Elektronische Kurvenscheibe, SPS-Programmierung und Servoantriebsauslegung

In vielen Branchen, z.B. bei Verpackungsmaschinen, werden Servoantriebe wegen ihrer Flexibilität zur Bewegungserzeugung mit der Funktion “Elektronische Kurvenscheibe” eingesetzt. Oft lösen sie damit mechanische Kurvengetriebe ab. Auch wenn unser Name mit "NC-Kurventechnik" eher auf mechanische Kurven hindeutet:
Seit ihrer Einführung vor über 25 Jahren optimieren wir Servoantriebsbewegungen mit elektronischen Kurven genauso wie mechanische Kurvengetriebe.
Beides sind Maschinenelemente, um Bewegungen zu steuern.

Unser Kerngeschäft ist die dynamisch günstige Gestaltung von Bewegungen (Bewegungsdesign), um Taktzahl bzw. Verarbeitungsqualität zu steigern.
Das wirkt sowohl mit Servoantrieben als auch mit mechanischen Kurven.
Und das ist bei Servoantrieben auch genauso wichtig wie bei mechanischen Kurven!

Hochwertiges Bewegungsdesign steigert generell die Maschinenperformance. Bewegungsdesign ist also immer ein Wettbewerbsvorteil.

Wenn man sich bei der SPS-Programmierung oder bei elektronischen Kurven auf die Bewegungsgesetze der VDI-Richtlinie 2143 (Polynom 5. Grades und andere) beschränkt, verschenkt man Maschinenleistung. Der "Weißdruck" (die Endfassung) der VDI-Richtlinie 2143 ist im Oktober 1980 erschienen. Diese Richtlinie entspricht ganz klar nicht mehr dem Stand der Technik.

Hier liegt oft ein enormes Potenzial für Steigerungen der Maschinenleistung brach.

Bei hoher Taktzahl wird ein Bewegungsdesign benötigt, das kaum Schwingungen anregt und die Beschleunigungen, Massenkräfte und Antriebsmomente klein hält. Und alle Bewegungen sollten im Zusammenspiel optimiert werden, wegen der zahlreichen Abhängigkeiten zwischen den Bewegungen.

In diesem Bereich ist unsere Software OPTIMUS MOTUS besonders stark. Neben allen Bewegungsgesetzen aus der VDI-Richtlinie 2143 (z.B. Polynom 5. Grades) stehen allgemeine Sinuskombinationen, höhere Polynome mit stetiger dritter oder vierter Ableitung, HS-Profile, mHSL-Technologie, numerisch optimierte Polynome, Polynomsplines, Polydynfunktionen und die inverse HS-Reaktion zur Verfügung.

OPTIMUS MOTUS ist ein extrem leistungsstarker Cam Editor.

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• Dynamische Servoantriebsauslegung
• Hersteller-übergreifender Export von Servodaten
• Grafisch-interaktive SPS-Programmierung von Bewegungssteuerungen
• Software für SPS-Programmierung und elektronische Kurven
• Berechnung

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Dynamische Servoantriebsauslegung

Einzigartige und leistungsfähige Möglichkeiten zur Auslegung von Servoantriebssträngen bietet unsere Software OPTIMUS MOTUS.

Hervorzuheben sind besonders die sehr weitreichenden Features zum Bewegungsdesign, und dass beliebig komplexe Kurven- und Koppelgetriebe berücksichtigt werden können.

Aus einem elektronischen Katalog schlägt die Software vollautomatisch nach dynamischen und baulichen Kriterien die bestmöglichen Kombinationen von Servomotor und Getriebe für eine vorgegebene Bewegungsaufgabe vor.

OPTIMUS MOTUS berücksichtigt dabei

• den exakten Weg-Zeit-Verlauf an der Motorwelle oder am Abtrieb bei beliebigen Bewegungsdiagrammen
• Verzerrungen der Bewegungsdiagramme und der Lastverläufe durch beliebige Mechanismen (Schubkurbel, Viergelenk, Sechsgelenk und alle anderen Koppelgetriebe, Kurvengetriebe, Schrittgetriebe, Rädergetriebe, Riemen usw.)
• beliebig definierbare Lastverläufe im Mechanismus sowie Massen, Federn, Gravitation, Reibung
• die genauen Kennlinien für die Spitzen- und die Dauerbelastung des Motors
• Nenn- und Spitzenmoment von Motor und Getriebe
• Nenn- und Spitzendrehzahlen von Motor und Getriebe
• genaue Kennlinien für den Wirkungsgrad der Getriebe
• ob Motor und Getriebe baulich überhaupt zusammenpassen
• die gewünschte Leistungsreserve für den Antriebsstrang

Bei der Auslegung von Servoantrieben für Verpackungs- und andere Verarbeitungsmaschinen geht OPTIMUS MOTUS damit erheblich tiefer ins Detail als branchenübliche Cam-Editoren oder Sizer.

Da die dynamischen Belastungen der Motor-/Getriebekombination auch bei kleinen Änderungen an den Bewegungsgesetzen und den Übergangszeiten stark schwanken, und da Koppelmechanismen die Lastverläufe am Antrieb völlig verändern können, ist die realistische Auslegung des Servo-Antriebsstrangs nur mit einer solch detaillierten Betrachtung der Bewegungs- und Lastzusammenhänge möglich.

Das Modul zur Servoantriebsauslegung von OPTIMUS MOTUS ist außerdem eins der ersten Programme zur Auswahl von Motoren und Getrieben nach dynamischen Kriterien gewesen, das auf dem Markt verfügbar war.

Eine besondere Eigenschaft ist, dass es Hersteller-unabhängig ist!

In Verpackungsmaschinen, Buchbindemaschinen, Montageanlagen, Abfüllmaschinen und anderen Verarbeitungsmaschinen werden Servoantriebe mit elektronischen Kurvenscheiben eingesetzt. Wichtige Auslegungsziele sind

• hohe Taktzahl
• kleine, kostengünstige Antriebe
• Flexibilität

Zur Konstruktion der Maschine sind geeignete Antriebskomponenten zusammenzustellen. Die dynamische Auslegung von Antriebssträngen für elektronische Kurven ist wegen der Nichtlinearitäten der Kinematik durchaus keine triviale Aufgabenstellung. Wenn die Annahmen für die Auslegung zu sehr vereinfacht werden, können die Auslegungsergebnisse erheblich von der Realität abweichen.

Werden Antriebskomponenten zu klein dimensioniert, ist die geforderte Leistung nicht erreichbar, und die Maschinenauslieferung verzögert sich wegen der Lieferzeiten um Wochen oder Monate.

Werden Motor und Getriebe zu groß dimensioniert, ist die Konstruktion teuer und verschwendet Energie.

Sicherheit bei der Auslegung elektronischer Kurven ist nur erreichbar, wenn alle folgenden Daten bei der Auslegung berücksichtigt werden:

• die Koppelgetriebe, die von den Servomotoren angetrieben werden, z.B. Schubkurbeln, Viergelenkgetriebe oder andere Mechanismen
• der exakte Weg-Zeit-Verlauf an der Motorwelle oder am Abtrieb mit realistischen Vorgaben für Bewegungsgesetze und Übergangszeiten nach grober Kollisionsuntersuchung
• die genauen Lastverläufe im Mechanismus sowie Massen, Federn, Gravitation, Reibung
• die Kennlinien für die Spitzen- und die Dauerbelastung des Motors
• Nennmoment und Spitzenmoment von Motor und Getriebe
• Nenndrehzahlen und Spitzendrehzahlen von Motor und Getriebe
• bei langsamem Betrieb die Kennlinien für den Wirkungsgrad der Getriebe

Um Hub- oder Schwenkbewegungen zu erzeugen, wird dem Servomotor oder Getriebe oft ein Schubkurbelmechanismus, ein Viergelenkgetriebe oder ein anderer Mechanismus nachgeschaltet. Wenn der Bewegungsbereich dieser Mechanismen ausgenutzt wird, übersetzen diese Koppelgetriebe hochgradig nichtlinear, d.h. die Übersetzung zwischen Antrieb und Abtrieb schwankt sehr stark.

Die im Film dargestellte Kurbelschwinge erzeugt bei durchlaufendem Antrieb am kurzen Lenker (oben links) eine Pendelbewegung am Abtrieb, dem langen Lenker (rechts). Die Charakteristik der Antriebsbewegung sieht völlig anders aus als die der Bewegung am Abtriebslenker.

Das reduzierte Massenträgheitsmoment solch eines Mechanismus, bezogen auf die Motorwelle, ist damit extrem variabel.

Rechnet man hier ausschließlich mit konstanten Massenträgheitsmomenten, erhält man völlig falsche Ergebnisse.
Zur korrekten Antriebsauslegung muss die Ungleichförmigkeit des Mechanismus rechnerisch berücksichtigt werden.
Das ermöglicht die Mechanismen-Software OPTIMUS MOTUS.

Ebenso wichtig wie die Mechanismen-Kinematik ist für die Antriebsauslegung die Vorgabe realistischer, problemnaher Bewegungsverläufe.

Die Drehzahlen am Antrieb hängen linear, die dynamischen Momente quadratisch und die Blindleistung sogar kubisch von den Taktwinkelstrecken der einzelnen Bewegungsübergänge ab. Es ist zum Beispiel ein großer Unterschied, ob für eine Bewegung im Bewegungsplan
a) 40 Grad oder
b) 60 Grad
Übergangswinkel angenommen werden:

Wäre für Fall a ein Servomotor mit Höchstdrehzahl 6000 U/min erforderlich, reicht im Fall b einer mit 4000 U/min.

Benötigt man für Fall a einen Antrieb mit 20 Nm Spitzenmoment, so reicht im Fall b einer mit 8.9 Nm Spitzenmoment.

Werden im Fall a 1200 Watt Leistung umgesetzt, sind es im Fall b nur 360 Watt.

Außerdem wirken sich die Kennwerte der verschiedenen einsetzbaren Bewegungsgesetze aus:

Während beim Polynom 7. Ordnung der Faktor 7.51 in das dynamische Moment am Antrieb eingeht, ist es beim Modifizierten Beschleunigungstrapez nur der Faktor 4.89. Je nach Einsatzfall sind auch noch andere dynamische Kriterien der Bewegungsgesetze relevant.

Hier eine besonders weiche, schwingungshemmende Bewegungsgestaltung mit stetiger Ruckfunktion (gelb):

Insgesamt kann eine brauchbare dynamische Antriebsauslegung nur dann durchgeführt werden, wenn die Bewegungsdiagramme beschleunigungsoptimiert wurden und so gestaltet sind, dass Kollisionen zwischen den beteiligten Bewegungen mit minimaler Reserve vermieden werden.

OPTIMUS MOTUS bietet einen leistungsfähigen grafischen Bewegungsplan-Editor (Motion Designer), der dem Benutzer automatisch beschleunigungsoptimierte, harmonische Bewegungsdiagramme vorschlägt. Der versierte Anwender kann diese Bewegungsdiagramme durch Hinzufügen von Eigenschaften beliebig verfeinern.

Kinetostatische Analyse

Nachdem in OPTIMUS MOTUS die Bewegungsabläufe am Koppelmechanismus berechnet wurden, werden Massen, Federn, Nutzkräfte, Nutzmomente, Gravitation und Gelenkreibung als Belastungen aufgebracht. Die resultierenden Gelenkkräfte und Momente werden in Diagrammen, Tabellen oder animierten Vektorplänen bereitgestellt.

Diese Auswertungen ermöglichen nebenbei auch die Auslegung der mechanischen Antriebselemente neben dem Servomotor und dem Getriebe. Erfahrene Anwender ziehen aus den Berechnungsergebnissen Rückschlüsse, wie die Koppelmechanismen oder die Belastungen verändert werden müssen, um noch mehr Taktleistung herauszuholen.

Mit den Ergebnissen aus der Berechnung der Momenten- und Bewegungsverläufe am Getriebeausgang werden in OPTIMUS MOTUS die Motor-/Getriebekombinationen dynamisch ausgelegt. Der Anwender kann parallel beliebig viele Auslegungsvarianten speichern und weiterverfolgen.

Aus einem umfangreichen Katalog von etlichen Tausend Motoren und Getrieben wählt der Benutzer die passenden Komponenten für seine Bewegungsaufgabe aus. Die Software unterstützt ihn dabei in mancherlei Hinsicht:

• Die Suche im Katalog kann nach Kriterien wie Nennmoment, Spitzenmoment, Nenndrehzahl, Suchzeichenketten oder Hersteller mehrfach eingegrenzt werden.
• Der Anwender kann den Katalog um eigene Antriebskomponenten erweitern.
• Benutzer können die bevorzugt verwendeten Motoren und Getriebe zu einer Favoritenliste zusammenstellen.

OPTIMUS MOTUS durchsucht den kompletten Katalog innerhalb von Sekunden nach den besten Motor-/Getriebekombinationen.
Gefundene Motor-/Getriebekombinationen werden in einem detaillierten Schaubild dynamisch bewertet.
Die Bewertung berücksichtigt u.a. Nenn- und Spitzenmomente an Motor und Getriebe, zulässige Drehzahlen an Motor und Getriebe, dynamische Kennlinien für Dauer- und Spitzenlast, Kennlinien der Getriebewirkungsgrade und die Regelbarkeit des Antriebsstrangs.
Das Schaubild gibt Klarheit über die Art der dynamischen Belastung des Antriebsstrangs und darüber, welche Komponenten gezielt verändert werden können, um noch bessere Ergebnisse zu erhalten.

Fazit

Die automatische Motor- und Getriebeauswahl der Software OPTIMUS MOTUS, kombiniert mit dem dargestellten Auslegungsschaubild, ermöglicht zuverlässige dynamische Antriebsauslegungen innerhalb kürzester Zeit.

OPTIMUS MOTUS ist damit das ideale Werkzeug zur Auslegung von Servoantriebssträngen in schnell laufenden Maschinen, sowohl für gelegentliche Nutzer als auch für Profis der Antriebsauslegung.

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Hersteller-übergreifender Export von Servodaten

Wir begleiten Servoantriebe mit elektronischen Kurvenscheiben, seit sie Anfang der 1990er Jahre auf den Markt kamen. Seitdem entwickeln wir für OPTIMUS MOTUS Servo-Postprozessoren, um möglichst für alle verfügbaren Steuerungen Servodaten zu exportieren. Auch heute noch.

Die Bibliothek umfasst den Export in verschiedenen neutralen bzw. allgemein verwendbaren Formaten, z.B.

• csv
• csv mit Polynomkomprimierung
• Polynome mit Koeffizienten oder Interpolationsbedingungen
• als C-Quelltext
• als ST-Quelltext (z.B. für CoDeSys, SEW, Siemens, Allen Bradley)
• als Quelltext in verschiedenen Makrosprachen

Darüber hinaus exportiert OPTIMUS MOTUS Daten in spezifischen Formaten folgender Hersteller:

• Elau / Schneider (z.B. pp3-Dateien, MAx4-Dateien, ECAM-4)
• Allen Bradley / Rockwell
• Indramat / Bosch Rexroth
• Siemens
• SEW
• B+R (Acopos)
• Lenze
• Hauser / Parker Hannifin
• Stöber
• KEB
• Berger Lahr / Schneider
• Kuka
• Industrial Physics
• AMK
• ACD
• Bachmann
• APS Pickan
• ASB
• Wiedeg
• Mayr
• Keba

Die meisten dieser Formate kann unsere Software übrigens auch importieren.

Damit wird OPTIMUS MOTUS zu einem Hersteller-unabhängigen Konverter für Servodaten: Importieren der Dateien eines Herstellers, dann exportieren im Format eines anderen Herstellers!

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Grafisch-interaktive SPS-Programmierung von Bewegungssteuerungen

Bewegungen können in der Software OPTIMUS MOTUS nicht nur für ein einzelnes Format, sondern parametrisch für ein ganzes Formatspektrum beschrieben werden. Dafür steht ein komfortabler grafischer Editor bereit.

In Kinematik- und Kinetostatikmodellen simulieren wir die Auswirkungen der Bewegungsgestaltung auf Gestellkräfte, Antriebsmomente und die Schwingungsanregung. Schon bei der Bewegungsgestaltung am Rechner können wir die mögliche Taktzahl abschätzen und die Bewegungsabläufe gezielt auf hohe Dynamik hin optimieren.

Die Bewegungsbeschreibung wird schließlich für die SPS-Welt als Quelltext in verschiedenen Sprachdialekten exportiert:

• C
• Strukturierter Text (ST) für CoDeSys
• Strukturierter Text (ST) für Simotion
• Strukturierter Text (ST) für Elau
• Strukturierter Text (ST) für Allen Bradley / Rockwell
• Strukturierter Text (ST) für SEW

Vom Ablauf her entspricht das einem "Speichern unter".

Bewegungen für konkrete Produktformate werden schließlich direkt von der SPS-Steuerung berechnet.

OPTIMUS MOTUS ist damit ein grafischer Editor, um komplexe Bewegungsabläufe zu modellieren, zu optimieren, zu testen und schließlich als Funktionsbausteine für die SPS-Welt zu exportieren.

So können SPS-Bewegungsprogramme erheblich schneller entwickelt und geändert werden als bei manueller Programmentwicklung.

Die aus der Kurventechnik bekannte hohe Bewegungsqualität kommt auch bei Servoantrieben zum Tragen und steigert auch hier die Performance.

Das Debugging entfällt, weil die Quelltexte maschinell erzeugt werden.

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