Schrittmotoren haben in der Antriebstechnik einen festen Platz eingenommen. Sie sind zuverlässig, kostengünstig und eignen sich für eine Vielzahl von Maschinenachsen. Für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen mit vorhersehbaren Lasten sind sie nach wie vor eine kluge technische Wahl.
Wann sollte man dann von einem Schrittmotor zu einem Servomotor wechseln? Die Antwort lautet: dann, wenn Ihre Anwendung die Grenzen dessen überschreitet, was ein Schrittmotor zuverlässig leisten kann. Die Anforderungen an moderne Maschinen haben sich geändert. Anwendungen in den Bereichen Robotik und Intralogistik stellen mittlerweile höhere Anforderungen an jede Achse: schnellere Zykluszeiten, präzisere Abstimmung und konstante Leistung bei variablen Belastungen. Angesichts dieser steigenden Anforderungen erwägen viele Konstrukteure den Wechsel zu einem Servomotor.
Sehen wir uns einmal an, wann die Umstellung von Schrittmotoren auf Servomotoren sinnvoll ist und worauf Sie bei diesem Wechsel achten sollten.
Gehen Sie an die Grenzen von Schrittmotoren?
Wenn Sie verstehen, wie ein Schrittmotor funktioniert und wo dessen Spielraum endet, können Sie den Punkt für die Umstellung erkennen, bevor er zu Einbußen bei der Betriebszeit oder der Wiederholgenauigkeit führt. Mit steigenden Leistungsanforderungen treten in der Regel drei Einschränkungen von Schrittmotoren zutage
- Das Drehmoment nimmt bei höheren Drehzahlen ab.
Ein Schrittmotor verliert in der Regel ab etwa 1.000 U/min an nutzbarem Drehmoment, was auf die Wicklungsinduktivität und die Kernverluste zurückzuführen ist. Unterhalb dieses Bereichs liefern Schrittmotoren ein hohes Drehmoment bei kompakter Bauweise. Sobald man diesen Bereich überschreitet, sinkt das verfügbare Drehmoment rapide – genau dann, wenn es in vielen Anwendungsbereichen am dringendsten benötigt wird. - Konstantstromantriebe erzeugen unabhängig von der Last Wärme.
Ein Schrittmotor zieht den vollen Strom, unabhängig davon, ob die Anwendung ihn benötigt oder nicht. Dadurch entstehen zwei Ineffizienzen. An erster Stelle steht die thermische Energie, da verschwendete Energie in Wärme umgewandelt wird. Als Nächstes kommt der Stromverbrauch, da Sie mehr Leistung aufwenden, als für die Arbeit erforderlich ist. Ein Servomotor hingegen zieht nur so viel Strom, wie er benötigt. - Eine Architektur mit offenem Regelkreis kann versäumte Schritte nicht nachholen.
Ein herkömmlicher Schrittmotor mit offenem Regelkreis sendet Impulse und geht davon aus, dass der Motor diesen folgt. Bei variablen oder dynamischen Belastungen bleiben ausgelassene Schritte unentdeckt und werden nicht korrigiert. Mittlerweile gibt es Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis, die über einen Encoder verfügen, um die Position zu überprüfen und ausgelassene Schritte zu korrigieren. Dennoch ist dies immer noch nicht mit dem dynamischen Ansprechverhalten eines echten Servomotors mit Regelkreis zu vergleichen.
Wie schließen kostengünstige Servomotoren die Kostenlücke?
Die alte Annahme, dass Servos für Achsen der mittleren Leistungsklasse überdimensioniert und unerschwinglich sind, trifft nicht mehr zu. Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen im Bereich der Antriebstechnik haben sich verändert, und maßgeschneiderte Servoplattformen bieten nun einen höheren Mehrwert. Sie bieten eine höhere Leistung, reduzieren die Komplexität der Integration und nutzen Standard-Befestigungsmöglichkeiten sowie moderne industrielle Anschlussmöglichkeiten – und das alles bei wettbewerbsfähigen Preisen. Die alte Annahme, dass Servos für Achsen der mittleren Leistungsklasse überdimensioniert und unerschwinglich sind, trifft nicht mehr zu. Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen im Bereich der Antriebstechnik haben sich verändert, und maßgeschneiderte Servoplattformen bieten nun einen höheren Mehrwert. Sie bieten eine höhere Leistung, reduzieren die Komplexität der Integration und nutzen Standard-Montageverfahren sowie moderne industrielle Anschlussmöglichkeiten – und das alles zu wettbewerbsfähigen Preisen.
Über den Einkaufspreis hinausschauen
In der Regel mag ein Schrittmotor auf den ersten Blick kostengünstiger erscheinen. Berücksichtigt man jedoch die Überdimensionierung zur Erreichung des maximalen Drehmoments, höhere Betriebstemperaturen, Energieverluste und die Auswirkungen auf die langfristigen Betriebskosten, so verringert sich der Abstand zwischen den beiden Technologien. Dies gilt insbesondere dann, wenn man versucht, die Leistung auf Servo-Niveau zu erreichen.
Warum die Kollmorgen Essentials™-Servomotoren alle Anforderungen erfüllen
Das Kollmorgen Essentials™ Motion System ist eine ideale, praktische Lösung für kostenkritische Achsen, die eine Regelung im geschlossenen Regelkreis erfordern. Die Essentials-Servomotoren bieten echte Servoleistung im geschlossenen Regelkreis mit hochauflösender Absolut-Rückführung und Funktionen zur mehrachsigen Synchronisation und tragen gleichzeitig dazu bei, viele der Kosten- und Komplexitätsbarrieren zu beseitigen, die den Einsatz von Servomotoren bislang eingeschränkt haben.
- Servoleistung zu einem für Schrittmotoren vergleichbaren Preis. Kollmorgen Essentials bietet die Genauigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit eines echten Servosystems und ermöglicht gleichzeitig Kosteneinsparungen von rund 30 % im Vergleich zu Servosystemen der Premiumklasse. Dies trägt dazu bei, die Lücke zwischen Schrittmotor- und Servolösungen zu schließen.
- Vereinfachte Installation und Inbetriebnahme. Ein vorab aufeinander abgestimmtes System aus Motor, Antrieb und Ein-Kabel-Anschluss reduziert den Verkabelungsaufwand und vereinfacht die Inbetriebnahme. Die automatische Motorerkennung und der „Express Setup“-Workflow in Kollmorgen WorkBench tragen dazu bei, dass Maschinen selbst von Teams mit begrenzter Erfahrung im Bereich Servotechnik in weniger als 20 Minuten betriebsbereit sind.
- Absolute Rückführung als Standard. Jeder Motor verfügt über eine integrierte SFD-M-Multiturn-Absolut-Rückführung, wodurch die Batteriewartung entfällt und die Positionsdaten auch bei Stromausfällen erhalten bleiben.
- Bereit, wenn benötigt. Eines der stärksten Argumente für Schrittmotorsysteme war schon immer die Verfügbarkeit und die Liefergeschwindigkeit. Kollmorgen Essentials entspricht diesem Standard. Dank Lagerbeständen, kurzen Lieferzeiten und der Unterstützung von EtherCAT®, EtherNet/IP™ und PROFINET® erleichtert Kollmorgen Essentials Servotechnik in einer Vielzahl von Maschinenkonstruktionen standardmäßig einzusetzen.
Für OEM-Maschinenbauer, die die Umstellung auf Servoantriebe bisher aufgeschoben haben, weil sich die Zahlen nie ganz gerechnet haben, ändern sich mit Kollmorgen Essentials die Berechnungen.
6 Anzeichen dafür, dass der Wechsel von einem Schrittmotor zu einem Servomotor unausweichlich ist
Kein einzelnes Symptom zwingt zu einem Wechsel. Häufig treten mehrere dieser Anzeichen zusammen auf und führen zu derselben Schlussfolgerung.
Anzeichen 1: Die Anforderungen an Drehzahl und Drehmoment steigen
Servomotoren erreichen zwei- bis viermal höhere Drehzahlen als Schrittmotoren und liefern dabei über einen wesentlich größeren Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment. Je höher Ihre Anforderungen an Drehzahl und Drehmoment sind, desto enger wird der nutzbare Leistungsbereich eines Schrittmotors. Um dies auszugleichen, dimensionieren Maschinenbauer den Motor häufig überdimensioniert, um das Drehmoment auch bei höheren Drehzahlen aufrechtzuerhalten, was zu einer erhöhten Wärmeentwicklung und einem höheren Energieverbrauch führt. Wenn eine Überdimensionierung erforderlich wird, um Leistungsziele zu erreichen, ist es möglicherweise an der Zeit, einen Servomotor in Betracht zu ziehen, der die erforderliche Drehzahl und das erforderliche Drehmoment effizienter liefern kann.
Anzeichen 2: Sie benötigen eine echte Rückführung im geschlossenen Regelkreis
Wenn Qualität, Präzision oder Prozesssteuerung davon abhängen, die tatsächliche Position der Achse zu kennen, reicht der Betrieb im offenen Regelkreis nicht mehr aus. Wenn Sie bereits aus Sicherheitsgründen einen Encoder an einen Schrittmotor montiert haben, ist dies ein deutliches Zeichen dafür, dass es an der Zeit ist, einen echten Servomotor mit geschlossenem Regelkreis in Betracht zu ziehen.
Anzeichen 3: Betrieb unter hohen Lastzyklen oder an Spitzenbetriebspunkten
Ein Schrittmotor muss innerhalb seines Bereichs für Dauerdrehmoment betrieben werden. Er verfügt über keine kurzfristige Reserve, auf die zurückgegriffen werden kann, was den thermischen Verschleiß beschleunigen und die Betriebszeit der Maschine bei Dauerbetrieb einschränken kann.
Ein Servomotor hingegen kann für kurze Zeiträume von 1 bis 5 Sekunden ein Spitzendrehmoment liefern und anschließend wieder in den Dauerbetrieb zurückkehren, wobei er stets innerhalb der thermischen Grenzwerte bleibt. Um dies mit einem Schrittmotor zu erreichen, muss der Motor überdimensioniert werden, damit der Spitzenbedarf innerhalb seiner Dauerleistung liegt. Ein Servomotor kann stattdessen für das tatsächliche Lastprofil optimiert werden, was häufig zu kleineren, leichteren Anlagen und mehr Flexibilität führt, wenn der Platz für die Maschine begrenzt ist.
Anzeichen 4: Trägheitsverhältnisse und variable Lasten
Schrittmotoren erzielen ihre beste Leistung bei vorhersehbaren Lasten und moderaten Trägheitsverhältnissen. Mit zunehmender Lastvariabilität – Richtungswechsel, wechselnde Nutzlasten, höhere Trägheit – verlieren Systeme mit offenem Regelkreis an Wiederholgenauigkeit und es besteht die Gefahr von Bewegungsausfällen. Servos können bei richtiger Abstimmung und Kopplung Trägheitsverhältnisse von bis zu etwa dem 100-Fachen der Rotorträgheit bewältigen und nehmen bei sich ändernden Bedingungen in Echtzeit Korrekturen vor.
Anzeichen 5: Ausweitung auf die mehrachsige Koordination
Die Synchronisierung mehrerer Schrittmotoren innerhalb einer Maschine verursacht zusätzlichen Koordinationsaufwand und schafft zusätzliche Fehlerquellen. Schrittmotoren sind auf Punkt-zu-Punkt-Bewegungen beschränkt, wobei zwischen den Achsen lediglich eine Pseudo-Koordination besteht. Wenn präzise, synchronisierte Bewegungen über mehrere Achsen hinweg erforderlich sind, bewältigen Servo-basierte Architekturen mit modernen Industrieprotokollen diese Aufgabe mit deutlich geringerem Integrationsaufwand.
Wechsel auf Servo mit Zuversicht
Die Umstellung von Schrittmotoren zu Servomotoren wird selten durch einen einzigen Ausfall ausgelöst. Sie folgt einem Muster: Abnahme des Drehmoments mit steigender Drehzahl, Überdimensionierung zur Deckung des Spitzenbedarfs und reduzierte Wiederholgenauigkeit bei variablen Lasten. Wenn sich diese Faktoren summieren, erweist sich die Servotechnik als die besser geeignete Technologie – und kostengünstige Servomotoren werden zur Lösung in der richtigen Größenordnung.
Wenn Sie bereit sind, die Umstellung auf ein Servosystem in Betracht zu ziehen, stehen Ihnen unsere Experten gerne zur Seite, um die richtige Lösung für Ihre Maschine zu finden.
BONUS: Häufig gestellte Fragen
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Was ist der Hauptunterschied zwischen einem Schrittmotor und einem Servomotor?
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„Schrittmotor oder Servomotor?“ – das ist seit jeher ein heiß diskutiertes Thema. Kurz gesagt: Ein Schrittmotor arbeitet in der Regel im offenen Regelkreis, bewegt sich in festen Schritten und geht davon aus, dass er die vorgegebene Position erreicht hat. Ein Servomotor arbeitet im Regelkreis und überprüft und korrigiert während der Bewegung kontinuierlich Position, Drehzahl und Drehmoment. Diese Rückführung verleiht einem Servomotor ein besseres dynamisches Ansprechverhalten und einen Spitzenbetriebsbereich, über den der Schrittmotor nicht verfügt.
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Sind Servomotoren teurer als Schrittmotoren?
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Ein Schrittmotor erscheint allein aufgrund des Stückpreises oft günstiger. Berücksichtigt man jedoch Überdimensionierung, Energieineffizienzen und Ausfallzeiten, verringert sich der Unterschied. Durch erschwingliche Servosysteme wurde der Unterschied weiter verringert und bei anspruchsvollen Anwendungen sprechen die Gesamtbetriebskosten häufig für den Einsatz von Servosystemen.
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Wo sind Schrittmotoren noch sinnvoll?
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Schrittmotoren eignen sich nach wie vor hervorragend für einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen zum Öffnen und Schließen bei vorhersehbaren Belastungen, beispielsweise bei Pumpen und Ventilen. In diesen Anwendungsbereichen sind sie zuverlässig, präzise und bieten ein unschlagbares Preis-Leistungs-Verhältnis.
