Kleines Orchester – große Oper

Servoantriebe - Wittenstein cyber motor baut sein Kleinservoantriebssystem weiter aus. Die hochdynamischen Kleinservomotoren der Familie cyber dynamic line und die echtzeitfähigen Antriebsverstärker der Baureihe cyber simco drive bilden einen umfangreichen Baukasten.

30. Oktober 2019
Kleines Orchester – große Oper
Ein Hersteller von vollautomatischen Dosieranlagen für Reaktionsgießharze steuert mit der Kombination aus cyber dynamic line und simco drive die Material austragenden Exzenterschneckenpumpen. (Bild: Wittenstein)

Technologisch bilden die bürstenlosen Kleinservomotoren, auch in den Ausführungen als Linearaktuatoren mit integriertem Kugelgewindetrieb, sowie die Servoantriebsverstärker die aktuellen Technologie-Trends sowohl der Miniaturisierung als auch der Integrationsfreundlichkeit, Netzwerkfähigkeit und Intelligenz ab. In der Praxis eröffnen den bürstenlosen Kleinservomotoren diese Eigenschaften die unterschiedlichsten Einsatzfelder, beispielsweise als Servoantriebe für Exzenterschneckenpumpen zur Hochpräzisions-Dosierung von Reaktionsgießharzen, als mechatronische Komplett- lösung zur flexiblen Steuerung von Roboter-Greifelementen oder als reaktionsschnelle und hochgenaue Motion-Control-Einheiten in der Mikromontage von elektronischen Produkten.

Das Auge des Anwenders automatisiert mit

Das aktuatorische Element im Kleinantriebssystem-Baukasten bilden die industrietauglichen Kleinservomotoren der Familie cyber dynamic line. Alle vier Baugrößen (17 Millimeter, 22 Millimeter, 32 Millimeter und 40 Millimeter) besitzen ein hochwertiges und reinigungsfreundliches Edelstahl-Gehäuse, das über die moderne, schlanke Optik den technologischen Anspruch der Motoren unterstreicht.

Ob im Standardgehäuse, in der Inox-Ausführung oder im Hygienic Design – für ausgesprochen viele Anwender ist das formschöne Design ein wichtiges Argument, vor allem dann, wenn die Synchronmotoren sichtbar in die Anlagen oder in offene Maschinenstrukturen integriert werden.

Müssen die Antriebe zudem prozessbedingt in der Maschine mitbewegt werden, wie dies beispielsweise in Robotern der Fall ist, punkten sie mit ihrem geringen Gewicht. So wiegt ein Servomotor in Baugröße 32 gerade einmal 220 Gramm – und stellt dabei eine Nennleistung von 110 Watt zur Verfügung. Damit muss bei hoher Leistungsdichte in einer bewegten Achse nur vergleichsweise wenig zusätzliche Masse beschleunigt und gebremst werden, was mögliche Störgrößen minimiert, die auf die Mechanik einwirken.

Die hybride Einkabeltechnik trägt ihren Teil zur Gewichtsoptimierung bei und ermöglicht es, das Kabel platzsparend und oftmals unsichtbar zu führen – ein wichtiger Sicherheitsaspekt insbesondere in der kollaborativen Robotik.

Performance-Potenzial mit und ohne Planetengetriebe

Noch vor der optischen, technologieorientierten Anmutung kommt es den Maschinenbauern, Integratoren und Endanwendern jedoch auf die Performance der Kleinservomotoren an. Die cyber dynamic line ist für Leistungsbereiche zwischen 25 und 335 Watt konzipiert und zeichnet sich in jeder Baugröße durch ein optimales Leistungsverhältnis von Drehzahl und Drehmoment aus.

Mit der hohen Drehmomentdichte einher geht ein hoher Dynamikfaktor der massenträgheitsoptimierten Motoren. Dadurch sind sie nicht nur in der Lage, höhere Durchsatzleistungen und Taktraten zu erreichen, sondern eignen sich für schnelle Beschleunigungen ebenso wie für kurze Bewegungen mit häufigen Geschwindigkeitsänderungen – wie in Pick-and-Place-Anwendungen.

Je nach Aufgabenstellungen können die Motoren mit ein- bis dreistufigen Planetengetrieben zur Wandlung von Drehzahlen oder Drehmomenten versehen werden – mit Übersetzungsverhältnissen von i=4 bis i=100.

Zur Positionserfassung des Motors stehen drei Optionen zur Verfügung: zum einen ein Inkrementalgeber mit einer Auflösung von 1.024 Inkrementen, zum anderen ein integrierter Singleturn-Absolutwertgeber mit einer Auflösung von zwölf Bit oder – alternativ für die beiden leistungsstärksten Baugrößen – ein miniaturisierter, batterie- und getriebeloser Multiturn-Encoder in Energy-Harvesting- Technologie (Wiegand-Effekt) mit 16-Bit-Auflösung.

Kleinservomotoren mit integrierter Spindel

Ebenfalls Bestandteil des Kleinantriebssystem-Baukastens ist eine komplette Baureihe von cyber-dynamic-line-Kleinservomotoren mit integriertem Kugelgewindetrieb. Sie zielen insbesondere auf den Einsatz in hochdynamischen Positionierachsen von Maschinen und auf Montagesituationen mit geringem Bauraum ab.

Die Besonderheit im Vergleich zum Marktstandard: Der Gewindetrieb ist vollständig in das Aktuatorgehäuse integriert – Servomotor, Spindeltrieb, Linearführung und Gebersystem bilden eine geschlossene, hoch integrierte, einbaufertige und außerdem noch wartungsarme Einheit.

Es sind vier Baugrößen mit jeweils zwei Spindelsteigungen sowie zwei verschiedene Hublängen für Kurz- und Langhubanwendungen verfügbar. Interessant für den Maschinenbauer oder Integrator ist schließlich, dass diese Spindelantriebe in jeder beliebigen Einbaulage montiert werden können und eine Kraftwirkung sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung erlauben.

Linearaktuatorik ersetzt immer öfter Pneumatik

Insbesondere diese Ausführung der Kleinservomotoren mit integrierter Spindel ist dafür verantwortlich, dass immer mehr pneumatische Linearantriebe durch Servotechnik ersetzt werden. Im Gegensatz zu Pneumatikzylindern ermöglichen die elektrisch angesteuerten Linearaktuatoren in jeder Anwendung präzise und stufenlos regelbare Positioniervorgänge ohne Umrüstarbeiten an der Maschine. Sie eignen sich dadurch insbesondere für Anwendungen mit wiederkehrenden Formatwechseln.

»Servotechnik arbeitet nahezu wartungsfrei und geräuscharm – zwei Vorteile gegenüber Pneumatik.«

— Carolin Ank, Produktmanagerin, Wittenstein cyber motor GmbH

Die prinzipbedingt besser regelbare Servotechnik und die einfache Einbindung in die übergeordnete Steuerung ermöglichen reproduzierbare Prozesse, welche zudem sowohl weg- als auch kraftgesteuert dargestellt werden können.

Darüber hinaus sind cyber-dynamic-line-Kleinservomotoren mit integrierter Spindel leckagesicher und bieten eine deutlich höhere Energieeffizienz im laufenden Betrieb. Denn Druckluft ist nicht nur teuer in der Herstellung, sondern auch verlustbehaftet. Schließlich arbeitet Servotechnik nahezu wartungsfrei und geräuscharm – zwei weitere Vorteile gegenüber Pneumatik.

Servoregler für intelligente Integrationskonzepte

Der Servoregler simco drive ist das Motion-Control-Element im Kleinantriebssystem-Baukasten. Er ist auf einen Spannungsbereich von 24 bis 48 Volt DC und eine Spitzenleistung von 1,5 Kilowatt ausgelegt. Zwei Ausführungen stehen zur Verfügung: eine Schaltschrankversion in IP20 sowie eine Variante in Schutzart IP65 für die Montage im direkten Maschinenumfeld.

Für beste Konnektivität und eine echtzeitfähige Netzwerkintegration ist gesorgt, denn mit CANopen, EtherCAT, Profinet RT/IRT, EtherNet/IP und Sercos III stehen vielfältige Schnittstellen zu Feldbussen und Automatisierungssystemen als zentrale Motion-Steuerungen zur Verfügung. Gleichzeitig bietet der Servoregler die Option der dezentralen Ansteuerung der Kleinservomotoren, das heißt eines eigenständigen Positionierbetriebs. Unter der Bezeichnung Motion Tasks wird eine erweiterte Fahrsatztabelle angeboten, mit welcher komplexe Bewegungsabläufe abgebildet werden können.

Die Ablaufsteuerung der Motion Tasks kann ohne umfassende Programmierkenntnisse erstellt werden. Der Anwender kann dabei auf alle Parameter des Antriebs zugreifen und diese modifizieren.

Für höchste Sicherheit ist bei zentraler wie auch dezentraler Ansteuerung gesorgt: die integrierte Safety-Funktion STO (Safe Torque off), mit der die Energieversorgung des Antriebs sofort unterbrochen und das Erzeugen von Drehmoment im Motor verhindert wird, gewährleistet höchste Sicherheit gemäß SIL3 und PL e.

Hohe Messwertauflösung

Messtechnisch ist der Servoregler simco drive in Hochleistungsanwendungen zu Hause. So bietet er eine sehr hochauflösende Stromregelung mit bis zu 14 Bit, eine hohe Abtastrate von 32 kHz und eine High-Speed-Strommessung in weniger als acht Mikrosekunden. Das ist nicht nur ideal für eine hohe Dynamik im Stromregelkreis, sondern ermöglicht auch die Messung und Regelung der Drehmomente direkt über die Stromaufnahme. Ein separater Drehmomentsensor ist nicht erforderlich.

Darüber hinaus eröffnet die hohe Messwertauflösung des simco drive auch Möglichkeiten für das Condition Monitoring. Die Strommessung beim Initialisieren des Systems, während eines Prüflaufs oder im Betrieb kann sehr genau auf mögliche Störungen oder Prozessfehler hinweisen.

Lösungen ohne Schnittstellenrisiken

Je anspruchsvoller die Anwendungen sind, desto mehr wissen Maschinenbauer, Integratoren und Endanwender die Verfügbarkeit von Motor und Regler aus einer Hand zu schätzen – gewährleistet sie doch jederzeit technisch optimale Lösungen ohne jegliche Schnittstellenrisiken. Die beginnt mit der richtigen Kombination von Kleinservomotor und Servoregler. Sie ist unter anderem abhängig von der Aufgabenstellung, dem Einsatzumfeld, den Leistungsanforderungen und der Möglichkeit zum Downsizing der Antriebslösung. Hierbei können die Auslegungssoftware cymex 5 und Vorversuche bei Wittenstein wesentliche Hilfestellungen geben. Vor der erstmaligen Nutzung der mechatronischen Antriebslösung ist keine Parametrierung erforderlich, da sich Motor und Regler über ihr elektronisches Typenschild quasi per Plug-and-play abgleichen und so die Inbetriebnahme einer Anlage deutlich vereinfachen.

Eine hohe Genauigkeit beim Positionieren, die flexible Regelung von Prozessen und die Verbesserung der Produktivität sind die häufigsten Erwartungen an den Einsatz der Lösungen aus dem Kleinantriebssystem-Baukasten von Wittenstein cyber motor. Dies sei an folgenden drei Beispielen belegt.

Beispiel Dosieranlagen

Ein Hersteller von vollautomatischen Dosieranlagen für Reaktionsgießharze steuert mit der Kombination aus Kleinservomotor cyber dynamic line in Baugröße 40 und Servoregler simco drive die Material austragenden Exzenterschneckenpumpen. Durch die präzise Steuerung können Dosiermengen prozessgerecht geregelt, Mengentoleranzen minimiert und bei Kleinstmengen im Mikroliterbereich eine hohe Dosier- und Wiederholgenauigkeit erreicht werden.

Beispiel Handlingsystem

In einem Handlingsystem für das automatisierte Fertigen von CFK- und GFK-Bauteilen ermöglichen industrietaugliche Kleinservomotoren der Baureihe cyber dynamic line, jeweils in Verbindung mit einem kompakten Antriebsverstärker simco drive, präzise und filigrane Bewegungsabläufe, die stufenlos und unabhängig voneinander angesteuert werden können. Montiert sind die Motoren an einem flexiblen Greifelement, das verschiedene Zuschnitte des CFK- beziehungsweise GFK-Materials sowie PU-Kerne und Inserts aufnehmen und auf dem Werkzeug platzieren kann. Die Antriebe gewährleisten hierbei hochpräzise Positionierung der Vakuumsauger in horizontaler und vertikaler Ebene. Die Vorteile: höchste Präzision beim punktgenauen Greifen, Minimierung der bewegten Masse des Greifelementes durch den Einsatz gewichtsoptimierter Antriebe und hochgradig flexible Bewegungsführungen – die mit einer Ansteuerung über Pneumatik so nicht möglich sind.

Beispiel Schraubtechnik

Ein Unternehmen der Schraub- und Verbindungstechnik, unter anderem spezialisiert auf Kleinstschraubprozesse in der Mikromontage von Mobiltelefonen oder Hörgeräten, konnte mit den Kleinmotoren und Antriebsverstärkern von Wittenstein cyber motor eine interessante Lösung für das prozesssichere Bereitstellen, Eindrehen und Anziehen von Miniaturschrauben realisieren, wie sie es auf dem Beschaffungsmarkt bislang nicht gab.

Maßgebliche Vorteile der mechatronischen Antriebslösung in dieser Anwendung sind die bauraumsparenden Außenmaße der industrietauglichen Kleinservomotoren und ihre geringe Masse sowie intelligente Antriebsverstärker mit einer hohen Schaltfrequenz für kurze Taktzeiten, einer außergewöhnlich hohen Stromauflösung sowie mit programmierbaren Motion Tasks für die hochpräzise Steuerung der Zuführ- und Schraubbewegungen.

Der umfangreiche Baukasten des Kleinantriebssystems von Wittenstein cyber motor sowie die im Lauf des Jahres 2019 anstehenden Produkterweiterungen eröffnen – über die genannten Applikationen hinaus – eine Vielzahl interessanter Optionen für individuelle und intelligente Servoantriebslösungen.

productronica: Halle A2, Stand 217

FMB: Halle 20, Stand B36

Erschienen in Ausgabe: 07/2019