Elektrische Antriebe

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Die Pneumatik ist in ihrer Einfachheit und Kosten von allen anderen Technologien nicht zu erreichen. Sie kann ohne großes Spezialwissen problemlos weltweit eingesetzt werden, wenn die Anforderungen an Geschwindigkeit, Beschleunigung und Genauigkeit in den Möglichkeiten der Pneumatik bleiben und keine große Flexibilität erforderlich ist, z. B. frei programmierbare Positionen, ist es die Technik die ausgewählt werden sollte.
In allen anderen Fällen haben elektrische Antriebe gute Chancen für eine Realisierung der Projekte.

Leistungsunterschiede

Antriebstechnologie Standard-
Pneumatik
Riemenantrieb Gleitgewindetrieb
Kugelgewindetrieb Linearmotor
Symbol Standardpneumatik.png Symbol Riemenantrieb.png Symbol Gleitgewindetrieb.png Symbol Kugelgewindetrieb.png Symbol Linearmotor.png
Last ++
(bis 100 kg)

+++ (bis 200 kg)

++
(bis 100 kg)
+++
(bis 200 kg)
+
(bis 30 kg)
Geschwindigkeit ++
(3 m/s)
+++
(5…10 m/s)
+
(0,5 m/s)
++

(3…5 m/s)







+++
(5…10 m/s)
Beschleunigung +
(30 m/s²)
+++
(100 m/s²)
+
(30 m/s²)
++
(50 m/s²)
+++
(…150 m/s²)
Präzision ++
(100 µm)
++
(100 µm)
++
(50 µm)
+++
(20 µm)
+++
(3 µm)
Geräusche (bei
gleicher v und a)
+
sehr laut
++
laut
++
mittel
+++
leise
+++
leise
Steifigkeit ++
mittel
++
mittel
+++
sehr hoch (Umkehrspiel)
+++
sehr hoch
+++
hoch
Hub +++
(bis 8,5 m)
+++
(bis 10 m)
++
(bis 2 m)
++
(bis 2 m)
+++
(bis 10 m)
Kosten (Total Cost
of Ownership)
+++ ++
(ca. 2 * Pneumatik)
++
(ca. 2,5 * Pneumatik)
+
(ca. 3 * Pneumatik)
+
(ca. 4 * Pneumatik)
Flexibilität +
nicht programmierbar
+++
programmierbar
+++
programmierbar
+++
programmierbar
+++
programmierbar
Leistungsdichte +++
hoch
++
mittel
++
mittel
++
mittel
+
niedrig
Wartung +++
wartungsfrei
+++
wartungsfrei
+
nachschmieren
+
nachschmieren
+
nachschmieren
Lebensdauer +++
sehr lang
+++
sehr lang
+
begrenzt
+++
sehr lang
+++
sehr lang


Pneumatik

Die Pneumatik ist in ihrer Einfachheit und Kosten von allen anderen Technologien nicht zu erreichen. Sie kann ohne großes Spezialwissen problemlos weltweit eingesetzt werden, wenn die Anforderungen an Geschwindigkeit, Beschleunigung und Genauigkeit in den Möglichkeiten der Pneumatik bleiben und keine große Flexibilität erforderlich ist, z. B. frei programmierbare Positionen, ist es die Technik die ausgewählt werden sollte.

Zahnriemenantriebe

Achsen mit Zahnriemenantrieben sind die Standardlösung für frei programmierbare Linearachssysteme. Die Dynamik dieser Achsen ist hoch, es können sehr lange Achsen aufgebaut werden. Einschränkungen müssen jedoch bei der Genauigkeit gemacht werden. Sind Anwendungen mit hoher Flexibilität bei möglichst geringen Kosten zu lösen, ist dies die bevorzugte Technologie.

Gleitgewindetriebe

Gleitgewindetriebe sind eine günstige Lösungen für Spindelachsen und bieten bei Vertikalbetrieb den Vorteil, dass Gleitgewinde selbsthemmend sind und ein erhöhtes Sicherheitsbedürfnis abdecken können. Für den dauerhaften Betrieb müssen regelmäßige Schmierungen vorgenommen werden. Sind höhere Vorschubkräfte bei niedrigen Laufleistungen und interessanten Kosten notwendig, werden in der Regel Gleitgewindetriebe verwendet.

Kugelgewindetriebe

Linearachsen mit Kugelumlaufspindeln sind eine gute Lösung für hochgenaue Anwendungen. Hier sind jedoch die Anschaffungskosten vergleichsweise etwas höher, jedoch bei einer hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer. Kommt es auf diese Eigenschaften an, sind Achsen mit Kugelumlaufspindeln die erste Wahl.

Linearmotoren

Linearmotoren haben den Ruf einer sehr teuren, innovativen Technologie. Es gibt inzwischen technische Lösungen, die Plug & Work zulassen. Linearmotoren glänzen mit sehr hoher Dynamik und hoher Genauigkeit, allerdings nur bei relativ kleinen Lasten.

Glossar

Absolutes Messsystem

Bei einem absoluten Messsystem ist immer ein fester Nullpunkt bekannt, in Bezug zu dem die Position der Achse ausgegeben wird. Vergleichbar ist dies mit einem Lineal, bei dem Sie wissen, wo der Nullpunkt ist und Sie 25,4 Millimeter ablesen können (siehe inkrementelles Messsystem).

Absolutes Positionieren

Die absolute Positionierung verwendet immer einen Nullpunkt als festen Bezugpunkt und es wird in Bezug auf diesen Nullpunkt positioniert, d. h. Sie fahren von der Position 80 mm auf die Position 95 mm (siehe inkrementelles Positionieren).

AC

Abkürzung für engl. „alternating current“, Wechselstrom. Die übliche Abkürzung für den sinusförmigen Wechselstrom, der weltweit zum Anschluss von elektrischen Geräten an Steckdosen zur Verfügung steht.

Bürstenlose und bürstenbehaftete Motoren

Bei Elektromotoren entsteht die Kraft dadurch, dass sich zwei Magnetfelder anziehen. Eines dieser Magnetfelder kann sich drehen, so dass sich bei vorhandenem Magnetfeld, der Motor dreht. Die größte Kraft des Motors entsteht, wenn die Magnetfelder senkrecht aufeinander wirken. Um dies zu erreichen, muss ein Magnetfeld entsprechend umgeschaltet werden. Dies erfolgt bei bürstenbehafteten Motoren über Kohlebürsten und bei bürstenlosen Motoren über die Motorelektronik.

Closed Loop

siehe Regelung

DC

Abkürzung für engl. „direct current“, Gleichstrom. Dies ist die häufig verwendete Abkürzung für den Gleichstrom, wie er von Batterien geliefert wird.

Direktantrieb

Ein Direktantrieb ist ein besonders konstruierter Motor, der bei kleinen Geschwindigkeiten sehr hohe Kräfte erzeugen kann. Dies führt zu einer sehr hohen Beschleunigung und Verkürzung von Taktzeiten. Bei einem Direktantrieb wird die zu bewegende Last direkt auf dem Motor montiert, ohne Getriebe und weitere Mechanik. Diese Technik gibt es als rotative Direktantriebe, die Torquemotoren und lineare Direktantriebe, die Linearmotoren.

Drehstrom

Der Drehstrom ist eine besondere Form des Wechselstroms, der über drei Leitungen und der Nullleiter (die Rückleitung) übertragen wird. Er wird zum Anschluss von besonders leistungsstarken Elektromotoren und Maschinen verwendet.

Echtzeitfähigkeit

Die Echtzeitfähigkeit gibt an, dass die Reaktionszeiten einer Elektronik oder eines Feldbusses innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgt. Um hier eine eindeutliche Aussage machen zu können, ist die erforderliche Reaktionszeit notwendig. Eine moderne Steuerung verarbeitet alle Ein- und Ausgänge innerhalb von 10 bis 20 ms, d. h. sie hat eine Reaktionszeit in diesem Rahmen.

Elektronische Bremse

Die elektronische Bremse wird im Motorcontroller realisiert, der den Motor wie ein Generator schaltet, d. h. Strom erzeugen lässt, und so die mechanische Energie der Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt. Durch diese Energieumwandlung wird der Motor abgebremst, jedoch kann der Motor dabei nicht blockiert und angehalten werden.

Encoder

Ein Encoder ist ein optisches oder magnetisches Messsystem, das nach einer bestimmten Bewegung eine bestimmte Anzahl von Impulsen ausgibt. Bei Elektromotoren sind Encoder mit 1000 bis 4000 Impulsen pro Umdrehung üblich.

Feldbus

Feldbusse sind serielle Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den verschiedenen Arten der Elektroniken in einer Anlage. Sie sind in den technischen Daten, Software und Reaktionszeit genormt, so dass die Elektroniken unterschiedlicher Hersteller beliebig kombiniert werden können. Die Feldbusse, die für Motorcontroller angeboten werden sind CAN, Profibus, DeviceNet.

Frequenzumrichter

Ein Frequenzumrichter ist eine Elektronik, die dazu dient, die Drehzahl eines Drehstrommotors einstellbar zu machen. Mit dieser Elektronik kann nur die Geschwindigkeit eingestellt werden, jedoch keine Position angefahren werden. Dazu sind noch ein übergeordneter Regler und ein Meßsystem erforderlich.

Haltebremse

Die in der Handhabungstechnik verwendeten Bremsen sind in der Regel Haltebremsen, d. h. sie können eine Achse im Stillstand halten. Es ist meistens möglich, dass eine Haltebremse einige Male eine Bewegungsachse bei einem Spannungsausfall abbremst.

Inkrementelles Messsystem

Bei einem inkrementellen Messsystem ist kein fester Nullpunkt vorhanden. Es muss mit einer Referenzfahrt zuerst ein Nullpunkt definiert werden, bevor eine absolute Position angefahren werden kann, siehe absolutes Messsystem.

Inkrementelles oder relatives Positionieren

Bei der inkrementellen Positionierung wird immer in Bezug zur aktuellen Position verfahren, d. h. Sie geben an, dass eine Achse noch 10 mm weiter fahren soll.  absolutes Positionieren.

Laststromkreis

Am Leistungsstromkreis werden große Leistungen für die Motoren zur Verfügung gestellt. Diese werden an die Leistungsteile der Elektroniken angeschlossen, die dann die Motoren versorgen. Häufig wird Falle eines Notaus nur der Laststromkreis ausgeschaltet und der Steuerstromkreis bleibt eingeschaltet. Dadurch ist immer die Lage einer Achse bekannt. Dies ist mit den Motorcontrollern CMMS, SFC und SEC möglich.

Linearmotor

siehe Direktantrieb.

Motorcontroller

Ein Motorcontroller ist ein Frequenzumrichter, der einen zusätzlichen Regler eingebaut hat. Damit können verschiedene Positionen gezielt angefahren werden. Die Bezeichnungen unserer Motorcontroller sind CMMS, SFC und SEC.

Notaus-Schaltung

Die Notaus-Schaltung dient dazu, dass bei einer erkannten Gefahr, die Maschine in einen sicheren Zustand gebracht wird. Dies bedeutet in der Regel, dass zuerst alle Bewegungen abgebremst werden und dann die Versorgungsspannung ausgeschaltet wird. Die Motorcontroller CMMS, SFC und SEC weisen einen Eingang auf, der zur schnellstmöglichen Abbremsung verwendet werden kann. Die Spannungsabschaltung erfolgt auf Kundenseite.

Open Loop

siehe Regelung

PNP-Logik und NPN-Logik

Die Verdrahtung der logischen Ein- und Ausgänge erfolgt in Europa in PNP-Logik, d. h. es wird von + über die Last auf – geschaltet. Bei der NPN-Logik wird von – über die Last auf + geschaltet. Dies ist zum einen historisch bedingt, hat aber auch einen Sicherheitsaspekt. Bei der NPN-Logik gibt es sehr viele Klemmen, die direkt auf die +-Leitung verdrahtet sind. Gibt es einen Kurzschluss von einen dieser Klemmen auf das Gehäuse oder -, funktioniert kein Ausgang mehr. Geschieht dies bei der PNP-Logik, wird der Ausgangstransistor zerstört, jedoch können alle anderen Ein- und Ausgänge weiterarbeiten.

Regelung

Eine Regelung findet statt, wenn die zu erreichende Größe gemessen wird und entsprechend dieser Messung die Elektronik reagiert. Eine Regelung erkennt automatisch externe Einflüsse und kann entsprechend reagieren, dass keine Fehler auftreten.
Man spricht von einer closed-loop-Regelung, wenn die zu erreichende Größe direkt gemessen wird, z. B. mit einem Wegmesssystem am Wagen einer Linearachse. Eine semi-closed-Regelung ist eine Regelung, wo zwischen Messsystem und zur erreichenden Größe eine zusätzliche Mechanik liegt, z. B. bei einer Zahnriemenachse mit Servomotor, wo das Messsystem auf dem Motor sitzt und zwischen diesem und dem Wagen sich der Zahnriemen befindet.
Eine open-loop-Regelung ist keine Regelung im eigentlichen Sinn, sondern nur eine Steuerung.

Resolver

Ein Resolver ist ein induktives Messsystem. Das Funktionsprinzip entspricht einem Generator, d. h. es wird eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz direkt von der Geschwindigkeit abhängt. Aus dieser Frequenz kann eine Elektronik die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position bestimmen.

Servomotor

„Servo“ steht für Regelung. Der Servomotor hat ein eingebautes Messsystem, so dass immer genau feststeht, wo der Motor steht. Damit werden externe Kräfte erkannt und ausgeregelt. Dadurch wird eine sehr hohe Genauigkeit erreicht.

Schrittmotor

Ein Schrittmotor ist ein besonders konstruierter Motor, der in einzelnen Schritten weitergeschaltet wird. Durch diese schrittweise Schaltung ist der Betrieb relativ laut, jedoch vibriert der Motor im Stillstand nicht. Bei einem normalen Schrittmotor ist kein Messsystem eingebaut. Der Motor wird gesteuert und nicht geregelt, so dass er relativ ungenau ist.

Steuerstromkreis

Am Steuerstromkreis werden normalerweise die Versorgungsspannung der Elektroniken angeschlossen. Sie dient zur Versorgung der Logik, der Messsysteme, der Schalter und der Anzeigen. Der Steuerstromkreis sollte vom Laststromkreis getrennt verlegt werden.

Steuerung

Von einer Steuerung wird gesprochen, wenn die Elektronik ein Signal an einen Motor gibt und keine Rückmeldung erhält, ob die Position erreicht wird. Alle Schrittmotoren ohne Encoder arbeiten auf diese Weise und ist auch mit ausreichender Sicherheit möglich, solange das Spitzenmoment des Motors nicht erreicht wird.
Unter einer Steuerung oder SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) wird eine Elektronik verstanden, die in einer definierten Zeit alle Eingänge verarbeitet und die Ausgänge entsprechend setzt.

Torquemotor

siehe Direktantrieb. Dieser Begriff wird auch für Hauptantriebe von Maschinen verwendet. Je nach Anwendungsgebiete ist der Begriff „rotative Direktantriebe“ besser geeignet.