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Sicher stoppen, halten und weitermachen: Antriebsoptimierung für vertikale Lasten

16 Aug 2022
Kollmorgen Experten

Bei der Entwicklung von Antriebslösungen für Anwendungen wie vertikale Portale und Hebevorrichtungen müssen Sie besonders darauf achten, dass Bedienersicherheit und Betriebseffizienz gewährleistet sind. Wir sprechen nun darüber, mit welchen Best Practices die jeweiligen Herausforderungen gemeistert werden können.

Das Problem: Die Schwerkraft geht keine Kompromisse ein

Wenn eine Last in einem Servosystem potenzielle Energie gespeichert hat – entweder durch die Schwerkraft oder die Federwirkung – müssen ein oder mehrere Servomotoren einen Teil der Last oder die gesamte Last mit absoluter Stabilität und Zuverlässigkeit halten, selbst wenn der Motor sich nicht bewegt. Bei den meisten industriellen Anwendungen können das Gewicht und somit die potenzielle Energie dieser Last von Tag zu Tag oder sogar von Augenblick zu Augenblick stark schwanken.

Durch die Verlangsamung dieser variablen Lasten bis zum Halt oder deren Beschleunigung vom Haltezustand aus werden diese Kräfte erheblich stärker vergrößert als bei einer horizontalen Anwendung, bei der die Last hauptsächlich durch strukturelle Elemente wie Träger, Streben und Lager gehalten wird anstatt durch einen Motor, ein Getriebe, Bremsen oder andere mechanische Bauteile.

Sie können es sich absolut nicht leisten, dass die Last herunterfällt. Dies könnte Produktverlusten, Betriebsunterbrechungen oder sogar Verletzungen nach sich ziehen.

Da die Trägheitskraft und die potenzielle Energie während und zwischen Produktionsläufen schwankt, benötigen Sie ein System, das einen gleichbleibenden Durchsatz aufrechterhält. Sie benötigen eine sichere Bremsenansteuerung, damit Bediener je nach Bedarf in die Produktionslinie eingreifen können, ohne die Anlagen abzuschalten oder der Versuchung zu erliegen, Sicherheitseinrichtungen wie Tore und Käfige zu umgehen. Und Sie benötigen einen Weg, um bei minimaler Unterbrechung routinemäßig sichere Bremsfunktionen zu prüfen.

All diese Anforderungen gestalten sich noch schwieriger, da die Schwerkraft keine Kompromisse zulässt. Da der Schwerkraft die Sicherheit egal ist, müssen Sie die Sicherheit zu Ihrer obersten Priorität machen – ohne Kompromisse.

Stimmen Sie Ihre Achse gleich beim ersten Mal richtig ab

Bei der Abstimmung und Einstellung von Bremsparametern – wie Totzone und Eingriffszeit der Bremse, ist es einfach, hypothetische Vermutungen aufzustellen, die sich unter Praxisbedingungen nicht bewahrheiten. Diese falschen Vermutungen führen zu einem Optimierungs- und Prüfprozess, der sich übermäßig oft wiederholt. Dadurch wird Ihr Entwicklungszyklus in die Länge gezogen und es können sogar Sicherheitsprobleme auftreten.

Es wäre beispielsweise falsch, anzunehmen, dass die ideale Bremsverzögerungszeit gleich null sein könnte. Null ist nicht möglich, da es bei einer Bremsbetätigung immer zu einer Verzögerung und Reaktionszeit kommt. Wenn ein Servosystem vom Bewegen einer Last zum Halten einer Last in einer festen Position übergeht, kommt es zu unendlichen Schwingungen, da das Rückführsystem die Achsposition meldet und der Servoantrieb mit Spannungs- und Strombefehlen reagiert, die die Last in die Zielposition bringen sollen. Dies erfolgt fortlaufend und äußerst schnell. Allerdings ist ein Servosystem von Natur aus ein dynamisches System, das immer kleine Anpassungen vornimmt und niemals einen kompletten Stillstand erreicht.

An einem bestimmten Punkt wird diese Schwingung unterbrochen und die Last festgehalten, während die Maschine den nächsten Prozess abschließt. An diesem Punkt muss das Servosystem die Kraft von der Achse nehmen und eine Haltebremse betätigen, um die Bewegung zu stoppen und die vertikale Last absolut stabil zu halten. Wenn es an der Zeit ist, die Last erneut zu bewegen, muss das Gegenteil geschehen: Das System muss die Bremskraft aufheben und nahtlos ein Drehmoment anwenden, um die Last ohne Ruckeln zu beschleunigen – und natürlich ohne sie fallen zu lassen.

Weder die Antriebsbefehle noch die Bremskraftanwendung erfolgen gleichzeitig. Beim Entwickeln vertikaler Lastanwendungen ist es wichtig, die Verzögerungen in Antriebs- und Bremssystemen zu berücksichtigen, egal wie klein sie sind. Bei der anfänglichen Optimierung des Antriebs besteht die größte Herausforderung häufig darin, dass die Entwicklungsingenieure nicht die vielen verschiedenen Lastarten vorhersehen können, die vom System getragen werden.

Da Ingenieure die physikalischen Gegebenheiten bei der Handhabung leichter und schwerer Lasten nicht kennen können, ist es für sie schwierig, den Antrieb so zu optimieren, dass er diese Lasten ohne erhebliche Verzögerungen oder ruckartige Bewegungen abbremsen und beschleunigen kann. Außerdem kann es erforderlich sein, dass die Achse eine ganze Schicht oder ein ganzes Wochenende lang einrastet und fest in Position verbleibt. Daher muss das Kontrollverfahren absolut zuverlässig sein.

In Anbetracht dieser Herausforderungen müssen die Ingenieure die richtige Größe für die maximale Last wählen und gleichzeitig auch leichtere Lasten berücksichtigen. Um es gleich beim ersten Mal richtig zu machen und das Risiko sowie übermäßige Tests und Nacharbeiten zu minimieren, ist es entscheidend, die richtige Totzone und die Einfallzeit der Bremse zu berücksichtigen. Die Ingenieure von Kollmorgen haben weitreichende Erfahrung beim Optimieren vertikaler Lasten und können Ihnen dabei helfen, Methoden anzuwenden, die sich bei zahlreichen vertikalen Anwendungen als erfolgreich erwiesen haben.

Stellen Sie stets einen zuverlässigen Betrieb sicher

Um einen fortlaufenden, zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, müssen Sie ein zuverlässiges Antriebssystem spezifizieren. Dies beinhaltet sowohl die Funktionen als auch die Komponenten des Systems.

So ermöglicht beispielsweise die in denAKD2G-Servoantrieben der nächsten Generation von Kollmorgen integrierte Safe Brake Control-Funktionalität dem Antriebsssystem, eine Achse in Position zu bringen, den Servomotor zu entlasten, während die Bremse koordiniert eingesetzt wird, und die Last sicher in Position zu halten, ohne dass die Anlage abgeschaltet werden muss. Das ist ein enormer Produktivitätsgewinn, zum Beispiel wenn ein Bediener ein Tor sicher öffnen und etwas auf die Produktionslinie stellen oder von ihr nehmen muss. Die Achse kann dann so schnell und reibungslos wieder gestartet werden, wie sie angehalten wurde, und die Produktion kann praktisch ohne Unterbrechung fortgesetzt werden.

Die Kollmorgen Safe Brake Control umfasst auch ein Server-Sicherheitssignal, mit dem zwei Bremsen für einen einzigen Motor eingesetzt werden können. Dies stellt die erforderliche Redundanz bereit, um unter allen Umständen und in Übereinstimmung mit den Anforderungen des Kunden, mit den Industrie-Richtlinen und regulatorischen Anforderungen ein zuverlässiges Bremsen zu gewährleisten.

Die Funktion "Safe Brake Test" ermöglicht das Testen von Motorbremsen, indem bei betätigter Bremse ein Drehmoment vom Motor angewandt und das System überwacht wird, um sicherzustellen, dass keine Bewegungen auftreten. Da diese Testfunktion im AKD2G-Antrieb integriert ist, können Bediener das Bremssystem bei minimaler Unterbrechung prüfen, wenn es am besten in ihren Zeitplan passt. Durch in den Antrieb integrierte funktionale Sicherheitsfunktionen sind außerdem keine externen Lösungen mehr nötig, die von einer komplexen und potenziell fehleranfälligen Integration zwischen dem Controller, der sicheren SPS und dem Antrieb abhängig sind.

Abgesehen vom Antrieb ist das ganze Antriebssystem für einen zuverlässigen Betrieb wichtig. Zum Beispiel werden Kabel oft erst nachträglich spezifiziert. Minderwertige Kabel am Kommunikationsbus können jedoch anfällig für elektromagnetische Störungen sein, die wiederum Rückführungs- und Positionsfehler verursachen. Bremsstromkabel, die nicht mit dem richtigen Kabelquerschnitt spezifiziert sind, können dazu führen, dass die Bremse spontan geschlossen wird, was zu unerwarteten Bremsendurchläufen und Betriebsproblemen führt.

Bei der Handhabung vertikaler Lasten ist absolute Zuverlässigkeit die einzige Option. Ein Antriebspartner, der zuverlässige Komponenten liefern kann, die dafür entwickelt wurden, zusammenzuarbeiten, die Integration zu vereinfachen und leistungsstarke Tools für die Antriebsprogrammierung und -optimierung bereitzustellen, kann Ihnen dabei helfen, verlässlichen Erfolg zu erreichen.

Erhalten Sie den Support, den Sie brauchen – zu Ihren Bedingungen

Gehen Sie es nicht allein an. Wenn Sie Produkte von Anbietern von Antriebslösungen beziehen anstatt von einem echten Antriebspartner, sind Sie der einzige Experte, wenn es um den Zusammenbau und die Inbetriebnahme der Produkte geht. Wenn die Produkte nicht funktionieren, stehen Sie alleine da. Die Zusammenarbeit mit Antriebsexperten ist eine bessere und ehrlich gesagt auch sicherere Vorgehensweise.

Kollmorgen besitzt mehr als 100 Jahre Erfahrung mit Antriebssystemen, die sich als die hochleistungsfähigsten und zuverlässigsten Motoren, Antriebe, Programmiertools und Automatisierungslösungen in der Industrie bewährt haben. Unsere Ingenieure verfügen über einen unübertroffenen Erfahrungsschatz und helfen Maschinen- und Roboterentwicklern dabei, ihre Ziele in praktisch jeder Branche zu erreichen, die auf Antriebssysteme angewiesen ist.

Nutzen Sie unsere Self-Service-Supportoptionen wie etwa unsere Online-Design-Tools, E-Learning-Angebote, unsere Datendank und die Experten-Community im Kollmorgen Developer Network. Und wenn Sie persönliche Hilfe benötigen, können Sie uns jederzeit kontaktieren, um mit unseren Ingenieuren zu sprechen. Sie kennen unsere Produkte und die Anwendungen Ihrer Industrie in- und auswendig.

Wir möchten, dass Sie erfolgreich sind – zu Ihren Bedingungen.

Über den Autor

Kollmorgen Experts

Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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