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Antriebstechnik in der Automatisierung

Von der Einzelbewegung zur koordinierten Maschine: Die Entwicklung der Automatisierungstechnik hat die Anforderungen an Antriebe grundlegend verändert. Frühe Automatisierungssysteme arbeiteten häufig mit einfachen Bewegungsabläufen: 1. Motor einschalten; 2. Bewegung ausführen;

3. Endschalter erreichen; 4. Motor ausschalten. Der Antrieb war dabei im Wesentlichen ein ausführendes Element.

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Mit zunehmender Komplexität der Maschinen wurde eine wesentlich höhere Bewegungsqualität erforderlich. Ein Antrieb musste nicht mehr nur ‘laufen’, sondern eine definierte Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position einhalten. Damit entstanden zunächst Drehzahlregelungen und später Positionsregelungen. Die Entwicklung lässt sich vereinfacht in folgende Stufen gliedern: Ein-/Aus-Antrieb → Drehzahlregelung → Positionierung → Servoachse → Mehrachs-Motion-Control → CNC/Robotik → synchronisierte und softwaredefinierte Bewegungsabläufe.

Frequenzumrichter und digitale Regelung

Der Frequenzumrichter stellte einen wichtigen Entwicklungsschritt dar. Während ein Asynchronmotor direkt am Netz im Wesentlichen mit einer durch Netzfrequenz und Polzahl bestimmten Drehzahl läuft, kann ein Frequenzumrichter die elektrische Frequenz und Spannung beeinflussen. Damit werden möglich:

• variable Drehzahl

• kontrollierte Beschleunigung

• kontrolliertes Bremsen

• Drehmomentregelung

• Energieoptimierung

• sanfter Motorstart

• Prozessregelung

Mit feldorientierten Verfahren kann ein Asynchronmotor hinsichtlich Drehmoment und Magnetfluss ähnlich wie eine geregelte Gleichstrommaschine behandelt werden. Dadurch verringerte sich der Abstand zwischen robustem Asynchronmotor und Servotechnik.

Entstehung moderner Servoachsen

Mit zunehmender Dynamik und Genauigkeit wurden jedoch weiterhin Servomotoren erforderlich. Eine moderne Servoachse besteht nicht mehr nur aus einem Motor. Sie umfasst typischerweise:

• Motor

• Leistungsteil

• Drehzahlregelung

• Strom-/Drehmomentregelung

• Positionsregler

• Encoder

• Kommunikationsschnittstelle

• Diagnose

• Sicherheitsfunktionen

Die Regelung erfolgt meist als verschachtelte Struktur: Positionsregelkreis → Drehzahlregelkreis → Strom-/Drehmomentregelkreis. Der innerste Stromregelkreis reagiert am schnellsten, während der Positionsregelkreis die übergeordnete Bewegungsaufgabe erfüllt.

Steigende Komplexität im Maschinenbau

Parallel zur Entwicklung der Antriebe nahm die mechanische Komplexität der Maschinen zu. Moderne Maschinen müssen beispielsweise:

• mehrere Bewegungen gleichzeitig durchführen

• verschiedene Produktformate verarbeiten

• hohe Taktzahlen erreichen

• Bewegungen synchronisieren

• Bearbeitung während des Materialtransports durchführen

• variable Geschwindigkeiten realisieren

• mechanische Getriebe durch Software ersetzen

Damit wurde die Antriebstechnik zu einem integralen Bestandteil der Maschinensteuerung. Die Grenze zwischen SPS, CNC, Motion Controller und Antrieb ist heute zunehmend fliessend.

CNC und Interpolation

Besonders deutlich wird die Entwicklung bei CNC-Maschinen. Eine CNC-Steuerung erzeugt nicht lediglich einzelne Positionen, sondern berechnet koordinierte Bewegungsbahnen. Beispielsweise müssen bei einer linearen Interpolation mehrere Achsen so bewegt werden, dass sich die Werkzeugspitze entlang einer definierten Geraden bewegt. Bei einer Kreisinterpolation müssen die Achsen ihre Positionen entsprechend einer Kreisbahn verändern. Damit müssen mehrere Servoantriebe: zeitlich synchronisiert, positionsgenau geregelt und dynamisch koordiniert werden. Die Antriebstechnik wird damit zu einem Bestandteil der Bahnsteuerung.

Koordinierte Antriebe

Bei modernen Maschinen sind zahlreiche Achsen nicht unabhängig voneinander. Typische Beziehungen sind:

Master-Slave: Eine Achse ist Master, eine zweite folgt dieser mit einem definierten Verhältnis. Beispiel: [n_\text{Slave}=k\cdot n_\text{Master}]. Dies entspricht funktional einem elektronischen Getriebe.

Elektronisches Getriebe: Ein mechanisches Übersetzungsverhältnis wird softwareseitig realisiert.

Vorteile:

• keine mechanischen Getriebestufen erforderlich

• Verhältnis softwareseitig veränderbar

• hohe Flexibilität

• einfache Formatumstellung

Elektronische Kurvenscheibe: Die Slaveposition wird nicht linear, sondern anhand einer definierten Funktion der Masterposition bestimmt: [x_\text{Slave}=f(x_\text{Master})]. Damit können komplexe mechanische Kurvensteuerungen softwareseitig nachgebildet werden. Moderne Motion-Control-Systeme stellen hierfür Funktionen wie Gearing, Camming und FIFO-basierte Achskopplungen bereit.

Fliegende Säge

Die fliegende Säge ist ein anschauliches Beispiel für die Leistungsfähigkeit moderner Antriebstechnik. Bei einer kontinuierlich laufenden Materialbahn kann die Säge nicht einfach an einer festen Position schneiden. Stattdessen muss sie:

• 1. die aktuelle Position des Materials erfassen,

• 2. auf das bewegte Material aufsynchronisieren,

• 3. während der Synchronfahrt schneiden,

• 4. sich anschliessend vom Material entkoppeln,

• 5. zur Ausgangsposition zurückfahren,

• 6. den nächsten Schneidzyklus vorbereiten.

Die Sägeachse wird somit zu einer Slaveachse eines bewegten Masters. Geschwindigkeit und Position müssen während des Bearbeitungsprozesses synchron sein. Die Anwendung verdeutlicht, dass moderne Antriebstechnik nicht mehr nur aus ‘Motor + Regler’ besteht. Entscheidend ist die Fähigkeit, Bewegungsabläufe mathematisch zu beschreiben und mehrere Achsen in Echtzeit zu koordinieren.

Gantry-Systeme

Ein weiteres Beispiel ist ein Gantry-System. Hier bewegen zwei oder mehr Antriebe gemeinsam eine mechanische Achse. Ein typisches Beispiel ist eine Portalachse mit zwei seitlichen Antrieben. Das System muss verhindern, dass sich die beiden Seiten gegeneinander verdrehen. Daraus entstehen zusätzliche Anforderungen:

• synchronisierte Position

• identische oder definierte Geschwindigkeit

• Überwachung der Positionsdifferenz

• abgestimmtes Referenzieren

• koordinierte Beschleunigung

• Fehlerüberwachung

Bei CNC-gesteuerten Gantry-Achsen werden die beteiligten Achsen entsprechend koordiniert und die Differenz zwischen Master und Slave überwacht.

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