Schnelle, hochdynamische Bewegungen mit präziser Positionierung bilden die Basis für kurze Taktzeiten. In der Praxis begrenzen aber mechanische Resonanzfrequenzen, die durch Verfahrbewegungen angeregt wurden, die erreichbare Maschinendynamik und damit die Produktivität. Zur Dämpfung dieser Eigenschwingungen mussten Maschinenhersteller bislang die Mechanik versteifen oder dämpfen, um die Resonanzfrequenzen zu erhöhen. Diese Strategie treibt in der Folge die Maschinenkosten in die Höhe. Andere Ansätze nutzen Kaskadenregler zur aktiven Dämpfung der Schwingung oder reduzieren die Positionierdynamik durch die Anpassung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck. Die Ruckbegrenzung in der Sollwertaufbereitung benötigt wiederum eine sehr starke Filterwirkung, die sich negativ auf die erreichbare Positionierzeit auswirkt. Kurzum: Diese Ansätze gehen zu Lasten der Produktivität, da sie die erreichbare Dynamik nicht ausschöpfen.

Eine weitere Möglichkeit zur Schwingungsvermeidungung bieten Stromsollwertfilter. Indem kritische Frequenzanteile eliminiert werden, lässt sich die Anregung der Schwingungen durch den Drehzahlregler vermeiden. Allerdings eignen sich diese bislang nur für Frequenzen oberhalb von 100 Hz. Mit dem Ziel, diese Einschränkung aufzuheben, haben die Antriebsspezialisten von Rexroth eine aktive Schwingungsdämpfung ohne externen Sensor für das gesamte Frequenzband von 3 bis 180 Hz für das antriebsbasierte Motion-Logic-System „IndraMotion MLD“ entwickelt. Die aktive Schwingungsdämpfung basiert auf einer definierten Ausgleichsbewegung der Servoachse relativ zur erfassten mechanischen Schwingung. Der intelligente Antrieb arbeitet hier nach dem Prinzip eines mechanischen Tilgers, nur mit dem Vorteil, dass er ein ganzes Frequenzband dämpfen kann. Allerdings ist dazu das Erfassen der Schwingung in der mechanischen Struktur erforderlich.

Hierzu nutzt die zum Patent an­gemeldete Lösung die im Antrieb vorhandenen Messwerte. Die für die Regelung erforderliche Ist-Beschleunigung ermittelt ein „virtueller Beschleunigungssensor“ online auf Basis der verfügbaren Messwerte im Antrieb wie Motordrehzahl und Strom. Damit benötigt die aktive Schwingungsdämpfung keinen zusätzlichen Sensor. Auch bezüglich der Übergabewerte von einer externen Steuerung reicht der Standard – die Übergabe des Lagesollwertes oder der Zielposition – aus, da die erforderliche Sollbeschleunigung im Antrieb gebildet wird. So können Maschinenhersteller die Funktion auch in bereits bestehende Konzepte ohne Zusatzaufwand integrieren

Die aktive Schwingungsdämpfung gewährleistet bei Positionierachsen im Zusammenhang mit dem zur Schwingungsvermeidung verfügbaren „Anti-Vibration -Filter“ eine deutliche Reduzierung der Positionierzeit ohne Überschwingen bei der Zieleinfahrt. Ein schwach gedämpftes System mit zum Beispiel D=0,1, das heißt einem sehr starkem Nachschwingen, lässt sich so auf eine Dämpfung von D=0,9 mit nur noch einem Überschwinger bringen. Durch den Wegfall zusätzlicher Sensorik sinken schlussendlich die Kosten, die Komplexität und die Ausfallrate. Neben der erwähnten Beschleunigungsregelung lässt sich der allgemeine Prozessregler für andere Anwendungen einsetzen, zum Beispiel für eine Kraft-, Abstandstands- oder Druckregelung.

Feinfühlige Kraftregelung

Dynamik der Kraftregelung am Beispiel des Finishing-Prozesses: Die bestimmende Größe für die erreichbare Oberflächenqualität ist die Güte der Prozesskraft.

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Zusätzlich zu den Standard-Soll-/Istwerten für Strom, Drehzahl und Lage wertet eine antriebsbasierte Motion-Logic-Lösung weitere Prozesswerte zyklisch und unabhängig von der übergeordneten Steuerung aus. Im Fall der Rexroth-Lösung schließt die integrierte Soft-SPS im Antrieb den Regelkreis mit einer internen Abtastrate von lediglich bis zu 250 µs – im Vergleich zu konventionellen Regelungen in der Maschinensteuerung eine Verbesserung um den Faktor 8 bis 16. Daraus resultieren deutlich geringere Hardwarekosten und eine wesentlich höhere Sensitivität sowie Regeldynamik, was letztendlich zu einer optimalen Bearbeitungsgüte selbst bei geringen Kräften und dynamischen Störeinflüssen führt.

Durch eine parametrierbare Funktion lässt sich die dezentrale Prozessregelung ohne zusätzlichen Programmieraufwand abbilden. Über vorbereitete Parametersätze kann der Anwender sie einfach in Betrieb nehmen. Diese Kapselung der Prozessregelung im intelligenten Antrieb verringert zudem den Engineering-Aufwand und reduziert die Gesamtsystemkosten. Bei komplexeren Lösungen, beispielsweise im Zusammenspiel mit anwenderspezifischen Funktionen in der Steuerung oder speziellen Erweiterungen, kann der Maschinenbauer auf Bausteinebene auch selbst programmieren. Auf Basis der integrierten SPS nach IEC 61131-3 lässt sich die Reglerstruktur dann auf die speziellen Anforderungen adaptieren.

Motion-Steuerungen können entfallen

Die Funktion Schwingungsdämpfung in IndraWorks: Zu sehen ist der Dialog zur Parametrierung – von der Konfiguration und Aufbereitung von Istwert- und Sollwert-Signalen, über die Aktivierung bis zur Parametrierung des Reglers und notwendiger Filter.

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Die Vorteile der dezentralen Prozessregelung kommen bereits in Applikationen unterschiedlicher Branchen zum Tragen. Das realisierte Einsatzspektrum reicht von der feinfühligen Kraftregelung bei der Montage sicherheitskritischer Bauteile oder beim Reibrührschweißen bis zur präzisen Abstandsregelung in der Solarzellenfertigung oder der Druckregelung bei drehzahlvariablen Pumpenantrieben. Der leistungsfähige Regler eignet sich unter anderem dazu, bislang notwendige Motion-Steuerungen komplett zu ersetzen. Diesen Ansatz wählt zum Beispiel ein Automobilhersteller in einer automatisierten Einpressstation für die Montage sicherheitskritischer Bauteile. Der Regler verhindert hier zuverlässig selbst kurzzeitige Kraft- und Positionsüberschreitungen beim Einfügen und erhöht damit die Prozesssicherheit. Die antriebsbasierte Prozessregelung steuert dabei bis zu acht Achsen an, davon sieben im Slave-Betrieb.

In komplexeren Maschinen hat sich der dezentrale Ansatz ebenso bereits bewährt. Die Firma Thielenhaus Technologies, Hersteller von Microfinish- und Superfinish-Maschinen sowie von Doppelseitenschleifmaschinen zur Verbesserung von Form- und Oberflächen­qualitäten, ersetzt bei der neuesten Generation ein- und mehrspindliger Bearbeitungsmaschinen die bislang eingesetzte NC-Steuerung komplett durch die antriebsbasierte Regelung. Letztere erfasst über einen externen Sensor die Kraft, die über die Z-Achse auf das Werkstück einwirkt. Während die NC-Steuerung vorher die Daten in einer Zykluszeit zwischen 4 und 8 ms ausregelte, erhöht die interne Abtastrate der IndraMotion MLD von 250 µs die Be­arbeitungsgüte deutlich und optimiert den Schleifprozess. Dabei regelt die antriebsbasierte Lösung flexibel unterschiedliche Vorgaben der verschiedenen Verfahren – vom Schruppen bis zum Bürsten.

Ursprünglich für die Kraft- und Beschleunigungsregelung entwickelt, erobert die dezentrale Prozessregelung nicht zuletzt immer neue Anwendungsgebiete, weil sie alle Arten von Prozesssignalen erfassen und auswerten kann. So setzt ein Hersteller für die Ausrüstung der Solar-Industrie die dezentrale Intelligenz für die Abstandsregelung von zwei Achsen für den Transport sensibler Solarpanels ein. Schon bei geringen Unterschreitungen des Abstands können die empfindlichen Bauteile in diesem Stadium brechen und damit die Ausbringung deutlich reduzieren. Hier erhöht die hohe interne Abtastrate die Prozessgüte und damit die Produktivität.
Antriebsbasierte Prozessregler sorgen aber nicht nur für mehr Leistung sowie eine höhere Fertigungsqualität, sondern tragen darüber hinaus dazu bei, die Energie-Effizienz von Maschinen und Anlagen zu erhöhen. Mit Hilfe der dezentralen Antriebslösung ist zum Beispiel der Druck in drehzahlvariablen Pumpenantrieben für Hydraulik-Aggregate regelbar. Im Vergleich zu herkömmlichen Konstantpumpen lassen sich dabei bis zu 80 % Energie sparen.

Gerade bei Anwendungen mit hohen Dynamikanforderungen bietet sich in diesem Zusammenhang die Variante der servovariablen Pumpenantriebe an. Die Antriebsregelung erfasst über einen Sensor den Druck-Istwert und regelt über die Drehzahl der Pumpe hochdynamisch auf den Drucksollwert hin. Dabei eignet sich die Mehrachssteuerung von Rexroth sogar für Aggregate mit mehreren Pumpenantrieben im kaskadierenden Betrieb. Die Software berücksichtigt zudem die fluidspezifischen Besonderheiten und für die übergeordnete Steuerung verhält sich das Aggregat wie eine elektrische Achse mit allen gewohnten Diagnosemöglichkeiten.
Last but not least kann der Anwender die Prozessregelung mit den nach aktuellen Normen zertifizierten Sicherheitsfunktionen „Safety-on-Board“ von Rexroth kombinieren. Das reduziert den Engineering-Aufwand weiter und gewährleistet höchsten Schutz für Bediener und Wartungspersonal.

Autor: Matthias Wahler ist Leiter System­entwicklung Antriebe und Mechatronic Support bei Bosch Rexroth.