Die Kombination aus Marktanforderungen und den Möglichkeiten, welche Mechatronik bereits in der Planungsphase einer Maschine bietet, macht es unumgänglich, die traditionellen Wege der Maschinenkonstruktion zu überdenken. Traditionell wurde zunächst eine Maschine mechanisch konstruiert, um sie dann im nächsten Schritt mit elektrischen Antrieben auszurüsten. Darauf folgte die Programmierung und Inbetriebnahme der Antriebe.

Gemeinsam Konzepte erstellen

Beim Mechatronik-Ansatz arbeiten elektrische, mechanische und Software-Konstruk-tion gemeinsam an Konzepten, um die optimale Maschinen-Performance zu erreichen. Bisher dienten Antriebe mit drehenden Servomotoren dazu, mechanische Funktionen zu bewegen. In Zukunft werden sie jedoch immer stärker in das Gesamtsystem integriert. Neue Antriebstechnologien wie die Direktantriebsmotoren, Linearantriebe und elektrische Zylinder werden damit Bestandteil der Maschine.

Schon bei den ersten Simulationen einer neuen Maschine können die verschiedenen Abteilungen des Maschinenbauers gemeinsam entscheiden, welche Antriebstechnik für die zu lösenden Aufgaben die effizienteste ist. Welche Konsequenz hat es beispielsweise, wenn ein drehender Servomotor durch einen linearen Servomotor ersetzt wird? Diese Änderung kann gemeinschaftlich an der Simulation durchgeführt und getestet werden. Mechanische wie auch elektrische Auswirkungen lassen sich somit von Beginn an dokumentieren und optimieren, Bewegungen lassen sich optimal für den effizienten Energieverbrauch der Maschine auslegen. Da es dadurch weniger (tragende) mechanische Komponenten gibt, erhöht sich die Ausfallsicherheit und die Lebensdauer der Gesamtmaschine.

Will man genau diese Resultate erzielen, erfordert dieses eine zunehmende Integration der Systeme und ein ganzheitliches Engineering. Des Weiteren bedeutet dies den Übergang von einzelnen, voneinander getrennten Konstruktionsbereichen hin zu einer gemeinsamen bi-direktionalen Konstruktion, d.h. einem übergreifenden Mechatronik-Ansatz. Diesen Ansatz möchte Rockwell Automation mit seinen Produkten unterstützen.

Effiziente Elektrozylinder und Linearantriebe

Jeder, der schon einmal durch eine Produktionshalle gegangen ist, kann sich an das Zischen der pneumatischen bewegten Zylinder erinnern. Allein ein Drittel der Kompressor-Leistung zur Ansteuerung der Ventile wird dafür benötigt, Leckagen in den pneumatischen Leitungen zu kompensieren. Hydraulische oder pneumatische Zylinder können z.B. durch Elektrozylinder der Baureihen TLAR/MPAR von Rockwell Automation für kleine, leichte Anwendungen und MPAI für schwere Anwendungen ersetzt werden. Damit fällt die für die hydraulischen Zylinder notwendige gesamte Druckluftversorgung mit all den damit verbundenen Infrastrukturen wie Kompressoren, Filter und Luftleitungen weg – und damit auch ein enormer Energiebedarf.

Ein weitere Alternative für den mechatronischen Ansatz sind die Linearantriebe der Baureihe LDC (Series Iron Core Linear Servo Motors) und LDL (Series Ironless Core Linear Servo Motors), dies sich aufgrund ihrer Bauform direkt in die Maschine integrieren lassen. Linearantriebe erfreuen sich einer immer größeren Beliebtheit, denn ihre Bauteile können sich nicht abnutzen. Dies macht sich auch direkt in der Verfügbarkeit der gesamt Maschine bemerkbar: Da weniger Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen, kann die Maschine länger und somit mehr produzieren.

Beim Umsetzen des Mechatronik-Ansatzes helfen dem Maschinenbauer zudem Tools, mit deren Unterstützung er die Informationen der einzelnen Abteilungen (Mechanik- und Elektrokonstruktion) zusammenführen kann. Rockwell Automation bietet hier den kostenlosen Motion Analyzer.

Vom Berechnungs- zum Mechatronik-Tool

Das Tool Motion Analyzer, das bisher rein zur Motorenberechnung und -auswahl eingesetzt wurde, ist mittlerweile zum zentralen Werkzeug geworden, wenn es um die Optimierung des Maschinendesigns für alle Entwicklungsbereiche geht. Applikationsdaten können über die Schnittstelle zur 3D-CAD-Software SolidWorks direkt aus der mechanischen Konstruktion des OEM übernommen werden. Ein Schätzen der Belastung, wie bisher oft üblich, wird dadurch überflüssig und stattdessen eine echte Berechnung der Antriebslast möglich. Basierend auf diesen Daten schlägt das Tool eine geeignete Antriebskombination unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten wie Versorgungsspannung und Aufstellhöhe vor.

Darüber hinaus ist Motion Analyzer in der Lage, einen Kosten- und Performancevergleich verschiedener Antriebstechnologien durchzuführen. Damit kann der Anwender die Variante auswählen, welche der Maschinennutzung am besten entspricht.

Natürlich könnte man hier argumentieren, dass diese Fähigkeit jeder gute Konstrukteur beherrscht und sich fragen, wo hier der neue Mechatronik-Ansatz ist. Aber Mechatronik bedeutet das Zusammenspiel der Konstruktionsbereiche. Und genau da kommt die Analysefähigkeit des Motion Analyzer voll zum Tragen. Für eine optimale Maschinenperformance muss der Antrieb nicht nur eine Bewegung ausführen können, diese darf gleich-zeitig auch mit nur minimaler mechanischer Belastung einhergehen (Begrenzung des Rucks). Außerdem muss die Bewegung sehr sanft sein, sie sollte den Motor so wenig wie möglich erwärmen und ebenso einen minimalen Energieverbrauch haben.

Mithilfe des Motion-Analyzer-Berechnungstools kann der Anwender die Bewegung genau an die Gegebenheiten der Mechanik anpassen und für seine spezifische Anwendung optimieren. Über eine Exportfunktion zur Logix-Steuerung kann später an der Maschine auch genau das berechnete Verfahrprofil gefahren werden. Ein umständliches Anpassen und Optimieren des Verfahrprofils an der Maschine entfällt.

Die mechanische Konstruktion profitiert von der Effizienzanalyse, denn dadurch wird auf einen Blick ersichtlich, in welchen Teil der Applikation das aufgebrachte Moment geht. Ist der Motor dominant, so ist er für eine dynamische Applikation zu groß gewählt. Ein kleinerer Motor wäre dann effektiver und natürlich auch kostengünstiger.

Ebenso wichtig ist die Frage, wie sich mechanische Änderungen auf Antriebe auswirken. Mit der Toleranzanalyse kann jeder Parameter der Applikation über einen Bereich hin verändert werden. So erhält man rasch einen Überblick über die Grenzen des Antriebs und auch der Maschine selbst und ist in der Lage, die für eine Antriebslösung notwendigen Applikationsänderungen zu ermitteln.

Darüber hinaus lässt sich mit dem Simulationstool die Reaktion des Antriebs nachbilden, wobei vor allem seine Kopplung an die Applikation berücksichtigt wird. Hier zeigen sich besonders die Auswirkungen wenig steifer Kupplungen oder Kupplungen mit Spiel. Für die mechanische Konstruktion können daraus Aussagen über die Brauchbarkeit verschiedener Konstruktionsaufbauten gewonnen und gegebenenfalls Anpassungen vorgenommen werden. Ganz nebenbei entstehen hier bereits Reglereinstellungen für das Steuerungssystem, denn Motion Analyzer rechnet mit exakt den gleichen Werten wie RS Logix 5000, das Entwicklungstool für die gesamte Steuerungsumgebung von Rockwell Automation. Die Parametrierung der Antriebe wird ebenfalls an die Steuerung übergeben, wodurch sich das langwierige Tuning der Servoantriebe drastisch verkürzt. Dies kommt insbesondere dem Inbetriebnehmer vor Ort zugute.

Peter Schoch, Solution Architect bei Rockwell Automation in Haan ( www.rockwellautomation.de )