 2011, aufgrund der chinesischen Exportlimitierung, wurden aus homogenen Magneten heterogene Strukturen weiterentwickelt.
Funk (Lenze): Die Zeiten, in denen die Nachteile überwogen haben, sind lange vorbei. Früher hat ein Hauptantrieb mit konstanter Drehzahl die Bewegung aller Funktionseinheiten der Maschine über mechanische Übertragungselemente realisiert. Heute kann die Maschine dank der sinkenden Kosten und gestiegenen Funktionalitäten der Servotechnik mit vielen einzelnen Antriebe automatisiert werden, die elektronisch hochgenau synchronisiert sind. Und das Beste dabei: Da die Servotechnik heute bezahlbar ist, können alle Maschinenbauer und vor allem deren Kunden von den Vorteilen profitieren.
Goergen (Pilz): Das Prinzip der Königswelle älterer Maschinen ist bei einer modernen Produktion viel zu statisch. Eine Umstellung per Knopfdruck zum Beispiel in der Rezepturverwaltung auf andere Produktversionen ist heute schlichtweg ein ‚Must have‘. Die genau regelbare Geschwindigkeit bzw. Position von Servoantrieben eröffnet viele Möglichkeiten, welche mit den starren Drehzahlen von Asynchronmotoren nicht möglich sind.
Kobusch (Bosch Rexroth): Die Anforderungen an Maschinen und Produktionsanlagen haben sich grundlegend geändert. Neben dem Streben nach kleineren Losgrößen rückt die Time-to-Market stark in den Fokus, und damit die Forderung nach Modularisierung und einem durchgängig digitalen Engineering inklusive virtueller Inbetriebnahme. Einen weiteren Trend sehe ich in der optimalen Raumausnutzung durch schaltschrankoptimierte bis hin zu schaltschranklosen Antriebskonzepten.
Lieber (Schneider Electric): Servoantriebe haben traditionellen Alternativen mittlerweile den Rang abgelaufen. Sie haben sich technisch weiterentwickelt und bieten höhere Überlastfähigkeit sowie höhere Drehmomente. Ihre Bauweise ist außerdem kompakter geworden im Vergleich zu vor einigen Jahren noch.
Rapp (AMK): Gerade die technischen Vorteile der Servoantriebe haben doch dazu geführt, dass diese schon frühzeitig als Hauptantriebe eingesetzt wurden. Die Verwendung von Technologiefunktionen zum Beispiel für Königswelle und Kurvenscheibe nehmen mechanische Komplexität aus dem System heraus und machen die Konstruktion einfacher.
Unger (Yaskawa): Nicht zuletzt haben sich die Maschinenkonzepte geändert: Mechanische Lösungen werden zunehmend billiger und damit auch einfacher. Servoantriebe gleichen dies in gewissem Maß aus, etwa durch Losekompensation, Drehzahlregelbereich und Dynamik. Zudem bieten Servoantriebe exzellentes Echtzeitverhalten und hohe Synchronität sowie ein sehr gutes Verhältnis von Preis und Perfomance. Modularisierung und Flexibilisierung der Maschinen erfordern andere Konzepte und Technologiefunktionen, wie elektronische Kurvenscheiben. Die klassische, mechanische Aufteilung in Haupt- und Hilfsantrieb gilt daher kaum noch.
elektro AUTOMATION: Servoantriebe sind heute aus modernen Maschinen nicht mehr weg zu denken. Welche Vorteile bieten sie den Maschinenbauern?
Bernhardt (Siei-Areg): Sie verfügen über eine genauere Regelgüte und kompakte Bauformen. Zudem lassen sich mit Servoantrieben Energieeinsparungen erzielen, sie können in vielen verschiedenen Einsatzgebieten genutzt werden, haben eine schnelle Verfügbarkeit (ab Lager) und zudem sind viele Schnittstellen (digital, analog, Bus…) für sie verfügbar.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Wie bereits erwähnt liegt der Vorteil darin jede einzelne Bewegungsachse als eigenständige mechanische Einheit zu entwickeln und die für den Produktionsprozess notwendige Synchronisation bzw. Kopplung mehrerer Bewegungsachsen auf der rein elektrischen Seite über eine echtzeitfähige Feldbus-Schnittstelle, z.B. EtherCAT, zu realisieren. Hierdurch können moderne Maschinen modular, flexibel und letztendlich auch kostengünstig aufgebaut werden.
Brucksch-Richter (A-Drive): Hier gibt es den Trend zur Miniaturisierung und Achsvereinzelung. Die hohe Leistungsdichte gibt den Antrieben eine von anderen Antriebstechnologien nicht zu erreichende Kompaktheit. Die sinkenden Leistungen durch die Achsvereinzelung machen diese kleinen Leistungsträger zum idealen Partner.
Dietz (SEW-Eurodrive): Die erhöhte Leistungsdichte der Servomotoren ergibt eine kompakte Bauform und damit geringeren Bedarf an Einbauraum in Maschinen und Anlagen. Die standardmäßig unbelüftete Ausführung lässt den Einsatz in luft-kritischen Anwendungen zu. Die Leistungselektronik in Verbindung mit modernen Mensch-Maschinen-Schnittstellen erhöht den Bedienungskomfort und damit die Verwendbarkeit.
Funk (Lenze): Neben den genannten Vorteilen, wie größere Flexibilität, höherer Durchsatz und bessere Qualität, erhöht der Einsatz von Servotechnik die Usability für Anwender. Denn es ist für den Maschinenbauer damit einfacher, die durch den Einsatz vieler Einzelantriebe gestiegene Komplexität der Maschine zu beherrschen.
Goergen (Pilz): Die Vorteile liegen auf der Hand: Servoantriebe haben nur 30 Prozent des Bauvolumens, dafür aber eine 30mal höhere Beschleunigung. Sie sparen bis zu 50 Prozent der Energie ein, bieten Positionsregelung, sind viel leiser, benötigen keinen Lüfter, der Staub aufwirbelt. Das sind nur die wichtigsten Vorteile.
Kobusch (Bosch Rexroth): Zugunsten einer höheren Flexibilität lassen sich nun mechanische Komponenten wie mechanische Endschalter, Kurvenscheiben durch Software-Funktionen ersetzen. Den diesbezüglichen Programmieraufwand minimieren offene Schnittstellentechnologien wie Open Core Interface for Drives, indem sie den Entwicklern etwa die Effizienz der modernen Hochsprachen eröffnen. Lokale und globale Datenanalysen im Sinne von Industrie 4.0 lassen sich darüber ebenfalls schnell, einfach und sicher umsetzen. Multi-Ethernet-Schnittstellen senken weitere Hürden für eine durchgängige Vernetzung. Darüber hinaus ergeben sich zahlreiche Vorteile bezüglich Maschinensicherheit, im Vergleich zur Pneumatik auch in Sachen Energieeffizienz.
Lieber (Schneider Electric): Servoantriebssysteme haben sich in der Industrie vor allem im Maschinenbau bewährt. Überall, wo es auf genaue Positionierung oder die Einregelung eines bestimmten Zustandes wie Geschwindigkeit oder Position ankommt, können Servomotoren überzeugen. Sie bieten daher nicht nur in Bezug auf den Energieverbrauch, sondern auch beim Funktionsumfang und der Beschaffenheit Vorteile. Zudem schonen definierte Geschwindigkeitsverläufe dank Servoantrieb Maschine und Werkzeug.
Rapp (AMK): Neben den bereits erwähnten Vorteilen, wie hohe Präzision und Verwendung von Technologiefunktionen können Formatwechsel bzw. Rezepturänderungen per -Software eingespielt werden, was wiederum eine Zeitersparnis und Effizienzsteigerung für den Maschinenbauer bedeutet. Auch die Gewinnung von Prozessdaten ist ein elementarer Grundsatz für IoT-fähige Produktionsanlagen.
Unger (Yaskawa): Neben der Hauptaufgabe, dem hochgenauem und hochdynamischen Antreiben von Lasten, kommen viele Funktionen hinzu, die dem Anwender einen entscheidenden Zusatznutzen bieten: Servoantriebe arbeiten verschleißfrei über die gesamte Lebensdauer. Sie ermöglichen das Sammeln von Daten über die Mechanik – Stichwort Condition Monitoring. Sie gewährleisten Synchronität über viele Achsen. Sie erlauben die Modularisierung der Maschinen. Zudem lassen sie sich durch Parametrierung, Remote Maintenance etc. schnell an geänderte Konfigurationen anpassen. Und nicht zuletzt zeigen sie eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringen Gesamtbetriebskosten.
elektro AUTOMATION: Servosysteme bestehen ja nicht nur aus Servomotor und Servoverstärker. So ist für den Betrieb eines solchen Systems etwa ein Gebersystem erforderlich. Macht das diese Technik nicht unnötig komplex und damit auch teurer als „konventionelle“ Lösungen (z.B. Schrittmotoren)?
Bernhardt (Siei-Areg): Nein, heutige Servoregler sind meist schon mit einer Geberauswertung ausgestattet. Die Inbetriebnahme ist dank der einfachen Bedienprogramme und Selbstlernroutinen einfach gestaltet.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Die Frage stellt sich eigentlich nur, wenn man Anwendungen betrachtet, bei denen die technischen Anforderungen auch durch ‚konventionelle‘ Lösungen gewährleistet werden. Stehen Leistungsdichte, Dynamik und Genauigkeit im Vordergrund können diese Lösungen nicht zum Einsatz kommen, sodass die vermeintlichen Nachteile von Servoantriebssystemen von untergeordneter Bedeutung sind. Wie in vielen anderen Fällen ist immer eine ganzheitliche Betrachtung notwendig.
Brucksch-Richter (A-Drive): Das für die Regelung erforderliche Gebersystem und die damit verbundenen Kosten waren immer der Wermutstropfen des Servoantriebs. Dies hat sich durch neue kostengünstige magnetische Geber oder die bei Synchronmotoren gute geberlose Regelung relativiert. Die technische Komplexität hat sich durch Forderungen nach Sicherheitstechnik, Kommunikation und Vernetzung weit über die des geregelten Antriebes gesteigert. Dadurch sind die Systemkosten in den Vordergrund getreten und hier kann der Servoantrieb durch motorintegrierte Lösungen zusätzlich punkten.
Der Vergleich mit Schrittmotoren hinkt ein wenig, da es sich hier um ein gesteuertes System mit stark eingegrenztem Einsatzbereich handelt. Durch den Wirkungsgrad des Schrittmotors ist ein Einsatz nur im unteren Leistungsbereich und hier zum Positionieren sinnvoll. Hier ist der Schrittmotor bei Kosten und Genauigkeit, besonders wenn es um Achssynchronisation geht, unschlagbar.
Dietz (SEW-Eurodrive): Die Notwendigkeit einer Lage-/Positionierrückmeldung ergibt sich aus den Anforderungen der Anwendung. Präzise Positionierungen im µm-Bereich oder Bahnkurven mit kreuzenden Bewegungen lassen sich ohne Geber im Servomotor nicht realisieren. Zudem erfordert Spannungsfreiheit oft die absolute Kenntnis der letzten Position, was wiederum physikalische Gebersysteme erfordert. Geringere Positions- oder Bewegungsbedarfe können jedoch heute schon aufgrund hoher Prozessorleistung in der Elektronik auch ohne physikalische Drehzahl- oder Rotorlagerückführung errechnet werden.
Funk (Lenze): Ganz klar: Nein. In den vergangenen Jahren ist die Funktionalität von Servoantriebssystemen gestiegen und der Preis gleichzeitig deutlich gesunken. Zudem werden heute mehr denn je die Life-Cycle-Costs (LCC) der Maschine betrachtet und in die Entscheidung einbezogen. Hier bietet die Servotechnik wesentliche Vorteile, insbesondere wenn man auch noch die höhere Energieeffizienz in Betracht zieht. Zudem dürfen wir bei der Diskussion nicht außer Acht lassen, was der Maschinenbauer für sein Geld bekommt. Dynamik und Genauigkeit der Bewegungsführung bei größtmöglicher Flexibilität können heute in der Breite genutzt werden. Und noch ein Vorteil: dort, wo der Werker eng mit der Maschine kooperieren muss, liefert die Servotechnik durch die integrierten Sicherheitsfunktionen einen ganz wesentlichen Beitrag. Solche Anwendungen wären nämlich durch Motoren ohne Gebersystem praktisch gar nicht realisierbar.
Goergen (Pilz): Im Grunde stellt sich diese Frage nicht. Bei heutigen Maschinenkonzepten ist ein Geber obligatorisch. Es ist also vielmehr umgekehrt: Die Geber kommen nun auch in Schrittmotoren und in der Asynchron-Technik zum Einsatz. Die Kosten für den Geber amortisieren sich dank der gesteigerten Produktivität innerhalb kürzester Zeit. Ein Trend ist, die Geberleitung in die Motorleitung zu integrieren, also eine Einkabellösung. Damit ist der eigentliche Nachteil, die doppelte Leitungsführung verschwunden.
Kobusch (Bosch Rexroth): Geberlose Systeme stellen nur bedingt eine Alternative dar, da sie sich nur für einfache Anwendungen mit geringen Präzisions- und Sicherheitsanforderungen eignen. Moderne Servomotoren wie beispielsweise unser MS2N aus der IndraDyn-S-Familie mindern die Komplexität, beispielsweise durch Hybridkabel als bis zu 75 m lange Einkabellösung für Leistung und Gebersignale. Zudem können intelligente Servomotoren die Funktion eines zuverlässigen Sensors oder einer Datenquelle für eine Informationsverarbeitung in Echtzeit übernehmen.
Lieber (Schneider Electric): Viele Applikationen weisen eine hohe Dynamik auf und verlangen nach einer präzisen Positionierung – das ist ohne ein Gebersystem unmöglich. Auch sicherheitstechnische Gründe sprechen für Gebersysteme. Jedoch gibt es auch einfachere Anwendungen, die man beispielsweise mit einem geberlosen Servomotor wie unserem Lexium BMP im Zusammenspiel mit unseren Altivar-Frequenzumrichtern realisieren kann.
Rapp (AMK): Im Gegenteil, die Technik wird durch Gebersysteme mit elektronischen Typenschildern, die die Parametrierung des Antriebssystems übernehmen einfacher in der Anwendung und schließlich kostengünstiger. Da die Elektronik immer günstiger verfügbar ist, werden heute zunehmend Funktionseinheiten von Servoverstärker mit Servomotor in einer baulichen Einheit für dezentrale Lösungen eingesetzt.
Unger (Yaskawa): Wird eine hohe Dynamik mit hoher Regel-, Positionier- und Wiederholgenauigkeit gefordert, ist ein Gebersystem unumgänglich. Für sehr einfache Anwendungen können viele Servoantriebe aber auch geberlos betrieben werden. Darüber hinaus existieren verschiedene Arten von Gebern am Markt, die sich in Wirkprinzip, Auflösung und vor allem im Preis unterscheiden.
elektro AUTOMATION: Inzwischen gibt es Software-gestützte Technologien, die Aufgaben wie das präzise Positionieren und Synchronisieren via Frequenzumrichter kostengünstiger und einfacher durchführen als die hochkomplexe Servotechnik. Zudem benötigen diese Lösungen keinen Drehgeber als Rückführsignal. Werden solche Lösungen die Servotechnik in absehbarer Zeit verdrängen bzw. ablösen?
Bernhardt (Siei-Areg): Nein, da die wirklich dynamischen Applikationen die Eigenschaften und Vorteile von synchronpermanenterregten Lösungen zwingend erforderlich machen.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Aus meiner Sicht nicht, da die Anforderungen in Bezug auf Dynamik und Genauigkeit in fast allen Produktionsbereichen auch in Zukunft stetig steigen werden. Es ist richtig, dass zum Beispiel geberlose Positionierantriebe aus Kostengründen klassische Servoantriebssysteme ersetzen, jedoch steigt auf der anderen Seite gleichzeitig der Bedarf für immer präzisere Positionierantriebe bei denen es um Mikrometer bzw. sogar um Nanometer geht. Man kann daher eher von einer Verschiebung der Applikationsbereiche sprechen.
Brucksch-Richter (A-Drive): Von einem Ersetzen kann hier nicht gesprochen werden. Jede Antriebstechnologie hat ihren abgegrenzten Einsatzbereich. Nur bei richtigem Einsatz können Kostenziele erreicht und die Wettbewerbsfähigkeit erhalten werden. Wenn Sie von Positionieren und Synchronisieren mit Frequenzumrichter reden, handelt es sich um ein geregeltes System. Hier sind die Grenzen zwischen Servoregler und Umrichter nur noch qualitativer Natur. Hier ist es die erforderliche Regelgüte die entscheidet, welche Technologie eingesetzt werden muss. Dass diese Abgrenzung verschwunden ist, sieht man an dem Produktangebot der großen Hersteller, die einheitliche Hardware anbieten, die sich über die Software in Preis und Eigenschaften unterscheidet. Hochkomplex sind Servoantriebe erst in Europa geworden. Die in Amerika übliche Bezeichnung BLDC (Bürstenlose Gleichstommotoren) bezeichnet die Einfachheit des Servosystems bei dem Spannung proportional zur Drehzahl und der Strom proportional zum Moment ist.
Dietz (SEW-Eurodrive): Ja und Nein. Die Lösungen der Anwendungen waren nie statisch. Die Innovationen in der Servotechnik haben in der Vergangenheit immer wieder zu Veränderungen bei der Auswahl der Antriebstechnik geführt. So wie ‚von unten‘ einfache Systeme auch ohne Gebersysteme für einfache Positioniervorgänge verwendungsfähiger werden, ergeben sich ‚oben‘ weitere Einsatzfelder mit Gebern für Lösungen mit komplexen dynamischen Positionierungen. Aber: warum sollten einzelne Komponenten verwendet werden, wenn mechatronische Antriebseinheiten bereits Getriebe und Motor und (Geber und) Elektronik alles ‚on-board‘ – in einem Gerät – aus einer Hand bieten?
Funk (Lenze): Ganz bestimmt nicht. Denn in den verschiedenen Klassen der Antriebstechnik haben sich in den vergangenen Jahren – auch getrieben durch die gestiegene Erwartungshaltung der Anwender – die Preise deutlich reduziert und die Performance gleichzeitig gesteigert. Das ‚Preis-Leistungs-Spektrum‘ verschiebt sich mit der Zeit, aber unterschiedliche Performanceklassen wird es dauerhaft geben. Wenn ich den Vergleich zu Automobilen ziehen darf: Was ich vor zehn Jahren mit einem Passat bekommen habe, ist heute in der Golf-Klasse üblich, und in zehn Jahren mit einem Lupo.
Goergen (Pilz): Es hängt immer von der jeweiligen Anwendung ab, welche Lösung am besten geeignet ist. Bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit wie beispielsweise bei CNC-Maschinen oder dem typischen Maschinenbau ist ein Geber unersetzlich. Bei einfacheren Anwendungen, wie etwa das Vereinzeln von Zeitungen, reichen geberlose Systeme aus. Darüber gibt es weitere Trends wie Reluktanz-Motoren und Asynchronmotoren mit Feedback, die wiederum für andere Anwendungen optimal geeignet sind.
Kobusch (Bosch Rexroth): Hier gilt es zu unterscheiden. Der Einsatz von Frequenzumrichtern empfiehlt sich vorwiegend für einfache Anwendungen mit Dauerbetrieb. Geht es hingegen um dynamische Anwendungen und höhere Anforderungen an die Sicherheitstechnik, ist die Servotechnik das Mittel der Wahl.
Lieber (Schneider Electric): Wohl kaum. Lösungen ohne Drehgeber können nur bei niedrigen Anforderungen an Dynamik und Positioniergenauigkeit eingesetzt werden. Jedoch besitzen auch unsere Servoverstärker Lexium 62 eine Frequenzumrichter-Funktion, mit der sich einfachere Anwendungen mit Asynchronmotoren umsetzen lassen. Der Vorteil: Standardisierte Servoverstärker für eine große Vielfalt an Motoren.
Unger (Yaskawa): Es gibt zunehmend eine Überlappung zwischen Servoantrieben und Frequenzumrichtern im unteren Funktionsbereich, was die Drehzahl- und Positioniergenauigkeit angeht. Der technologische Fortschritt bezüglich Sensorik, Prozessoren und Leistungselektronik macht es möglich, viele neue Funktionen in Frequenzumrichter zu integrieren. Bei Dynamik (Beschleunigung) und Präzision (Positionier-/Wiederholgenauigkeit) sind Frequenzumrichter Servoantrieben unterlegen. Zudem zeichnen sich Servoantriebe durch einen deutlich höheren Drehzahlstellbereich aus. Somit haben beide Arten elektrischer Antriebe aufgrund ihrer Stärken unterschiedliche, spezifische Einsatzbereiche, je nach konkreter Anforderung.
elektro AUTOMATION: Bei den Servoantrieben unterscheidet man zwischen synchronen und asynchronen Servomotoren sowie synchronen Linearmotoren. Wie unterscheiden sich diese drei Typen hinsichtlich Leistung und Anwendungsspektrum?
Blankenburg (Sieb & Meyer): Rotative Asynchron-Servomotoren werden häufig in eher einfachen und kostengünstigen Systemen eingesetzt, ihre Leistungsdichte ist schlechter als die von Synchron-Servomotoren, sodass auch das Bauvolumen größer ist. Da bei den Asynchron-Servomotoren keine Magnete aus Seltenen-Erden notwendig sind, gab es auf Grund der zwischenzeitlich stark gestiegen Magnetpreise eine kleine Renaissance bei diesen Motorausführungen. Geht es um eine möglichst hohe Leistungsdichte bei rotativen Anwendungen, spielt der Synchron-Servomotor seine Vorteile aus. Die linearen Servomotoren spielten ihre Vorteile bei Anwendungen mit hochdynamischen und -genauen Linearbewegungen aus, da diese Antriebssysteme keine negativen Einflüsse von Getrieben oder Kugelgewindetrieben aufweisen.
Brucksch-Richter (A-Drive): Der Unterschied zwischen synchronen und asynchronen Servomotoren ist bei der Charakteristik die Leistungsdichte und der Drehzahl-Momenten-Verlauf. Beim Aufbau ist es die Erzeugung des Gegenfeldes durch Induktion oder durch Permanentmagnet, was einen hohen Einfluss auf die Kosten hat. Daher werden asynchrone Servomotoren vor allem bei hohem Leistungsbedarf eingesetzt oder wenn hohe Leerlaufdrehzahlen weit über der Nenndrehzahl erforderlich sind. Synchron Linearmotoren sind quasi aufgerollte permanenterregte Servomotoren, bei denen anstelle des Momentes eine Linearkraft entwickelt wird. Diese Linearantriebe zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und höchste Dynamik bei reinen Linearbewegungen aus.
Dietz (SEW-Eurodrive): Mit asynchronen Servomotoren lassen sich auch hohe externe Massenträgheitsverhältnisse sehr gut regeln und positionieren. Sie können kostengünstig bis zu großen Drehmomenten gebaut werden, weil keine teuren Magnetmaterialien berücksichtigt werden müssen. Reichen selbst die dynamischen Eigenschaften der rotativen Bewegung eines synchronen Servomotors – umgesetzt in die Positionierung – nicht mehr aus, kann mit dem Linearmotor direkt die translatorische Bewegung erzeugt werden.
Funk (Lenze): Hierbei überlagern sich zwei Fragestellungen, nämlich die mechanische Sicht (rotatorische und lineare Antriebstechnik) und die physikalische (synchrones und asynchrones Prinzip). Versuchen wir diesen beiden Sichten im Hinblick auf die Einsatzmöglichkeiten zu charakterisieren, dann stellen wir fest, dass synchrone Prinzipien eine höhere Dynamik ermöglichen. Das liegt an den üblicherweise verwendeten Permanentmagneten, durch die eine deutlich höhere Leistungsdichte und damit ein höheres Beschleunigungsvermögen realisierbar sind. Das wiederum ermöglicht kurze Taktzeiten und einen entsprechend höheren Durchsatz. Bei asynchronen Konzepten sind üblicherweise der konstruktive Aufbau und die Herstellung deutlich einfacher, sie ermöglichen aber entsprechend auch nur wenig kompakte Lösungen bzw. geringere Performance. Zudem erfolgt die Entscheidung für lineare Aktoren normalerweise dann, wenn eine sehr hohe Dynamik und Präzision gefragt ist. Anwendungsbeispiele sind in der Glasbearbeitung oder der Halbleiterindustrie zu finden. Ein wesentlicher Anwendungsvorteil ist, dass man ohne weitere mechanische Übertragungselemente wie Getriebe auskommt. Diese würden nämlich zusätzliche Ungenauigkeit ins System bringen. Ähnliche Trends sind auch bei rotatorischen Antriebssystemen erkennbar, den Direktantrieben, auch Torque-Motoren genannt. Hierbei handelt es sich zumeist um hochpolige Motoren, die mit geringen Drehzahlen bei hohen Drehmomenten betrieben werden. Die eher ungenaue Getriebeübersetzung wird ersetzt.
Goergen (Pilz): Diese vermeintliche Typenvielfalt entstammt dem unterschiedlichen Sprachgebrauch der verschiedenen Hersteller. Ein Servomotor hat klassisch eine permanente Erregung. Somit ist er kleiner und hat einen besseren Wirkungsgrad. Ein Asynchron-Motor mit Feedback ist noch lange kein Servomotor.
Kobusch (Bosch Rexroth): Synchronservomotoren eignen sich vorwiegend für dynamische Anwendungen im kleinen bis mittleren Leistungssegment, wobei Bausatzmotoren die höchsten Drehmomente und die beste Maschinensteifigkeit erreichen. Die Stärke der asynchronen Servomotoren liegt weniger in der Dynamik, denn in ihrer Leistungsfähigkeit. Linearmotoren schließlich erfüllen gleichzeitig höchste Ansprüche an Dynamik, Kraft und Präzision.
Lieber (Schneider Electric): Das Anwendungsgebiet von synchronen Servomotoren sehe ich hauptsächlich dort, wo hohe Dynamik, hohe Positioniergenauigkeit oder Überlast gefordert sind. Asynchronmotoren eignen sich für einfache, drehzahlgesteuerte Applikationen wie Bandantriebe oder Lüfter.
Rapp (AMK): Asynchrone Servomotoren überzeugen bei Laufruhe und Drehzahlkonstanz. Bei dynamischen Anwendungen sind Synchron-Servomotoren aufgrund ihrer Leistungsdichte ideal. Zwar bieten Linearmotoren auch eine hohe Dynamik, aber aufgrund der Defizite bei den Kräften, der Inflexibilität und dem nötigen Einsatz von Aktivmaterial im gesamten Verfahrbereich sind sie recht kostspielig. Ein Direktantrieb oder mechatronische Einheiten bestehend aus Synchron-Servomotor und wenig mechanischen Elementen bieten eine optimale Lösung für Servoanwendungen.
Unger (Yaskawa): Linearantriebe werden für direkte translatorische Anwendungen eingesetzt. Der Vorteil hier besteht u.a. in den sehr hohen Beschleunigungen und je nach Encodersystem Positioniergenauigkeiten bis in den Nanometerbereich. Ersteres reduziert Taktzeiten von Maschinen, letzteres erfüllt höchste Anforderungen an die Präzision. Asynchronmotoren werden aus Kostengründen üblicherweise bei höheren Leistungen und gleichzeitig niedrigeren Anforderungen an die Dynamik eingesetzt.
elektro AUTOMATION: Welche Nachteile – abgesehen vom hohen Preis – haben Servoantriebssysteme (Dynamik, Regelgüte, Verschleiß, etc.)?
Bernhardt (Siei-Areg): Persönlich sehe ich keine Nachteile abgesehen vom Preis. In einigen Applikationen kann das Rastmoment ein Problem werden. Aber auch dies ist mit Geld zu beheben. Unter Umständen kann bei geringem Platz die Anbringung des Drehgebers ein Problem sein. Auch gibt es EMV-Probleme wenn das Kabel des Drehgebers nicht ordnungsgemäß verlegt wurde.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Um nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen, kann diese Frage eigentlich nur unter der Voraussetzung beantwortet werden, dass anwendungsseitig die Vorteile eines Servoantriebssystems grundsätzlich benötigt werden. Ist dies der Fall, bleibt die Achillesferse des Systems das Gebersystem, da ein einwandfreier Betrieb nur sichergestellt ist, wenn der Servoverstärker ein einwandfreies Gebersignal bereitgestellt bekommt. EMV-Störungen und Kabelbrüche sind typische Fehlerbilder, die die Verfügbarkeit von Servoantriebssystemen negativ beeinflussen können.
Brucksch-Richter (A-Drive): Eigentlich keine außer der Sorge, dass durch den steigenden Einsatz in der Elektromobilität Ressourcen knapp werden.
Dietz (SEW-Eurodrive): Servoantriebe sind hochwertig gebaut und haben eine lange Lebensdauer. Aufgrund der kompakten Konstruktion sind Service- und Wartungsarbeiten nur mit den entsprechenden Kenntnissen und Werkzeugen durchführbar. Bei gebergeführten Systemen sind gegebenenfalls Justierungen erforderlich.
Funk (Lenze): Wenn man den Preis denn als Nachteil sehen will – ansonsten fällt mir wirklich nichts ein.
Goergen (Pilz): Wie erwähnt lässt sich das Problem der doppelten Leitungsführung lösen – Stichwort Einkabellösung. Bei einem richtig ausgelegten Servo-System gibt es keine nennenswerten Nachteile. Allenfalls bei einer länger andauernden Temperatur von 100°C im Motor kann es Probleme geben, da Servomotoren mit Feedback temperaturempfindlicher sind als Asynchronmotoren. Meist liegt die Hitzeentwicklung aber an der falschen Auslegung des Motors.
Kobusch (Bosch Rexroth): Im Falle moderner Antriebskonzepte sehe ich keinerlei Nachteile.
Lieber (Schneider Electric): Servoantriebe haben keine spezifischen Nachteile gegenüber anderen Antrieben. Auch die Investitionskosten sind keine Hürde mehr, da sie mittlerweile gefallen sind. Dank ihrer Energieeffizienz holen sie die Investitionskosten verteilt über die Lebensdauer oft wieder rein.
Rapp (AMK): Gerade bei Dynamik und Regelgüte können Servoantriebssysteme ihre Vorteile ausspielen. Wichtigste Voraussetzung dabei ist allerdings eine korrekte, anlagenspezifische Auslegung.
elektro AUTOMATION: In welchen Branchen werden Servoantriebssysteme typischerweise eingesetzt und gibt es Einsatzfelder für die sich diese Systeme besonders gut eignen bzw. solche in denen sie ungeeignet sind?
Bernhardt (Siei-Areg): Mittlerweile werden Servoantriebssysteme überall eingesetzt. In der kunststoffverarbeitenden Industrie, Metallverarbeitung, als Synchronwinde, Gearless, in der Aufzugsbranche, in Handhabungs- und Transportanlagen, in Industrierobotern, in Verpackungs- und Druckmaschinen sowie als Vorschubantrieb in Werkzeugmaschinen.
Blankenburg (Sieb & Meyer): Aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen, Roboter, etc.; letztendlich aus allen Anwendungsfeldern bei denen eine hochdynamische und -genaue Positionierung benötigt wird, sind Servoantriebssysteme nicht mehr wegzudenken. Steht bei den Anwendungen eher der drehzahlvariable Betrieb von Motoren im Vordergrund, etwa bei Bearbeitungsspindeln in Werkzeugmaschinen, können Lösungen mit Frequenzumrichtern die bessere Wahl sein, speziell wenn man Motoren mit hohen Drehzahlen, im Bereich 10.000 1/min, betreibt. Im Fall der Antriebsverstärker aus dem Haus Sieb & Meyer sind heute der Servoverstärker und der Frequenzumrichter zu einem Gerät verschmolzen, welches letztendlich die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Gerätegattung über softwareseitige Antriebsfunktionen bereitstellt. So können geberbehaftet Synchron- und Asynchron-Servomotoren auf der einen Seite und geberlose Synchron- und Asynchron-Motoren bis 120.000 1/min. auf der anderen Seite mit demselben Gerät betrieben werden.
Brucksch-Richter (A-Drive): Generell ist die Automation in allen Branchen der typische Einsatzbereich für Servoantriebssysteme, da sie sich durch die Eigenschaften bestens hierfür eignen. Ungeeignet sind sie eigentlich nur außerhalb des für diese Technologie geeigneten Leistungsbereiches.
Dietz (SEW-Eurodrive): Servomotoren finden sich heutzutage in allen Branchen und Anwendungen, denn viele Hersteller bieten mehrere Ausführungsarten der Technik an. Neben höchstdynamischen trägheitsarmen Motoren mit einer hohen Spitzenüberlastfähigkeit kommen andere Auslegungen zu gemäßigten Überlastverhalten, das aber über ein breites Drehzahlband zur Verfügung steht. Die Grenzen sind fließend. Letztlich entscheidend sind neben der geforderten Dynamik, dem zur Verfügung stehenden Einbauraum und dem Qualifizierungsgrad der Mitarbeiter am Einsatzort auch die Investitionskosten.
Funk (Lenze): Durch die beschriebenen Vorteile hinsichtlich Dynamik, Präzision und Flexibilität hat die Servotechnik mittlerweile alle Branchen des Maschinenbaus erobert. Beispielhaft können hier die Verpackungsindustrie, die Montagetechnik sowie Handhabungssysteme genannt werden. Insbesondere die Funktionen moderner Roboter wären ohne Servoantriebssysteme gar nicht denkbar. Aber auch in der Intralogistik gibt es heute Anwendungsbereiche. Ein Beispiel sind Regalbediengeräte, deren Genauigkeit und Geschwindigkeit beim Anfahren einer Lagerposition einen ganz wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Lagers hat. Durch die Integration von Zusatzfunktionen, beispielsweise im Bereich der funktionalen Sicherheit, können im Maschinenbau weitere neue Anwendungen erschlossen werden. Der Siegeszug der Servotechnik geht also weiter.
Goergen (Pilz): Hier gibt die Marktstudie „Servoantriebe 2015“ von Michaela Rothhöft eine sehr gute Übersicht.
Kobusch (Bosch Rexroth): Prädestiniert ist die Servotechnik für den Einsatz in der Druck-, Verpackungs- und Textilindustrie sowie in Werkzeugmaschinen, Robotik und Handling. Weitere Domänen bilden Montage-, Kunststoff- und Spritzgussmaschinen. Last but not least spielt die Servotechnik auch eine zentrale Rolle bei der Elektrifizierung der Hydraulik, insbesondere als Bestandteil hochdynamischer drehzahlvariabler Pumpen. Weniger in Frage kommen für die Servoantriebstechnik Anwendungen mit kontinuierlicher Last wie zum Beispiel Rührwerke, Förderbänder, Pumpen oder Lüfter.
Lieber (Schneider Electric): Servoantriebssysteme finden klassischerweise im Maschinenbau und der Robotik Anwendung. Generell eignen sie sich auch für hochsynchrone, dynamische oder auch sicherheitskritische Anwendungen, etwa für Verpackungsaufgaben und auch bei Industrierobotern – im Prinzip überall, wo es auf genaue Positionierung oder die Einregelung eines bestimmten Zustandes wie beispielsweise Geschwindigkeit geht.
Rapp (AMK): Die Einsatzgebiete nach Branchen zu trennen ist natürlich sehr schwer. Grundsätzlich können hier alle Branchen genannt werden, in denen ein hoher Automatisierungsgrad besteht und natürlich alle, in denen es auf eine hohe Präzision oder Energieeffizienz ankommt.
Unger (Yaskawa): Servoantriebe werden vorrangig in nahezu allen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt – und zwar überall dort, wo hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit bestehen, so z.B. in der Verpackungsindustrie, bei der Holz-und Glasbearbeitung sowie bei Werkzeugmaschinen oder in der Robotik. Immer wenn Präzision in Position, Synchronität und Dynamik gefordert ist, sind Servoantriebe die richtige Wahl. Bei Anwendungen, die relativ einfache und wenig dynamische Bewegungsprofile erfordern, sind Servoantriebe hingegen oftmals nicht notwendig. Solche Anwendungen sind z.B. Pumpen, Lüfter, Kompressoren oder Aufzüge. jg

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