Antriebstechnik in der Automatisierungstechnik Antriebe: Vom Motor zum Gesamtsystem

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Dieser Grundlagenartikel vergleicht Pneumatik, Hydraulik und Elektrik sowie Asynchron-, Schritt- und Servomotoren und stellt die jeweiligen Stärken und Grenzen dar. Es zeigt, wie Motor, Regelung, Sensorik und Software zu synchronisierten Achssystemen verschmelzen. Entscheidend ist das gesamte Bewegungsprofil.

Antriebstechnik ist eine zentrale Disziplin der industriellen Automatisierung. Sie verbindet die Energieversorgung einer Maschine mit der mechanischen Bewegung ihrer Komponenten und bestimmt damit wesentlich Dynamik, Genauigkeit, Produktivität, Energieeffizienz und Verfügbarkeit einer Anlage. Während in einfachen Maschinen häufig lediglich eine Bewegung zwischen zwei Endlagen erforderlich ist, stellen moderne Produktionsmaschinen wesentlich höhere Anforderungen: variable Geschwindigkeiten, hohe Beschleunigungen, präzise Positionierung, Bahnsteuerung, elektronische Getriebe, Kurvenscheiben, CNC-Interpolation und die koordinierte Bewegung zahlreicher Achsen sind heute typische Aufgaben.

Grundsätzlich stehen hierfür drei grosse physikalische Prinzipien zur Verfügung: Pneumatik, Hydraulik und Elektrik. Innerhalb der elektrischen Antriebstechnik haben sich insbesondere Asynchronmotoren, Schrittmotoren und Servomotoren etabliert. Die Auswahl des geeigneten Antriebskonzepts muss dabei immer anhand der konkreten Bewegungsaufgabe erfolgen. Es gibt keine universell beste Antriebstechnologie; entscheidend sind unter anderem Kraft bzw. Drehmoment, Geschwindigkeit, Dynamik, Positioniergenauigkeit, Umgebungsbedingungen, Energieverbrauch und Lebenszykluskosten.

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Historie der Antriebstechnik

Erste Antriebsarten: Die Geschichte der Antriebstechnik ist eng mit der Entwicklung der Menschheit von der manuellen zur mechanisierten Produktion verbunden. Bereits einfache Maschinen nutzten Muskelkraft, Wasser- und Windkraft. Mit der Entwicklung von Getrieben, Wellen, Riemen und mechanischen Übertragungselementen konnte eine zentrale Energiequelle mehrere Arbeitsmaschinen versorgen. Eine entscheidende Entwicklung stellte die Dampfmaschine dar. Sie ermöglichte ab dem 18. und 19. Jahrhundert die weitgehende Unabhängigkeit industrieller Anlagen von natürlichen Energiequellen. Dampfmaschinen konnten grosse Leistungen bereitstellen und bildeten eine wesentliche Grundlage der Industrialisierung.

Parallel dazu entwickelte sich die Hydraulik. Wasser wurde zunächst insbesondere für stationäre Antriebe und Kraftübertragung verwendet. Später etablierte sich Öl als hydraulisches Medium, wodurch deutlich höhere Drücke und kompaktere Systeme möglich wurden. Auch die Pneumatik entwickelte sich aus der Nutzung komprimierter Luft. Ihre besonderen Eigenschaften – einfacher Aufbau, hohe Robustheit und schnelle Bewegungen – machten sie insbesondere für Schalt-, Spann-, Greif- und Hubbewegungen interessant.

Die Elektrifizierung stellte schliesslich einen fundamentalen Wandel dar. Erste praktische Elektromotoren entstanden bereits in den 1830er-Jahren. Thomas Davenport verwendete beispielsweise Gleichstrommotoren für Bearbeitungsaufgaben. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit elektrischer Energie gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden Elektromotoren für industrielle Anwendungen wirtschaftlich interessant.

Weiterentwicklung der elektrischen Antriebstechnik: Eine Schlüsselentwicklung war die Einführung des Drehstromsystems und des Wechselstrommotors. Nikola Tesla entwickelte Ende der 1880er-Jahre ein mehrphasiges Wechselstrom-Antriebssystem. Parallel dazu beschäftigte sich Galileo Ferraris mit dem Prinzip des rotierenden Magnetfeldes. 1888 präsentierte Tesla seine Arbeiten zu Wechselstrommotoren; 1889 entstand bei AEG einer der ersten dreiphasigen Asynchronmotoren nach dem heute grundlegenden Prinzip. Der Asynchronmotor wurde zum dominierenden industriellen Motor, weil er robust, vergleichsweise kostengünstig und ohne elektrische Kontakte am Rotor aufgebaut werden kann.

Im 20. Jahrhundert folgten unter anderem:

• Gleichstrommotoren mit verbesserten Regelungsverfahren

• Drehstrom-Asynchronmotoren mit Stern-Dreieck- und anderen Anlaufverfahren

• Frequenzumrichter zur stufenlosen Drehzahlregelung

• Leistungselektronik mit Thyristoren, später IGBTs und MOSFETs

• Schrittmotoren für kostengünstige Positionieraufgaben

• Servomotoren mit Lage-, Drehzahl- und Drehmomentregelung

• Permanentmagnet-Synchronmotoren

• digitale Motion-Control-Systeme

• CNC-Steuerungen und Mehrachsinterpolation

• elektronische Getriebe und Kurvenscheiben

• vernetzte Antriebe mit Echtzeit-Ethernet

• integrierte Diagnose-, Safety- und Condition-Monitoring-Funktionen

Damit verlagerte sich die Bedeutung des Antriebs zunehmend vom reinen Energiewandler hin zu einem intelligenten Bestandteil des Automatisierungssystems.

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