Klein und einfach zu produzieren

Bei speziellen Kundenprojekten entstehen oft innovative Lösungen. So bei dem Systemhaus A-Drive geschehen im Fall des dezentralen Servoantriebs Pegasus, den das Unternehmen im Jahr 2014 auf den Markt gebracht hat. Alles begann mit einer Anfrage eines führenden Herstellers von Verpackungsmaschinen. Dort war man ursprünglich auf der Suche nach einer gut regelbaren Lösung, die in einer Inspektionsmaschine die Drehteller eines Karussells antreiben sollte. Je nach Durchmesser benötigte der Hersteller auf einem Karussell 32 bis 96 Drehteller-Antriebe. Diese mussten untereinander vernetzt, aber einzeln ansteuerbar sein – nur so ist ein kontinuierlicher Prozessablauf gewährleistet. A-Drive empfahl den Einsatz eines dezentralen Antriebs, weil ein solches Konzept den Aufwand für Installation und Inbetriebnahme auf ein vertretbares Maß reduziert. Zudem bietet die Kombination von Mechanik, Motor, Geber, Regel-Elektronik, Software und Kommunikation in einer Einheit viele Vorteile. Nicht zuletzt überzeugen dezentrale Servoantriebe mit sehr kurzen Anregelzeiten.

Zunächst implementierte man bei der geplanten Inspektionsmaschine einen klassischen Servoantrieb, der die Funktion auch erfüllte. Jedoch: Ein Serieneinsatz war wegen des Preises und der Baugröße nicht vorstellbar. Der für Servoantriebe typische modulare Aufbau, die optionale Erweiterbarkeit sowie der Fokus auf Performance und Funktionalität ergaben eine relativ teure und nicht besonders kompakte Lösung. Deswegen entschied man sich für ein mechatronisches Re-Engineering. Das Entwicklungsziel: Ein vollwertiger Servoantrieb, der bei minimalen Herstellungskosten ein breites Anwendungsspektrum abdeckt. Das wiederum erforderte einen hohen Standardisierungsgrad und ein Produktdesign, das sich einfach produzieren lässt.

Um dieses Ziel realisieren zu können, bildete A-Drive ein Projektteam. Die Expertise für die Entwicklung des Motors und der Software war im Unternehmen vorhanden, benötigt wurden jedoch zusätzlich auch Kenntnisse im Bereich der Serienfertigung, der Elektronik-Entwicklung und der Produktion. Eine Herausforderung stellte der Geber dar. Die üblicherweise verwendeten Geber erfordern – bedingt durch die Einbausituation – einen erweiterten Temperaturbereich und sind in Standardausführungen viel zu groß. Deshalb entwickelten die Experten einen integrierten magnetischen Geber. Die erzielte Auflösung von 14 bit (4096 IPU) ist höher als bei optischen Gebern oder kleinen Resolvern. Durch das magnetische Prinzip ist dieser Geber verschleißfrei und temperaturstabil, die Herstellungskosten liegen weit unter denen vergleichbarer Geber. Das Kommutierungssignal wird über Hall-Sensoren am Motor erzeugt. Die Verarbeitung der Signale erfolgt in einem schnellen Motion-Control-Processor MCU, der höchste Regelgüte im Momenten- und Geschwindigkeits-Regelkreis garantiert. Übergeordnet ist die Positionsregelung, die verschiedene Betriebsmodi unterstützt.

Anders als bei der ursprünglichen Lösung verzichtete man auf eine PLC-Funktionalität. Eine integrierte Steuerungsfunktionalität bedingt I/O-Erweiterungen, die wie auch die elektrischen Anschlüsse die Baugröße erhöhen. Integriert ist ein schneller PID-Regler, der Kraft, Geschwindigkeit und Lage kontrolliert. Abläufe und Synchronisation werden über eine Feldbus-Kommunikation gesteuert. Dabei wird als Standard Ethercat genutzt. Mit dem IEEE802.3-kompatiblen Frame, der auf Ethernet 100BASE-TX basiert, lassen sich Daten bis zu einer Kabellänge von 100 m übertragen. Auch ist eine Anbindung an das Datenprotokoll TCP/IP möglich. Dadurch kann auch die Parametrierung über Ethercat erfolgen. Durch die Struktur Canopen über Ethercat sowie die Aufteilung in eine Application- und eine Data-Link-Layer lassen sich mit dem DS402-kompatiblen Protokoll Automatisierungsaufgaben auf dem Datenbus abbilden. Beim CiA402-Profil lässt sich das PDO (Process Data Object) frei mappen. Erforderliche PDO-Daten werden periodisch zwischen der übergeordneten Steuerung und dem Slave ausgetauscht (read & write). Der Mailbox-Informationsaustausch findet nicht periodisch statt. Dadurch konnte auf die integrierte Steuerungsfunktionalität verzichtet werden, was den Antrieb kompakt und zuverlässig macht. Der Anschluss der Ethercat-Kommunikationsschnittstelle erfolgt über Standard-Stecker mit Status-LED. Nicht zuletzt erfüllt die Antriebslösung hohe Sicherheits-Standards: Der Pegasus hat die Sicherheitsfunktion STO (Safe-Torque-Off) eingebaut. Bei Eingang des Signals STO1/STO2 von einer Überwachung oder einem Sensor wird der Motor in weniger als 1 ms stromlos geschaltet und über Kurzschlussbremsung blockiert. Bei Synchron-Servomotoren ist das eine günstige Lösung, um mit dem induzierten Moment den Motor abzubremsen. Da bei Drehzahl 0 keine Induktion erfolgt, kann sich der Motor in bestimmten Fällen noch langsam drehen. Eine Haltebremse, die den Antrieb groß und teuer machen würde, kann in der Mehrzahl der Anwendungen entfallen. Insgesamt ist so eine kostengünstige, standardisierte Antriebslösung entstanden, mit der der Kunde Servotechnik zum Preis eines Schrittmotor-Antriebs erhält. Die Baureihe eignet sich nicht nur für den Antrieb von Drehteller-Karussells, sondern für diverse hochperformante Anwendungen. Der dezenrale Kleinservo ist in den zwei Baugrößen 40 und 60 mm erhältlich. Die Leistung liegt bei 50 bis 300 W, die Versorgungsspannung bei 24 bis 80 VDC. jg

A-Drive Technology GmbH

Taunusstein

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