Dynamischeres Positionieren mit einem Zahnriemenantrieb ist möglich: Dazu tragen Veränderungen in der Konstruktion ebenso bei wie moderne Reglertechnik, die die Eigenschwingungen des Riemens in den Griff bekommt.
Handhabungs- und Bearbeitungsmaschinen sowie fördertechnische Anlagen sind geprägt von linearen Bewegungen – und Achsen mit Zahnriemen arbeiten hier sehr wirtschaftlich. Das belegen Anwendungen, die die Hamelner Lenze AG mit einer mechatronischen Antriebslösung ausgerüstet hat, die auf einer Kombination aus Servo-Motor und -Umrichter basiert. Die Neigung der Zahnriemenantriebe zu schwingen, lässt sich hier durch die Regelungstechnik senken.
Ein konventioneller Servomotor treibt direkt oder über ein Getriebe die Zahnriemenrolle an. Der Zahnriemen selbst überträgt die rotativ aufgebrachte Kraft auf die zu bewegende Masse. Die Drehzahl- und Lageregelung erfolgt im Allgemeinen indirekt über den im Motor eingebauten Geber. Typische Daten sind Spitzenkräfte zwischen 200 und 5000 N, Dauerkräfte zwischen 100 und 2000 N und Geschwindigkeiten zwischen 1 und 10 m/s.
Im Vergleich zu Lineardirektantrieben steigt durch den Einsatz eines Zahnriemens die Schwingungsneigung, da der Riemen ein elastisches Element ist. Das Schwingen verlängert Positionierzeiten und begrenzt so die Einsatzmöglichkeiten, wenn Steuerung und Regelung der Antriebe diese Eigenschwingungen nicht im Griff haben. Konstruktive Maßnahmen sowie die Regelungstechnik der Servo-Umrichter ECS und Servo Drives 9400 können dieses Problem jedoch lösen.
Motor, Riemen und bewegte Masse der Arbeitsmaschine bilden ein System. Längsschwingungen der Last gegenüber einem starr geregelten Motor entstehen, wenn sich der Riemen in Längsrichtung dehnt. Je länger der Riemen und je größer die Last, desto stärker ist der Effekt. Die Schwingungen werden beeinflusst durch Riemenlänge, Masse der Last und Massenträgheit des Motors. Querschwingungen schließlich hängen von der Länge, der Vorspannung und der Führung des Riemens ab.
Die Regelungsqualität lässt sich durch konstruktive Maßnahmen verbessern. So können die geschilderten Querschwingungen durch verstärkte Riemenvorspannung und seitliche Führung sehr gut reduziert werden. Ein probates Mittel gegen Längsschwingungen ist ein breiterer Riemen. Ein weiterer Antrieb für die zweite Rolle des Zahnriemens verbessert die Steifigkeit des Systems um den Faktor Zwei. In Kombination mit der doppelten Riemenbreite erhöht sich die Gesamtsteifigkeit um den Faktor Vier, und die Eigenfrequenzen verdoppeln sich.
Die Lenze-Servoregler setzen an einem weiteren Punkt an. Sie geben dem Antrieb Sollwerte vor, die ohne Sprünge auskommen und daher für einen schwingungsarmen Lauf sorgen. Die Kurven für diese Regelung werden in den Reglern online berechnet. Diese Sollwertfilterung vermeidet bereits die Anregung der Eigenfrequenzen. Der Antrieb reagiert aber noch nicht so schnell auf Sollwertänderungen, wie es für einen Positionierantrieb sein sollte. Das wird erst mit einer verbesserten Berechnung von Drehzahl- und Lage-Sollwerten möglich, die die Lenze-Entwickler umgesetzt haben. Durch diese Vorsteuerung ermöglichen die Baureihen ECS und Servo Drives 9400 den Betrieb von schwingungsfähigen Antrieben mit hoher Dynamik. Wenn zusätzlich auch die nicht angetriebene Rolle eine Drehzahlrückführung hat, liefert sie eine Drehzahl, die mit der Geschwindigkeit des Schlittens besser korreliert als die Motordrehzahl – was die Situation weiter verbessert.
Zusammenfassend bringt also die Kombination aus Vorsteuerung, Sollwertfilterung und Rückführung an der zweiten Rolle sehr gute dynamische Ergebnisse – und die erforderlichen Funktionen sind in den Servoreglern ECS und Servo Drives 9400 Standard.
Dr.-Ing. Carsten Fräger Leiter Produktmanagement Servotechnik bei Lenze in Hameln
Gut berechnet, besser positioniert
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