Präzise Positionsdaten für maximale Performance

Der Automatisierungsspezialist aus dem schwäbischen Aldingen versteht sich als Technologie-Partner seiner Kunden: „Unsere Ziel ist es, jede Anwendung zu verstehen und die optimale Lösung dafür zu finden“, beschreibt Johann Bücher die Firmen-Philosophie. Als 'Director Encoder Strategy' verantwortet Bücher bei Hengstler die Entwicklung der Inkremental- und Absolutwertgeber. Er weiß, mit welchen Herausforderungen die Produzenten von Servomotoren konfrontiert sind: In den Gesprächen mit Herstellern auf der ganzen Welt kristallisierten sich diese fünf Trends heraus. 

Trend Nr. 1: Sensorfusion 

Im Bereich Servomotorfeedback hat sich in den vergangenen Jahren sehr viel getan. „Es wird immer mehr Sensorik im Motor verbaut, um dem Anwender so viele Informationen über den Betriebszustand zur Verfügung stellen zu können, wie möglich“, hat Johann Bücher beobachtet. „Der Grund für diese ,Sensorfusion‘ liegt unter anderem in der Weiterentwicklung der Elektronik, die heute viel leistungsfähiger ist als noch vor einigen Jahren“, berichtet der Encoder-Experte. 

Ein gutes Beispiel für Anwendungen mit einer Vielzahl von Sensoren sind laut Bücher Industrieroboter und Cobots. Hier erfolgt über das Drehmoment eine sehr präzise Lageregelung, damit der Roboterarm exakt in die gewünschte Position fährt. Um die präzise Positionierung des Endeffektors trotz der großen Toleranzen im Roboterarm zu erreichen, müssen die Hersteller allerdings eine Vielzahl von Sensoren einsetzen. 

Hengstler sorgt nicht nur mit seinen Absolutwertgebern der Acuro-Reihe für die hochpräzise Erfassung der Endeffektor-Position. Johann Bücher und seine Kollegen haben mit Acuro Link auch eine Ein-Kabel-Lösung für hochperformante Motion-Control-Anwendungen entwickelt. Über Acuro Link können unterschiedlichste Daten in Echtzeit parallel über ein einziges Kabel gesendet werden – neben Positionsinformationen also zum Beispiel auch die Wicklungstemperatur des Servomotors, der den Roboterarm bewegt. Durch den Einsatz der Ein-Kabel-Lösung benötigen Maschinenbauer zudem 50 Prozent weniger Leitungen und Stecker, sodass die Gesamtsystemkosten deutlich sinken. Darüber hinaus wird auch weniger Bauraum beansprucht, sodass die Konstruktion sehr kompakter Maschinen und Anlagen möglich ist. 

Trend Nr. 2: funktionale Sicherheit 

Eine große Rolle bei Servomotor-Anwendungen spielt inzwischen auch das Thema 'Safety'. „Praktisch alle neuen Maschinen und Anlagen müssen heute ,funktional sicher‘ sein“, sagt Johann Bücher. Der Grund liege unter anderem in den gestiegenen Anforderungen: „Maschinen sind inzwischen meist modular aufgebaut, damit der Betreiber sie schnell an sich verändernde Produktionsbedingungen anpassen kann.“ Der modulare Aufbau verträgt sich aber schlecht mit den bisher üblichen Safety-Maßnahmen wie zum Beispiel Sicherheitszäunen: Diese machen einen schnellen Umbau der Maschine schwierig bis unmöglich. „Deshalb müssen die einzelnen Komponenten der Anlagen eine möglichst hohe Funktionale Sicherheit aufweisen, um den Wegfall der Zäune zu kompensieren.“ Die Schnittstelle Acuro Link  entspricht nicht nur den SIL3-Anforderungen, sondern auch denen des Performance Levels e (PLe), Kategorie 3 (nach EN ISO 13849).

 Da Acuro Link schon eine sehr hohe funktionale Sicherheit bietet, müssen alle weiteren Komponenten einer Maschine beziehungsweise eines Motors nicht zwingend selbst auch funktional sicher sein. Maschinen- und Antriebstechnik-Hersteller können daher aus einer wesentlich größeren Bandbreite an Zubehör wählen, als wenn sie SIL-zertifizierte Bauteile nutzen müssten. 

Die Absolutwertgeber Acuro AD37 und Acuro AD58 von Hengstler weisen ebenfalls eine hohe funktionale Sicherheit auf. Die Encoder wurden speziell für den Einsatz mit Acuro Link konzipiert und sind zudem redundant ausgeführt, da die Signale über zwei voneinander getrennte Kanäle synchron übertragen werden. Fällt einer der Kanäle aus, greift die übergeordnete Steuerung auf den zweiten Kanal zu. Ein zusätzliches Safety-Feature der Drehgeber sind die Diagnose-Tools: Sie ermöglichen der Steuerung bei einem Übertragungsfehler den sicheren Weiterbetrieb des Servomotors. 

Trend Nr. 3: höhere Leistungsdichte 

Maschinen werden aber nicht nur modularer, sondern auch kompakter. Antriebstechnik-Hersteller stehen deshalb vor einigen Herausforderungen: „Die Servomotor-Hersteller müssen immer kürzere Antriebe konstruieren, sodass für den Drehgeber oft nur noch ein sehr kleiner Bauraum bleibt“, erklärt Bücher. Gemeinsam mit seinen Kollegen hat er deshalb mit dem Acuro AD37 den kompaktesten Multiturn-Encoder am Markt entwickelt. Der Absolutwertgeber hat eine Bautiefe von gerade einmal 29 mm und einen Gehäusedurchmesser von 38,3 mm. Am Acuro AD37 zeigt sich, dass hohe Präzision auch auf engstem Raum möglich ist: Der Drehgeber verfügt über eine Auflösung von 20 Bit im Singleturn- und 12 Bit im Multiturn-Betrieb. Darüber hinaus weist der Encoder eine Absolutgenauigkeit von ±36 Winkelsekunden und eine Wiederholgenauigkeit von ±10 Winkelsekunden auf. Für die leichte Anbindung an Standard-Servomotoren liefert Hengstler den Drehgeber auch in einer Ausführung mit 1:3-Konus. Über diesen lässt sich der AD37 einfach auf die Motorwelle aufstecken – aufwendige Modifikationen sind nicht nötig. 

Trend Nr. 4: größerer Temperaturbereich 

Bei den Servomotorfeedback-Drehgebern geht die Entwicklung zudem in Richtung eines weiteren Temperaturbereichs. „Bisher müssen Servomotoren oft unterhalb ihrer Nennleistung betrieben werden, da sie sich sonst zu stark erwärmen und dadurch die Funktionsfähigkeit des Gebers beeinträchtigen würden“, schildert Johann Bücher die Problematik. „Die Folge ist, dass die Motoren größer gebaut werden müssen, um dieselbe Leistung zu erzielen. Das geht dann auf Kosten des Bauraums.“ 

Hengstler hat sich deshalb intensiv mit diesem Thema beschäftigt und einfache, aber sehr effektive Lösungen gefunden. So wurde zum Beispiel beim Acuro AD37 eine Countex-Kupplung von KTR integriert, die für eine thermische Isolierung zwischen Motorwelle und Geberwelle sorgt. Dadurch können die Motor-Hersteller sehr dynamische Antriebe konstruieren, ohne die Genauigkeit des Drehgebers zu beeinträchtigen. Eine weitere konstruktive Maßnahme ist der Verzicht auf eine Eigenlagerung bei den Absolutwertgebern von Hengstler. So wird bei hohen Drehzahlen weniger Wärme erzeugt und man erzielt eine höhere Leistungsdichte am Antrieb. 

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Redaktion Automation NEXT

Die einfachste Möglichkeit, eine übermäßige Erwärmung des Motors zu verhindern, ist aber eine hochgenaue Regelung. „Bei vielen Servomotoren liefert das Feedbacksystem falsche Informationen an die Steuerung. Sie arbeiten deshalb ineffizient und es entsteht sehr viel Wärme.“ Mit der präzisen Positionsrückmeldung der Absolutwertgeber von Hengstler ließe sich die Effizienz der Antriebe deutlich steigern. Maschinen-Betreiber könnten auf diese Weise ihre Stromkosten stark senken und nebenbei noch einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. „Die Mehrkosten, die so ein Absolutwertgeber verursacht, haben sich durch den wesentlich geringeren Energieverbrauch der Antriebe schnell amortisiert“, so Bücher. 

Trend Nr. 5: absolute Messsysteme 

Der Sensor-Experte hat in den vergangenen Jahren noch einen weiteren Trend beobachtet: Immer mehr Maschinenbauer verwenden zur Positionserfassung absolute Messsysteme. Das hängt damit zusammen, dass die Anzahl der Achsen bei Werkzeugmaschinen stetig steigt: „Früher hatte man wenige, unabhängig voneinander agierende Achsen – da reichte es, wenn ein Referenzsensor zur Positionsermittlung einmal über die Endlage fährt. Inzwischen ist das Zusammenspiel der Achsen dafür zu komplex.“ Mehr als 80 Prozent der Servomotoren sind deshalb heute mit einem Absolutwertgeber ausgestattet, schätzt Johann Bücher. Den größten Anteil davon machen Multiturn-Encoder wie die AD37 und AD58 von Hengstler aus, die eine besonders hohe Auflösung und damit eine sehr präzise Positionserfassung ermöglichen.