Eine Publikation der Binkert Medien AG
Kompletter Baukasten aus Hard- und Software : Ausgabe 01/2013, 14.04.2013

Flexible Motion-Lösungen sind skalierbar

So schier endlos die Vielfalt der Motion-Anwendungen ist, so vielseitig, flexibel und skalierbar muss auch die passende Antriebslösung sein. Mit einem umfangreichen Antriebsbaukasten aus Hard- und Software und mit eigener Entwicklung sowie Produktion kann der Spezialist Beckhoff dies umsetzen.

Autor: Andreas Golf ist Produkt- manager Antriebstechnik bei Beckhoff Automation

Das Spektrum der Antriebslösungen erstreckt sich von kompakten Motion-Klemmen für die I/O-Systeme über die High-End-Servotechnik AX 5000 und AM 8000 bis hin zur kompletten Handlingslösung XTS. Für Engineering und Runtime reicht ein einziges Softwaretool aus: TwinCAT. Dank vieler Motion-Bibliotheken ist das Produktspektrum auch softwareseitig skalierbar. Die einfachsten Antriebe in einer Maschine sind die Hilfsantriebe, d.h. einfache Verstellachsen, verfahrbare Anschläge, kleine Förderbewegungen oder auch einfache Posi-tionierantriebe. Für diese Aufgaben sind keine hochwertigen Servoachsen nötig, es reichen Schritt- oder DC-Motoren aus. Der Antriebsspezialist bietet Lösungen für die Integration in die I/O-Systeme an, d.h., die Motoren lassen sich direkt an die Motion-Klemmen oder die entsprechenden IP 67-Varianten anschliessen.

Für geringe Motion-Anforderungen genügen Schrittmotoren

Mit den Schrittmotoren AS1000 mit Flanschmassen von 42 bis 86 mm und Drehmomenten von 0,4 bis 8 Nm lassen sich die genannten Aufgaben lösen. Die Schrittmotoren zeichnen sich durch Robustheit und hohe Haltemomente aus, lassen sich dank Microstepping auch ohne Rückführsystem sehr gut positionieren und benötigen als Leistungselektronik «nur» die Motion-Klemme. Bei einfachen Positionieraufgaben reicht es aus, den Fahrauftrag aus der TwinCAT-SPS an die Klemme weiterzureichen, in der man dann die Sollwertgenerierung ausführt. Schritt- oder DC-Motoren lassen sich mit TwinCAT-NC-PTP betreiben, um Synchronisierungen wie Kurvenscheiben oder fliegende Sägen zu realisieren. Mit dem CNC-Paket können Schrittmotoren zudem in einem Interpolationszusammenhang arbeiten. Bei Schrittmotoren besteht die Gefahr, dass im überlasteten Zustand «Schritte verloren- gehen». Wenn höhere Präzision gefordert ist, kann man sie in Verbindung mit einem Inkremental-Encoder einsetzen. Die nötige Auswertung ist in der Motion-Klemme integriert. Es bleiben aber die typischen Schrittmotornachteile wie fehlende Dynamik, geringe Effizienz und eingeschränkte Geschwindigkeit.

Doch auch dafür hat man eine Lösung, im Formfaktor «Klemme»: Die Servomotoren AM 3100 sind mit der Servoklemme EL 7201 ein kompaktes Servo-Multiachs-System. Drehmomente von 0,2 bis 1,13 Nm und Drehzahlen bis 3500 min–1 bieten den Einstieg in die Servotechnik, und das bei 48 VDC. Softwaretechnisch kann man bei mittleren Anforderungen Lösungen mit TwinCAT-NC-PTP empfehlen, da sich hier Synchronisierungen zwischen Achsen leicht realisieren lassen.

Lösungen bis in den High-End-Bereich

Im grösseren Leistungsbereich stehen die Servoverstärker der Serie AX 5000 zur Verfügung, die in zahlreichen Abstufungen und verschiedenen Baugrössen verfügbar sind. Die integrierte Regelungstechnik mit 62,5 µs Stromregeltakt unterstützt schnelle und dynamische Positionieraufgaben. Bereits zu Beginn der AX 5000-Entwicklung hat man Wert auf Kompaktheit gelegt, woraus die 2-kanaligen Module mit Strömen von jeweils 2

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1,5 A sowie 3 und 6 A entstanden. Dabei lässt sich sogar die zur Verfügung stehende Leistung aufteilen. Lediglich die maximalen Stromgrenzen des Gesamtgerätes sind zu berücksichtigen. Wegen dieser Technik lassen sich sowohl für den Regler passende als auch leistungsmässig abweichende Motoren betreiben, was den logistischen Aufwand für den Maschinenbauer reduziert. Alle mit gleicher Steuerelektronik ausgestattet, liefern die einkanaligen Module in fünf Baugrössen Ströme von 1,5 bis 170 A.

Motorenfertigung im Baukastenprinzip

Für die Verstärker der Serie AX 5000 stehen die Servomotoren der Serie AM 8000 zur Verfügung. Mit hochwertigen Kugellagern, einem ausgeklügelten mechanischen Design und neuester Wickeltechnologie reduzieren sie nicht nur die Lifecycle-Kosten. So lassen sich die Motoren mit bis zu 50 Prozent höheren Radiallasten und Betriebszeiten bei gleichen Bedingungen betreiben.

Die Einkabellösung ist innovative Anschlusstechnik

Die Motorserie startet mit der Baugrösse 2 bei 0,5 Nm Stillstandsmoment. Diese kleinen Motoren finden mit ihrem geringen Trägheitsmoment vornehmlich in dynamischen Positionierachsen ihre Anwendung. Im mittleren Drehmomentbereich von 1,5 bis 29 Nm hat man als Ziel der Motorenentwicklung nicht das Erreichen minimalster Trägheitsmomente auf Kosten der Stabilität gesetzt. Diese Motoren bewegen sich zwar im unteren marktüblichen Trägheitsbereich, sind aber auch für Standardanwendungen geeignet.

Bei den grösseren Motoren ab 31 Nm hat man Wert auf hohe Drehmomentausbeute gelegt. Alle Motoren sind nach dem gleichen Baukastenkonzept gefertigt, was die Flexibilität steigert und dem Maschinenbauer maximale Freiheit in seiner Konstruktion erlaubt.

Um die Feedback-Information für Kommutierung, Lageregelung und Wicklungstemperatur an den Servoregler zu übertragen, benötigt man üblicherweise ein separates Geberkabel. Eine Alternative wäre ein Hybridkabel mit zusätzlichen Adern für die Gebersignale, das aber wesentlich schwieriger zu konfektionieren, unflexibler sowie aufgrund des aufwendigeren Aufbaus deutlich teurer ist. Der Hersteller bietet hier mit «One-Cable-Technology» für die Serien AM 8000 und AM 8800 eine Anschlusslösung, die ohne separates Geberkabel auskommt: ein modifiziertes Motorkabel, bei dem man die beiden Thermokontaktadern für die Geberkommunikation verwendet. Die Übertragung ist extrem störsicher. Zudem verzichtet man auf analoge Signale, was den Aufwand in der Servoregler-Auswerteelektronik reduziert.

Eine Einschränkung hinsichtlich maximaler Leitungslängen oder Auflösungsverluste hat der Anwender durch den Einsatz der «One-Cable-Technology» nicht. Die Mehrkosten für das System lassen sich bereits bei einer Kabellänge von 5 m egalisieren; darüber hinaus reduzieren sich sogar die Kosten gegenüber einer konventionellen Lösung mit Resolver.

High-End-Anwendungen benötigen Linearachsen

Für spielfreie dynamische Bewegungen sind die Linearmotoren prädestiniert. Die Gruppe der eisenbehafteten Linearmotoren besteht aus den Serien AL 20xx, AL 24xx und AL 28xx. Die AL 24xx sind besonders ökonomisch, da sie über die schmalsten Magnetbahnen verfügen, die AL 28xx hingegen weisen die höchsten Kräfte auf. Mit diesen Serien lassen sich dynamische Verstellachsen oder Positionieraufgaben umsetzen, mit Spitzenkräften von 120 bis 6750  N und Maximalgeschwindigkeiten von 6 bis 10 m/s.

Als zweite Bauart bietet der Hersteller die eisenlosen Linearmotoren AL 38xx an. Durch ihren Aufbau ohne Spulenkerne entstehen die Kräfte zwischen Magnetplatte und Spulenteil lediglich durch die Bestromung, was einen sehr guten Gleichlauf ohne jegliche Rastmomente ergibt. Damit eignen sich die AL 38xx – mit Spitzenkräften von 104 bis 4200 N und einer maximalen Geschwindigkeit von 2,7 bis 6,6 m/s – gut, z.B. in der Beschichtung von Wafern, für Flachbildschirme oder im Bereich von Halbleiter-Bestückungsapplikationen.

Vielfältigste Einsatzvarianten für ein Transportsystem

Das umfassende Antriebs-Know-how zeigt sich insbesondere in dem linearen Transportsystem XTS. Die Antriebstechnik kombiniert die Vorzüge zweier bekannter Antriebsprinzipien in einem System: Dort, wo bisher die Anwendungen von rotatorischen Motoren endeten, addiert XTS die Vorzüge eines linearen Systems. Und dort, wo das Einsatzspektrum rein linearer Systeme bisher begrenzt war, ergänzt XTS die Vorteile einer Rotationslösung. Dabei begnügt sich XTS mit vier einfachen Komponenten: beliebig viele, als Streckenbausteine dienende Motorteile, beliebig viele, individuell oder in Gruppen agierende «Mover», eine Steuerungssoftware und ein Industrie-PC. Daraus ergeben sich vielfältigste Einsatzva- rianten, denn die «Mover» können beschleunigen, bremsen, positionieren und sich synchronisieren.

Was einfach klingt, lässt sich in komplexe Funktionalitäten umsetzen. So nehmen die «Mover» bei Bedarf nicht nur absolute und relative Positionen zueinander ein, sondern sie können sich zudem gruppieren und aufstauen, in der Bewegung Klemmkräfte erzeugen, Kurven wie die Gerade durchfahren, Energie durch Nutzbremsung zurückgewinnen sowie Rück- und Hinwege zu Transportzwecken nutzen.

Software als Dach des Motion-Baukastens

Den zur jeweiligen Antriebsaufgabe genau passenden Softwarebaustein bietet die Automatisierungslösung TwinCAT, die neben Echtzeitsteuerung und Multi-SPS-System eine vollständige Motion-Control-Lösung integriert. Die Funktionen reichen von der einfachen Beauftragung einer Achse aus der SPS heraus über die NC bis hin zur kompletten CNC, und zwar für rotatorische und für lineare Motoren.

Eine Besonderheit ergibt sich für das Engineering: TwinCAT bietet für die Servoverstärker der Serie AX 5000 und für die zugehörigen Motoren AM 8000 eine komfortable, integrierte Konfiguration an. Verstärker wie auch Motoren lassen sich automatisch per Feldbus-Scan erkennen und parametrieren. Selbst die NC-Achsen werden automatisch angelegt und verknüpft. Die Inbetriebnahme von Servoachsen reduziert sich damit auf einen einfachen Scan.

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Ein breites Antriebsspektrum gepaart mit umfangreichem Know-how bildet die Grundlage des skalierbaren Motion-Baukastens


Für Anwendungen mit geringeren Motion-Anforderungen lässt sich die Antriebstechnik effizient in das I/O-System integrieren


Das lineare Transportsystem XTS nutzt als Grundvoraussetzung PC-based-Control und die leistungsfähige EtherCAT-Kommunikation


Servomotor AM 8000 mit «One-Cable-Technology» in Kombina-tion mit dem EtherCAT-Servoverstärker AX 5000