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5. Technologiefunktionen mit Servoantrieben
In der Fertigungstechnik werden viele Bearbeitungsmaschinen mit mehreren Antrieben
ausgestattet. Das Maschinenkonzept ist dabei so ausgelegt, dass diese Antriebe in ihrem
Bewegungsablauf Abhängigkeiten untereinander haben. Häufig wird beim Maschinenkonzept
der winkelsynchrone Lauf mehrerer Achsen mit und ohne Übersetzungen gefordert.
Ältere Bearbeitungsmaschinen und Sondermaschinen für Automatisierungsaufgaben folgen
einem Maschinenkonzept, das eine zentrale Antriebswelle durch die ganze Maschine hindurch
vorsieht, die Königswelle. Die Königswelle ist ein Maschinenelement. Sie hat an einem Ende
oder an beiden Enden Kegel- oder Kronenräder, so dass eine Drehbewegung in andere
Richtungen übertragen werden kann. Ferner bezeichnet eine Königswelle auch die zentrale
Antriebswelle einer Maschine, die eine Drehbewegung von einem zentralen Antrieb an andere
Stellen der Maschine überträgt, auch wenn sich dabei die Richtung der Kraftübertragung nicht
ändert. Durch mehrere Abtriebe entlang dieser Königswelle werden verschiedene Aggregate
angetrieben. Insbesondere bei Automatisierungsmaschinen werden an diesen Abtrieben
spezielle Getriebe, wie Kurvengetriebe angebaut, welche die für die jeweilige Aufgabe
benötigte Einzelbewegung erzeugen. Eine Eigenschaft dieses Maschinenkonzeptes ist, dass
alle Bewegungen und Aggregate fest gekoppelt mit dem Hauptantrieb laufen. Dies bedeutet,
dass für jede Winkelstellung der Königswelle beschrieben ist, in welcher Stellung die
Bewegungen und Aggregate stehen. Konstruktiv ist eine Maschine mit Königswelle eine
besondere Herausforderung, weil viele kinematische Randbedingungen beachtet werden
müssen. Auch die Montage der Maschine selbst erfordert besondere Kenntnisse, weil hierfür
gewöhnlich viele zeitraubende Einstell- und Abstimmaufgaben anfallen.
Daher sind Automatisierungsmaschinen nach diesem Maschinenkonzept auch wenig flexibel,
da Änderungen in der Fertigung mit Änderungen der Abtriebe an der Königswelle einhergehen.
Mehrspindel-Drehautomaten sind ein klassischer Einsatzfall solcher Antriebe. Auf
ihnen werden z.B. die Großserien von Drehteilen für die Massenproduktion hergestellt.
Die Verwendung der Königswelle in Verbindung mit mehreren Abtrieben wurde daher fast
vollständig durch die CNC-Technik in Verbindung mit Schritt- oder Servomotoren ersetzt.
Bei Maschinen, wo jedes Aggregat mit einem eigenen Antrieb ausgestattet ist, sind die
Bewegungen nicht mechanisch gekoppelt, sondern werden meist durch eine speicherprogrammierbare
elektronische Steuerungen (SPS) koordiniert. Dadurch werden diese
Maschinen in ihrer Verwendung flexibler, und viele Einstell- und Abstimmaufgaben werden
einfacher.
Moderne Servoregler weisen ein vollständig digitales Regelkonzept zum Betrieb von
Synchron- und Asynchronmotoren auf. Sie ermöglichen Momenten-, Drehzahl- und Lageregelung
in einer Regelzykluszeit von weniger als 100 µs. Als Rückführsysteme können
Encoder, Resolver oder SinCos-Geber angeschlossen werden. Abhängig vom verwendeten
Rückführsystem kann die Position auf weniger als 30 Bogensekunden genau bestimmt werden.
Zur Kommunikation zwischen den Servo-Reglern stehen der Leitfrequenzeingang und
Leitfrequenzausgang sowie der CAN-Systembus, der auch für allgemeine Kommunikationsaufgaben
genutzt wird, zur Verfügung. Digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie
Schnittstellen für alle gängigen Feldbussysteme und das Ethernet können für die Einbindung
in das jeweilige Automatisierungskonzept genutzt werden. Komfortable und schnelle
Inbetriebnahme erlaubt die Bediensoftware mit vorbereiteten Datensätzen für Motoren und
einfache Anwendungen sowie Datenbank- und Oszilloskopfunktion. Die integrierte SPS kann
für antriebsnahe und reaktionsschnelle Logik-Funktionen genutzt werden. Optionale
Anwendersoftware ermöglicht die Anwendung von komplexen Technologiefunktionen.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 64

5.1 Technologiefunktion „Elektrische Welle“
Bei vielen Automatisierungsaufgaben müssen mehrere Servoantriebe synchron zueinander
oder in vorgegebenen Abhängigkeiten betrieben werden. Hierzu werden zwischen den
einzelnen Servoreglern Synchronsignale über die Leitfrequenzein- und -ausgänge oder
spezielle Synchrontelegramme über den Systembus (CAN) verwendet. Im Allgemeinen stellt
ein Servoregler den Master dar – er bildet den sogenannten Leitantrieb – und die weiteren
Servoregler stellen jeweils einen Slave dar. Es kann auch ein Slave für einen weiteren
Servoregler wieder einen Master bilden (Master-Slave-Kaskade).
Bei der Schienenstruktur erhalten alle Antriebe den gleichen Leitwert/Leitwinkel. Bei der
Kaskadenstruktur erhält jeder Antrieb seinen eigenen Leitwert/Leitwinkel, der durch den
vorgelagerten Antrieb gebildet oder nur aufbereitet wird.
IN OUT
Master
Servoregler
IN
OUT
IN
OUT
Slave Slave Slave
Servoregler Servoregler Servoregler
IN
OUT
Schienenstruktur eines
Antriebsverbunds
IN OUT
Master
Servoregler
IN
OUT
IN
OUT
Slave Slave Slave
Servoregler Servoregler Servoregler
IN
OUT
Kaskadenstruktur eines
Antriebsverbunds
Das Verhalten des Antriebsverbundes ist abhängig von dem Wert, der im Master als Übertragungswert
bereitgestellt wird. Die Leitwertübertragung führt zu einem deutlich ruhigeren
Maschinenlauf, allerdings wirken sich Markenkorrekturen oder überlagerte Regelungen sowie
Störgrößen des führenden Antriebs nicht auf den Verbund aus. Die Istwertübertragung führt zu
einem unruhigeren Maschinenlauf. Markenkorrekturen, überlagerte Regelungen sowie Störgrößen
des führenden Antriebs wirken sich auf den Verbund aus.
Bei der Verwendung des Systembusses wird vorteilhaft auch der sogenannte virtuelle Master
eingesetzt, bei dem die Servoregler für die zu synchronisierenden Antriebe alle als Slave am
Systembus in Schienenstruktur betrieben werden. Für die Leitfrequenz wird üblich eine
Motorumdrehung in 2 16 = 65536 Inkremente unterteilt, so dass eine Winkelgenauigkeit für
den Gleichlauf von 20 Bogensekunden erreicht werden kann. Der Synchronlauf im Antriebsverbund
„Elektrische Welle“ kann nur erreicht werden, wenn keiner dieser Servoantriebe an
der Drehmomentbegrenzung M max , I max betrieben wird. Natürlich darf auch keiner dieser
Antriebe seinen maximalen Wert der Drehzahl n max überschreiten. Der Synchronlauf wird mit
verschiedenen Funktionsbausteinen realisiert, die für die jeweilige Schnittstelle herstellerspezifisch
zugeschnitten sind.
Der Hochlaufgeber ist ein Funktionsbaustein, der die Motorwelle des Slave-Antriebs auf eine
Leitfrequenz (Winkelvorgabe) synchronisiert. Dieser Antrieb führt danach einen winkelsynchronen
Gleichlauf zur Leitfrequenz aus. Mit dem Profilgenerator werden dazu Rampen
erzeugt, die den Winkelsollwert in seinen Zielpunkt führen. Die Aufsynchronisierung wird
ausgelöst, wenn die Nullimpulse oder ein externer Impuls (Touch-Probe) empfangen werden.
Einstellbar sind Differenz-Inkremente zwischen Touch-Probe und Start der Task. Für das
Aufsynchronisieren sind die Hoch- und die Ablaufzeit, die maximale Drehzahl n max während
des Synchronisiervorganges und ein Synchronisierfenster n syn , das die maximale Abweichung
zwischen dem Sollwert der Leitfrequenz und dem Drehzahl-/Winkelsollwert des Antriebes
überwacht, einstellbar. Das Synchronisierfenster n syn wird in Inkrementen vorgegeben;
bei einem Inkrement wird die größte Genauigkeit mit 20 Bogensekunden erreicht. Sofern
eine Ruckbegrenzung erforderlich ist, werden S-förmige Rampen verwendet (siehe Kap. 5.2).
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 65

n Ma
n Sl
b syn
1
n syn
t B
2 3 4 5
t K
t V
n soll
1
t 2
n max
n soll
Drehzahl-Zeit-Diagramm der Aufsynchronisierung
t
t
3
4
5
Nullimpuls bzw.
Touch-Probe
Start der Task
n max erreicht
Verzögerung
beginnt
Synchronisierung
erfolgt
Wird während der Aufsynchronisierung die Drehzahl n soll geändert, so wird dieses berücksichtigt.
Die graue Fläche beim Masterantrieb n Ma und die graue Fläche beim Slaveantrieb n Sl
zwischen dem Zeitpunkt t 1 und dem Zeitpunkt t 5 sind gleich, sie entsprechen dem jeweiligen
Winkelsollwert. Da bis zum Start der Task der Slaveantrieb stillsteht, kann die allgemeingültige
Beziehung für die Aufsynchronisierung auch bei Drehzahländerung des Masterantriebs
angegeben werden.
t
5
t
1
t
5
n dt n dt
(5.1)
Ma
t
2
Sl
Unter Vernachlässigung der Ruckbegrenzung und bei konstanter Drehzahl n Ma des Masterantriebs
während der Aufsynchronisierung kann aus den einstellbaren Größen – Differenzwinkel
T zwischen Touch-Probe und Start der Task, maximale Drehzahl n max , Beschleunigungszeit
t B und Verzögerungszeit t´V – die Zeit t K für die maximale Drehzahl berechnet
werden. Die Einstellwerte für die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit, die häufig gleich
sind, beziehen sich immer auf die Drehzahlwerte 0 bis n max bzw. umgekehrt.
T
tV
tB
tV
tB
nMa
nmax
2
2
2
nmax
n
t
Ma
K
mit tV
tV
(5.2)
n n
n
max
Ma
Wird eine Zeit t K < 0 nach Gl. 5.2 berechnet, dann wird n max während der Aufsynchronisierung
nicht erreicht. Bei sehr niedriger Drehzahl n Ma und einem größeren Differenzwinkel
T kann die Aufsynchronisierung mit entgegengesetzter Drehzahl erfolgen. Gl. 5.2 ist in
beiden Fällen ungültig.
Alle Antriebe, die in den Antriebsverbund eingebunden werden sollen, müssen zuvor in die
Nullposition, auch Referenz genannt, gebracht werden. Dieses geschieht durch eine selbstständige
Referenzfahrt oder ein manuelles Referenzsetzen bei stehendem Antrieb.
Mit der Stop-Funktion kann prozessbedingt der Hochlaufgeber den Synchronisiervorgang
unterbrechen. Wird diese Funktion zurückgesetzt, dann wird die Aufsynchronisierung fortgeführt.
Die Aufsynchronisierung wird mit der Stop-Funktion zeitlich verlängert.
max
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 66

n Ma
n Sl
n syn
n soll
1
t 2
n max
n soll
3
Nullimpuls bzw.
Touch-Probe
Start der Task
Stop gesetzt
4
Stop zurückgesetzt
b stop
t
5
Synchronisierung
erfolgt
t
b syn
1 2 3 4
5
t
Drehzahl-Zeit-Diagramm der Aufsynchronisierung mit Stop-Funktion
Soll ein Slave-Antrieb aus dem Antriebsverbund genommen werden, dann wird hierzu der
Schnellhalt mit b QSP aktiviert. Der Slave-Antrieb wird mit der eingestellten Ablaufzeit für
Schnellhalt stillgesetzt. Der erfasste Soll-Winkelwert wird gespeichert. Nach dem Zurücksetzen
der Schnellhalt-Anforderung wird der Sollwinkel über den Profilgenerator angefahren.
Die beiden grau hinterlegten Flächen müssen gleich sein, damit nach erneut erfolgter
Synchronisierung der winkelgetreue Gleichlauf gegeben ist.
n Sl
n max
1
n Ma
2
QSP gesetzt
QSP zurückgesetzt
b QSP
t
3
Synchronisierung
erfolgt
t
b syn
t
1 2
3
Drehzahl-Zeit-Diagramm mit Schnellhalt und erneuter Aufsynchronisierung
Der Modus für die Synchronisierung kann gewählt werden:
‣ ständige Synchronisierung mit Korrektur auf kürzestem Weg,
‣ einmalige Synchronisierung mit Korrektur auf kürzestem Weg,
‣ einmalige Synchronisierung, Winkelabweichung wird in Rechtsrichtung ausgeregelt,
‣ einmalige Synchronisierung, Winkelabweichung wird in Linksrichtung ausgeregelt,
‣ einmalige Synchronisierung, Winkelabweichung wird zwischen Soll- und Istimpuls ermittelt
und aufgrund des Vorzeichens ausgeregelt.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 67

Die Winkeldifferenz von synchronisierten Antrieben wird vom Profilgenerator bis zu maximal
2 32 Inkrementen ( 32000 Umdrehungen) erfasst. Die Überwachung spricht an, wenn
der eingestellte Grenzwert (Angabe in Inkrementen) überschritten wird. Außerdem können im
Allgemeinen feste und drehzahlabhängige Offsetwerte eingestellt werden. Die festen
Offsetwerte sind für eine Winkelverschiebung zwischen Master und Slave. Mit dem
drehzahlabhängigen Offset kann die Reaktionszeit z. B. bei dem Sensor „Touch-Probe“
kompensiert werden.
In einem weiteren Funktionsbaustein wird noch die Leitfrequenz für den jeweiligen
Antriebsregler aufbereitet. Hier können Werte für den Reck- und Getriebefaktor vorgegeben
und eine Drehzahl- oder Winkeltrimmung vorgenommen werden. Die Reckwerte können
Abzugseinheit
(Leiteinheit)
Reckeinheit 1 Reckeinheit 2
v 1 v 2 v 3
üblich während des
laufenden Betriebs geändert
werden.
R
Master
Servoregler
i 1 i 2 i 3
M
R M
R M
Leitfrequenz
Slave
Servoregler
Leitfrequenz
Slave
Servoregler
Drehzahlverhältnis-
Gleichlauf für
Endlosmaterial mit
Leitfrequenzkaskade
(z. B.
Drahtherstellung)
5.2 Technologiefunktion „Positionieren“
Häufig werden Servoantriebe für lineare Bewegungen von einem Punkt bis zu einem anderen
Punkt verwendet. Die rotatorische Bewegung des Servomotors bzw. des Servogetriebemotors
wird in der Lineareinheit in eine translatorische Bewegung umgesetzt. Das Positionieren
beschreibt einen Bewegungsvorgang von einer Ausgangsposition zu einer Zielposition.
Unterschieden wird zwischen dem absoluten Positioniervorgang, bei dem es einen festen
Bezugspunkt gibt, und dem relativen Positioniervorgang, bei dem der jeweils aktuelle
Ausgangspunkt der Bezugspunkt ist. Für den Positioniervorgang werden die Zielposition –
der zu verfahrende Weg s – die maximale Geschwindigkeit für den Positioniervorgang v pos ,
die Beschleunigung a B (positiver Wert) und die Verzögerung a V (negativer Wert) vorgegeben.
Wird eine Ruckbegrenzung – S-förmige Rampen – gewünscht, so muss zusätzlich die Zeit t R
(Ruckzeit) für den linearen Aufbau der pos. und neg. Beschleunigungen angegeben werden.
Der Positionierer muss zwischen einem kurzen Weg s kurz , bei dem die maximale
Geschwindigkeit für den Positioniervorgang v pos nicht erreicht wird, und einem langen Weg
s lang , bei dem v pos erreicht wird, unterscheiden.
s
kurz
2
pos
v 1 1
vpos
tR
slang
2
aB
a
(5.3)
V
Bei einem kurzen Weg kann das Fahrprofil aus dem Weg s, der Beschleunigung a B , der
Verzögerung a V und der Ruckzeit t R berechnet werden. Die maximale Geschwindigkeit v max ,
die kleiner als v pos ist, beträgt:
v
max
2
tR
tR
2s
1 aB
1 a
v 1 aB
1 a
(5.4)
v 1 aB
1
av
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 68

Das Fahrprofil bei einem kurzen Weg kann in 6 Bereiche eingeteilt werden. Die ersten drei
Bereiche (B1, B2 und B3) beschreiben den Beschleunigungsvorgang, dem sofort der
Verzögerungsvorgang (B4, B5 und B6) folgt. Ohne Ruckbegrenzung (t R =0) gelten im
Zeitbereich t B0 mit konstanter Beschleunigung die Gleichungen für den Bereich B2 und im
Zeitbereich t V0 mit konstanter Verzögerung die Gleichungen für den Bereich B5.
Gleichungen für die Beschleunigung a, die Geschwindigkeit v und den Weg s während des
Beschleunigungsvorgangs (t zählt jeweils ab Bereichsanfang).
B 2 :
B 3 :
a
a
s
a
a
a
B
B
B
B
R
1
t
t
R
2
t
R t
6
R
t
2
B
v
v
2
t
B
2
a
a
B
B
B
t
t
2 t
t
R
2
t
t
R
t
2
t
t
2
R
2
R
B
B
t
t
2 t
t
t
2
t
6 t
Für die Verfahrzeiten t B und t V mit konstanter Beschleunigung a B bzw. Verzögerung a V gilt:
vmax
v
t
max
B tR
tV
tR
(5.6)
a
a
a
v
s
B1:
a
B
B1
t R
a
t
t
B2
t
v B0
max0
v max
t B
v
a
V
B3 B4 B5 B6
t R
t R
t V0
t V
Das Fahrprofil ist der zeitliche
Verlauf der Geschwindigkeit v
während eines Positioniervorganges.
Durch die Ruckbegrenzung
wird bei einem Positioniervorgang
mit einem kurzen Weg
die maximale Geschwindigkeit
reduziert (v max < v max0 ). Gleichzeitig
wird die gesamte Verfahrzeit
durch die Ruckbegrenzung
vergrößert.
(t B0 + t V0 < 4 · t R + t B + t V )
Bei sehr kurzen Verfahrwegen
darf die Ruckzeit t R nicht zu
groß gewählt werden, da die
maximale Beschleunigung und
die maximale Verzögerung
während des Positioniervorgangs
erreicht werden müssen.
Fahrprofil v für einen Positioniervorgang
mit kurzem Verfahrweg
und gleichzeitiger
Darstellung von Beschleunigung
/Verzögerung a und Weg s
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 69
t R
2
t
t
t
2
s
s
R
3
R
a
a
B
B
3
t
6 t
R
2
t
R t
6
2
t t
2 2
R
(5.5)

Gleichungen für die Beschleunigung a, die Geschwindigkeit v und den Weg s während des
Verzögerungsvorgangs (t zählt jeweils ab Bereichsanfang).
2
2
3
t
t
t
B
t
B4 : a aV
v vmax
aV
s aB
tR
tB
tR
vmax
t aV
tR
2 tR
2
6 t
t
R
B5 : a aV
v vmax
aV
t
2
B 6 : a
s
s a
a
B
B
a
t
R
t
V
t
Bei einem Positioniervorgang mit einem langen Verfahrweg s nach Gl. 5.3 wird die maximale
Geschwindigkeit für den Positioniervorgang v pos erreicht. Zwischen den Bereichen B3 und B4
des Fahrprofils für den kurzen Verfahrweg wird zusätzlich ein Bereich mit a = 0 und konstanter
Geschwindigkeit v pos eingefügt. Für das Verfahrprofil mit einem langen Verfahrweg
müssen die Zeiten für die konstante Beschleunigungsphase t B , die konstante Verzögerungsphase
t V und die Verfahrphase t K mit konstanter Geschwindigkeit v pos berechnet werden.
vpos
vpos
s vpos
1 1
t B tR
tV
tR
tK
tR
(5.8)
aB
aV
vpos
2 aB
a V
Bei einem Fahrprofil mit einem langen Verfahrweg wird die Positionierzeit bei Ruckbegrenzung
immer um die Ruckzeit t R verlängert. Bei einem Fahrprofil mit einem kurzen
Verfahrweg wird die Positionierzeit bei Ruckbegrenzung immer um eine Zeit verlängert, die
größer als die Ruckzeit t R ist, da die maximale Geschwindigkeit v max0 > v max ist.
Servomotor
R
t
1
B
B
t
t
R
2
t
B
2
t
B
2
2
t
R
i
t
R
v
v
v
max
max
v
max
t
R
a
t
V
a
V
t
R
t
2
2
t
R t
6
V
t
t
R
R V
V
R
R tV
t aV
tV
t
6 2 2 2 2 6 t R
R Z
1 2
t
t
2 t
2
t
t t
2 2
R
2
R
t
2
t
2
t
t
(5.7)
t
2
R
t
3
Positionierung (Lineareinheit mit Zahnriemenantrieb)
Verfahren eines beweglichen Maschinenteils von einer Startposition 1 in ein definiertes Ziel 2
Bei der Angabe der Position wird zwischen absoluter und relativer Position unterschieden.
‣ Eine absolute Position gibt immer die Entfernung zur definierten Nullposition (Referenz)
an: absolute Position = Zielposition – Nullposition.
‣ Eine relative Position gibt die Entfernung zur Startposition (aktuelle Position) an:
relative Position = Zielposition – Startposition.
Zunächst wird das Maßsystem in der Maschine und damit die Lage der Nullposition innerhalb
des physikalisch möglichen Fahrbereichs festgelegt. Die Nullposition, auch Referenz genannt,
kann durch eine Referenzfahrt oder ein Referenzsetzen definiert werden:
‣ Bei einer Referenzfahrt verfährt der Antrieb auf eine zuvor festgelegte Weise, um die
Referenz selbstständig zu ermitteln.
‣ Beim Referenzsetzen wird die Referenz bei stehendem Antrieb manuell festgelegt.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 70

Unter Handfahren versteht man das Verfahren des Antriebs durch manuelle Bedienung.
Bei den weiteren Darstellungen zur Positionierung bleiben die Maßnahmen zur Ruckbegrenzung
unberücksichtigt.
Restwegpositionierung (Touch Probe)
Bei einer Restwegpositionierung verfährt der Antrieb auf ein definiertes Ziel bzw. führt eine
endlose Konstantfahrt durch, bis eine Sensormarke „Touch Probe“ in der Servo-SPS ausgelöst
wird. Der Antrieb verfährt daraufhin nur noch einen definierten Restweg.
v
1
2
Auch für die Restwegpositionierung
können die Parameter Geschwindigkeit,
Beschleunigung, Verzögerung
und Ruckzeit festgelegt werden.
Restwegpositionierung
(Touch Probe)
1 Sensormarke übermittelt Touch-Probe Signal
t
2 Restweg
Profiländerung während der Positionierung (Override)
Unter „Override“ versteht man das Ändern von Profilparametern und deren Übernahme
während des Positioniervorgangs.
Das Verfahrprofil muss in diesem Fall entsprechend angepasst werden, damit bei Änderung
eines oder mehrerer Parameter dennoch exakt auf die definierte Zielposition positioniert wird.
Wird während des Positioniervorgangs die Geschwindigkeit verringert, so muss die fehlende
Fläche dem Profil „angehängt“ werden, um die definierte Position zu erreichen. Durch die
Verringerung der Geschwindigkeit dauert der Positioniervorgang t länger.
v
2
Geschwindigkeitsoverride
1
1 t
v während des Positioniervorgangs reduziert
2 Flächenverschiebung für definierte Position
t
Überschleifen (Overchange)
Unter „Überschleifen“ bzw. „Overchange“ versteht man das Positionieren mit einer Endgeschwindigkeit
ungleich „0“, d. h. bei Erreichen der Zielposition wird sofort ein zweiter
Positioniervorgang gestartet, ohne dass der Antrieb an der ersten Zielposition zum Stillstand
kommt. Mit dem Überschleifen können so beliebig viele Fahrprofile direkt hintereinander durchgeführt
werden, so dass man insgesamt ein komplexes Fahrprofil erhält.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 71

v
1
1
v end
2
2 Fahrprofil 2
Fahrprofil 1
t
Overchange
- Überschleifen der Zielposition von
Profil 1 -
Endlagen
Ebenso wie die Lage der Nullposition ist es wichtig, die Grenzen des Fahrbereichs zu
definieren, um Beschädigungen der Anlage zu verhindern. Diese Grenzen, auch „Endlagen“
genannt, können zum einen „hardwareseitig“ und zum anderen „softwareseitig“ festgelegt
werden:
‣ Hardware-Endlagen sind z. B. Endschalter, die mit den Eingängen der Servo-SPS
verschaltet sind und bei deren Betätigung eine bestimmte Aktion (z. B. "Quickstop")
ausgelöst wird.
‣ Software-Endlagen grenzen den möglichen Fahrbereich zusätzlich innerhalb der Hardware-Endlagen
ein und validieren auf Programmebene, ob ein Anfahren einer Position
zulässig ist.
1 Hardware-Endlage (Endschalter) links 3 Software-Endlage rechts
2 Software-Endlage links 4 Hardware-Endlage (Endschalter) rechts
Endlagen bei einer Lineareinheit mit Zahnriemenantrieb
Maschinenparameter
Für eine Positionierung sind neben den Parametern für das Profil natürlich noch die Parameter
der Maschine von Bedeutung.
Die Getriebeübersetzung i gibt an, bei wie vielen Umdrehungen n der Motorachse genau eine
Umdrehung der Zahnriemenscheibe stattfindet.
Die Vorschubkonstante h gibt an, welchen Weg der Schlitten bei einer Umdrehung der
Spindel zurücklegt.
s s
n i
i
(5.9)
h 2
R
Z
Neben der Getriebeübersetzung i und der Vorschubkonstante h benötigt die Servo-SPS aber
noch weitere Parameter, um eine Umrechnung des Profils von den realen Einheiten in auf den
Motor bezogene Größen durchführen zu können:
‣ Art des verwendeten Motors, der zur Positionierung verwendet wird.
‣ Art des Rückführsystems, das der Servo-SPS übermittelt, an welcher Position sich der
Schlitten befindet.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 72

‣ Maximal zulässige Geschwindigkeit, die gefahren werden kann. Dieser Parameter ist u. a.
abhängig von der maximalen Motordrehzahl.
‣ Maximal zulässige Beschleunigung bzw. Verzögerung für Positioniervorgänge. Dieser
Parameter ist u. a. abhängig vom Motormoment sowie der Massenträgheit der gesamten
Mechanik, die durch die Achse angetrieben wird.
Template Positioner
Das Template Positioner ist eine Positionier-Schablone, die von vielen Anbietern für
Servotechnik in mehr oder weniger modifizierter Form angeboten wird.
Das Template Positioner stellt alle Kernfunktionen der Positionier-Technologie zur Verfügung
und kann vom Anwender nicht verändert werden. Über fest definierte Schnittstellen
kommuniziert das Template mit dem entsprechenden Zielsystem.
Der Anwender bedient die Kernfunktionen des Templates aus seinem Anwenderprogramm
heraus über die definierte Schnittstelle des Templates. Alle funktionalen Erweiterungen bzw.
Anpassungen von Seiten des Anwenders werden in einem gesonderten Teil des Projektes
realisiert, der sogenannten Anwenderschicht.
Die Anwenderschicht ist der Bereich innerhalb des Projektes, von dem aus der Anwender das
Template steuert und überwacht – häufig über eine Visualisierungsoberfläche –, die
anwendungsspezifischen Parameter festlegt, sowie eigene auf das Template aufbauende IEC
61131-Programme zur Lösung individueller Aufgaben erstellt.
5.3 Technologiefunktion „Wickeln“
Wickelantriebe stellen in vielen technologischen Prozessen einen wesentlichen Bestandteil
der Gesamtanlage dar. Die verschiedenen Materialien stellen verfahrenstechnisch eine ganze
Reihe spezifischer Anforderungen. Daher gibt es diverse Grundkonzepte und Ausprägungen,
wie z.B. Kontaktwickler, Zentrumswickler, Mehrfachwendewickler für „fliegendes Anlegen“
der Warenbahn oder Tellerwickler für drahtförmige Materialien.
Der Kontaktwickler hat eine fest positionierte angetriebene Kontaktwalze. Während des
Wickelns ändert der bewegliche Wickelkern seine Lage zur Kontaktwalze ständig
entsprechend der Zunahme des Wickeldurchmessers. Der Antrieb des Wickels erfolgt
entweder ausschließlich kraftschlüssig durch die Kontaktwalze oder durch einen zusätzlichen
Zentralantrieb. Der kontinuierliche Betrieb ist durch automatische Abläufe beim Abziehen
des Folienwickels von der Kontaktwalze, bei der Zuführung eines leeren Wickelkerns, bei der
Bahntrennung und beim Anwickeln gegeben.
Am weitesten verbreitet sind Zentrumswickler, bei denen der Wickelballen über die
Wickelwelle angetrieben wird. Obwohl Zentrumswickler antriebstechnisch wesentlich
schwerer beherrschbar sind, bieten sie doch oftmals den entscheidenden Vorteil, die
Oberfläche des Materials nicht zu beeinträchtigen.
Der verwendete Antrieb muss einen hohen Stellbereich für die Drehzahl und das Drehmoment
zur Verfügung stellen. Die richtige physikalische Dimensionierung und eine geeignete
Kraftübertragung (Getriebe, Zahnriemen) sind die wesentlichen Voraussetzungen für ein
optimales Wickelergebnis.
Auslegung der Antriebsmaschine (Asynchronmaschine)
Beim Zentrumswickler muss für eine konstante Zugkraft F das Drehmoment M der Asynchronmaschine,
die häufig zur Anwendung kommt, proportional dem Wickeldurchmesser d
nachgeführt werden. Für eine konstante Bahngeschwindigkeit v muss die Motordrehzahl n
proportional dem Kehrwert des Wickeldurchmessers d sein.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 73

v
F
d max
d
d min
i
n
M
ASYM
Zentrumswickler mit
Getriebemotor
Der Durchmesserstellbereich muss bei der Auslegung der Asynchronmaschine berücksichtigt
werden. Das maximal erforderliche Drehmoment M max ergibt sich aus der maximal erforderlichen
Zugkraft F max bei maximalem Durchmesser d max unter Berücksichtigung der Getriebeübersetzung
i:
M F d
M
Wmax max max
max
(5.10)
i 2 i
Die maximale Drehzahl n max ergibt sich aus der maximalen Materialgeschwindigkeit v max bei
minimalem Durchmesser d min :
i
nmax nWmax
i vmax
(5.11)
d
min
Da im Allgemeinen das maximale Drehmoment nur bei niedriger Drehzahl und die maximale
Drehzahl nur bei niedrigem Drehmoment erreicht werden, kann bei der Asynchronmaschine
der Feldschwächbereich ebenfalls genutzt werden. Die Nennleistung der Asynchronmaschine
muss mindestens der Leistung P eck bei der Eckfrequenz – hier beginnt der Feldschwächbereich
– entsprechen. Für die Leistung bei der Eckfrequenz gilt:
d
P
min
eck Fmax
vmax
(5.12)
dmax
Die erforderliche Nennleistung reduziert sich bei Ausnutzung des Feldschwächbereichs um
das Durchmesserverhältnis d min /d max . Unter Berücksichtigung des Getriebewirkungsgrades G
erhält man für die Nennleistung P N der Asynchronmaschine:
Peck
Fmax
vmax
d
P
min
N
(5.13)
G
G
dmax
M N
M
d = d max
M W , n W
M = M max
F = const
max. Drehmoment der ASYM
bei I = I N = I max
Drehmoment der ASYM bei
konstanter Kraft F
n N
Grunddrehzahlbereich
Feldschwächbereich
n max
d = d min
n
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
der ASYM
Die Getriebeübersetzung i eines Zentrumswicklers ergibt sich aus:
n
i
max
dmin
(5.14)
v
max
Grundsätzlich sollten bei zugkraftgesteuerten und bei zugkraftgeregelten Wicklern nur Getriebe
mit einem hohen Wirkungsgrad eingesetzt werden.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 74

Da bei wachsender Getriebeübersetzung der Wirkungsgrad eines Getriebes abnimmt, ist es
bei großen erforderlichen Getriebeübersetzungen oft vorteilhaft, eine Kombination aus
Getriebe und Zahnriemenübersetzung zu wählen.
Bei tänzerlagegeregelten Wicklern ist der Wirkungsgrad des Getriebes kaum von Bedeutung.
Hier ist eher eine große Übersetzung für die Stabilität der Tänzerlageregelung vorteilhaft.
Für eine konstante Zugkraft bis hin zum maximalen Durchmesserbereich muss das Motordrehmoment
linear mit dem Durchmesser ansteigen.
Bei großen Durchmesserverhältnissen besteht allerdings die Gefahr, dass früher oder später
die Haftreibung zwischen den Lagen überschritten wird und der Wickelkern austeleskopiert.
Bei Durchmesserverhältnissen und Materialien, bei denen ein Austeleskopieren zu befürchten
ist, wird deshalb die Zugkraft ab einem bestimmten Durchmesser d 0 stetig zurückgenommen.
Bei herstellerspezifischen Technologiefunktionen kann man deshalb meistens zwischen einem
linearen oder einen mit l/d abnehmendem Zugkraftverlauf wählen.
F max
F
M
d 0
1/d
linear
d max
d
Nimmt die Zugkraft mit 1/d ab, ist der
Verlauf des Drehmomentes im Bereich der
Zugkraftabsenkung linear.
------- Zugkraft im gesamten Wickelbereich
konstant
Zugkraft nimmt ab d d 0 hyperbolisch
bis d d max ab
Zugkraft nimmt ab d d 0 linear bis
d d max ab
d 0
d max
d
Zugkraft- und Drehmomentverlauf beim
Zentrumswickler
Kennzahlen zur Beurteilung der Anforderungen an die Motorenregelung sind der Drehzahlund
der Drehmomentstellbereich. Der erforderliche Drehzahlstellbereich n rel. ergibt sich aus
dem Verhältnis der höchsten Anlagengeschwindigkeit v max und der niedrigsten Anlagengeschwindigkeit
v min multipliziert mit dem Durchmesserverhältnis.
vmax
d
n
max
rel.
(5.15)
v d
min
min
Entsprechend gilt für den erforderlichen Drehmomentstellbereich m rel . mit der höchsten Zugkraft
F max bei maximalem Durchmesser d max und der niedrigsten Zugkraft F min bei minimalem
Durchmesser d min :
Fmax
d
m
max
rel.
(5.16)
F d
min
min
Soll die Zugkraft des Wicklers über das Drehmoment der Antriebsmaschine gesteuert werden,
gibt es zwei Störgrößen, die das gewünschte Ergebnis erheblich beeinträchtigen können. Das
sind einerseits die mechanischen Verluste durch Lager- und Getriebereibung und anderseits
die Beschleunigungsdrehmomente. Damit diese Störgrößen keine gravierenden Auswirkungen
zeigen, müssen entsprechende Korrektursignale (Reibungs- und Beschleunigungskompensation)
auf das Drehmoment der Antriebsmaschine aufgeschaltet werden.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 75

Das Reibdrehmoment gewinnt zunehmend an Bedeutung, je kleiner das Drehmoment der
Antriebsmaschine für die niedrigste Zugkraft ausfällt. Bei einem Drehmomentstellbereich
m rel . = 50 liegt der kleinste Drehmomentsollwert bereits bei 2%. Selbst bei einem Getriebewirkungsgrad
G = 98% würde das Drehmoment der Antriebsmaschine vollkommen durch
die Getriebereibung verbraucht werden.
Das Reibdrehmoment setzt sich zusammen aus einem statischen Anteil und einer mit der
Drehzahl ansteigenden Komponente. Neben der Drehzahl kann auch die Temperatur des
M
1
2
1
kalt
warm
Getriebes das Reibungsverhalten beeinflussen.
Der Verlauf der Reibung kann herstellerabhängig
durch einen automatischen
Identifizierungslauf ermittelt werden.
Reibungsdrehmoment in Abhängigkeit
der Drehzahl
Das Beschleunigungsdrehmoment M B erlangt bei den kleinsten Zugkräften ebenfalls die
größte Bedeutung. Es entsteht durch das aktuelle Massenträgheitsmoment und der Änderung
der Drehzahl der Antriebsmaschine. Das aktuelle Massenträgheitsmoment J setzt sich
zusammen aus einer maschinenabhängigen Komponente J M und dem Massenträgheitsmoment
des Wickelballens J Wickel .
Der maschinenabhängige Teil wird im Wesentlichen durch das konstante Massenträgheitsmoment
des Rotors der Antriebsmaschine gebildet. Weitere Antriebselemente, wie das
Getriebe oder die Wickelwelle können manchmal vernachlässigt werden.
Das Massenträgheitsmoment des Wickels J Wickel ist dagegen stark veränderlich. Es ist
abhängig von der Materialbreite b, der Materialdichte , dem aktuellen Durchmesser d, dem
Hülsendurchmesser d min und dem Getriebefaktor i.
4
4
n max
drehzahlabhängige Reibungskomponente
statische Reibungskomponente
2
n
d dmin
JWickel
b
(5.17)
32
2
i
Wird beim Beschleunigungsdrehmoment M B die Änderung der Antriebsdrehzahl dn/dt durch
die Änderung der Liniengeschwindigkeit dv/dt und der Änderung des Durchmessers dd/dt
ersetzt, dann erhält man:
dn
2 i dv v dd
MB J 2 J
M JWickel
(5.18)
dt
d dt d dt
Allgemein überwiegt bei kleinen Durchmessern der konstante Anteil des Massenträgheitsmomentes,
so dass das Beschleunigungsmoment bei konstanter Liniengeschwindigkeit zunächst
mit 1/d abfällt. Bei großen Durchmessern überwiegt der materialabhängige Anteil, so
dass das Beschleunigungsmoment dann mit d 3 ansteigt.
Steuer- und Regelverfahren beim Wickeln
Für Zentrumswickler kommen die Zugkraftsteuerung, die Zugkraftregelung und die Tänzerlageregelung
zum Einsatz. Eine weitere Variante ist der „geschwindigkeitsbestimmende
Zentrumswickler“, der immer erforderlich ist, wenn kein weiterer Leitantrieb die Materialgeschwindigkeit
vorgeben kann.
Die Zugkraftsteuerung wird gerne dort eingesetzt, wo keine hohen Anforderungen an den
Drehmomentstellbereich (1 : 40) gestellt werden und das Material (Blech, Textilien, Papier)
auf Zugkraftabweichungen kaum reagiert. Die Liniengeschwindigkeit v Linie darf maximal
600m/min betragen.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 76

Die Drehmomentsteuerung wird dadurch erreicht, dass der Drehzahlregler immer einen Sollwert
erhält, der größer als der Istwert ist. Der Drehzahlregler befindet sich deshalb ständig an
seiner oberen Begrenzung. Über die Steuerung der Drehmomentbegrenzung wird schließlich
erreicht, dass die Motorregelung das erforderliche Antriebsdrehmoment M soll erzeugt.
v
F
v Linie
n ist
M W , n W
i
n
M
ASYM
R
2
3
F soll
d
1/d
n Offset
4
5
1
M soll
Motorregler
1 Drehzahlregler
2 Zugkraftverlauf
3 Durchmesserberechnung
4 Reibungskompensation
5 Beschleunigungskompensation
Grundprinzip der
Zugkraftsteuerung
beim Wickeln
Der Begrenzungswert setzt sich zusammen aus dem Zugkraftsollwert F soll multipliziert mit
dem aktuellen Durchmesser d, dem Korrektursignal zur Kompensation der mechanischen
Reibung und dem Korrektursignal zur Kompensation des Beschleunigungsmomentes.
Die Basis für die Drehzahlvorsteuerung und auch für die Berechnung des Begrenzungswertes
bildet eine genaue Durchmesserberechnung aus der aktuellen Drehzahl n ist und der
Liniengeschwindigkeit v Linie . Die Vorsteuerung des Drehzahlreglers mit einem etwas zu
großen Sollwert hat den Vorteil, dass nach einem Bahnriss der Antrieb nur bis zu dieser
Drehzahl beschleunigt. Im Falle eines Abwicklers wird der Drehzahlregler nur mit dem
Offsetwert n Offset angesteuert. Hier kann der Antrieb dann ungehindert bis zum Stillstand
abbremsen.
Im Allgemeinen ist die Materialstärke konstant, so dass der aktuelle Wickeldurchmesser d
aus dem minimalen Durchmesser d min , der Anzahl der Wickellagen, die als Drehwinkel
exakt bestimmt werden können, der aktuellen Liniengeschwindigkeit v Linie und der aktuellen
Drehzahl n berechnet werden kann. Die Materialstärke kann bereits nach wenigen
Wickellagen ermittelt werden. Zum Zeitpunkt t 0 sei der Wickler leer (d (t = 0) = d min ). Der
Winkelzähler ermittelt den Drehwinkel bis zum Zeitpunkt t 1 .
t
1
1 2 n(t) dt
(5.19)
t
0
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 77

Für die Liniengeschwindigkeit v Linie (t 1 ) und die Drehzahl n(t 1 ) zum Zeitpunkt t 1 gelten:
(t ) d
n(t ) d(t )
n(t
(5.20)
Aus Gl. 5.19 und 5.20 kann die konstante Materialstärke berechnet werden:
vLinie
(t1)
vLinie(t1)
dmin
dmin
n(t1)
n(t1)
t1
1
2
n(t) dt
Je größer die Anzahl der Wickellagen, desto genauer kann die Materialstärke ermittelt
werden. Für den aktuellen Durchmesser d gilt damit:
d d
1
min (5.22)
2
Für ein gutes Wickelergebnis sollten die Reibungs- und Beschleunigungsmomente das
kleinste Lastmoment nicht überschreiten. Reicht die Wickelqualität nicht aus, kann über eine
Zugkrafterfassung das Motormoment geregelt werden.
Die Zugkraftregelung ist immer dann erforderlich, wenn hohe Drehmomentstellbereiche
(1:100) erreicht werden müssen oder das Material (dünne Folien, Papier) auf Zugkraftabweichungen
empfindlich reagiert.
Ausgehend vom Grundprinzip der Zugkraftsteuerung wird die Bahnspannung mittels einer
zusätzlichen Messeinrichtung (F ist ) erfasst und mit dem bewerteten Zugsollwert F soll verglichen.
Bei einer Abweichung sorgt der Zugkraftregler für die Korrektur des Vorsteuersignals. Die
Liniengeschwindigkeit v Linie darf maximal 2000m/min betragen.
v Linie
n ist
v
F
F ist
)
vLinie
1 min 1 1 1 1
t
0
F
M W , n W
i
n
M
ASYM
R
(5.21)
2
3
F soll
d
1/d
n Offset
6
4
5
1
M soll
Motorregler
1 Drehzahlregler
2 Zugkraftverlauf
3 Durchmesserberechnung
4 Reibungskompensation
5 Beschleunigungskompensation
6 Zugkraftregler
Grundprinzip der
Zugkraftregelung
beim Wickeln
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 78

In der Regel hat der Zugkraftregler aus Stabilitätsgründen nur eine sehr geringe Dynamik. Der
Beschleunigungskompensation kommt hier deshalb eine besondere Bedeutung zu.
Können Störgrößen, wie sie bei Beschleunigungsvorgängen oder Exzentrizitäten entstehen,
nicht ausreichend kompensiert werden, so ist eine Tänzerlageregelung vorzuziehen.
Bei der Tänzerlageregelung wird die Bahnspannung ausschließlich durch die dem Wickler
vorgeschaltete Tänzereinrichtung erzeugt. Mit der Tänzerlageregelung können dynamische
Störgrößen problemlos ausgeregelt werden. Sie wird vorwiegend bei Material (Kabel, Draht,
Textilien, Folien, Papier) eingesetzt, wo eine absolute Zugkraftgenauigkeit notwendig ist.
v
F
v Linie
s Tänzer
M W , n W
i
n
M
ASYM
R
s Tänzer
n ist
F soll
3
s Tsoll
d
1/d
4
2
5
1
n soll
Motorregler
1 Drehzahlregler
2 Zugkraftverlauf
3 Durchmesserberechnung
4 Tänzerregler
5 Beschleunigungskompensation
Grundprinzip der
Tänzerlageregelung
beim Wickeln
Bei der Tänzerlageregelung wird der Wickelantrieb im Allgemeinen drehzahlgeregelt. Zur
Vorsteuerung dient der Sollwert der Liniengeschwindigkeit v Linie multipliziert mit dem Kehrwert
des aktuellen Durchmessers d. Die Tänzerposition s Tänzer wird erfasst und mit der eingestellten
Solllage s Tsoll verglichen. Bei einer Abweichung sorgt der Tänzerregler für eine Korrektur des
Vorsteuersignals.
Zur Kompensation des Beschleunigungsmomentes wird der Drehzahlreglerausgang entsprechend
nachgesteuert, damit zum Auf- und Abbau des Beschleunigungsmomentes nicht immer erst eine
deutliche Regelabweichung im Tänzerkreis entstehen muss. Vergleichbar zur Zugkraftsteuerung
kann hier die Zugkraftkennlinie zur Steuerung der Tänzereinrichtung verwendet werden.
Da die Tänzereinrichtung gleichzeitig einen Materialspeicher darstellt, haben kurzzeitige
Schwankungen in der Umfangsgeschwindigkeit zwar Auswirkungen auf die momentane
Tänzerlage, aber kaum Auswirkungen auf die Zugkraft. Natürlich dürfen die Endlagen des
Tänzers nicht erreicht werden und das Massenträgheitsmoment der Tänzerwalze und alle anderen
bewegten Massen des Tänzers sollten klein sein. Vorteilhaft ist hier die pneumatische
Ansteuerung des Tänzers für den Sollwert der Zugkraft F soll .
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 79

Um möglichst schnell auf Abweichungen reagieren zu können, ist ein geringes Massenträgheitsmoment
des gesamten Wicklers von Vorteil. Dies kann mit einem großen Getriebefaktor i erzielt
werden.
In Anwendungen, in denen die Liniengeschwindigkeit v nicht von einem Linienantrieb bestimmt
wird, muss der Wickelantrieb die Führungsfunktion übernehmen. Insbesondere bei Umwicklern,
bei denen nur zwei Wickler am Umspulprozess beteiligt sind, muss einer der Antriebe die
Materialgeschwindigkeit bestimmen, während der andere für die Bahnspannung sorgen muss.
v
F
v ist
M W , n W
i
n
M
ASYM
R
n ist
v Linie
4
1 Drehzahlregler
3
d
1/d
1
2 Regler für die
Liniengeschwindigkeit
3 Durchmesserberechnung
2
n soll
Motorregler
4 Beschleunigungskompensation
Grundprinzip des geschwindigkeitsbestimmenden Wicklers
Das Grundprinzip des geschwindigkeitsbestimmenden Wicklers ähnelt dem der Tänzerlageregelung,
wobei der Regler zur Korrektur des Vorsteuersignals entfallen kann.
Die Wickler, die zur Durchmesserberechnung mit einer Geschwindigkeitsrückführung arbeiten,
können sicher nur als Aufwickler betrieben werden. Beim Abwickeln besteht die Gefahr der
Mitkopplung bzw. die Gefahr des unkontrollierten Hochlaufs, falls es zu einer Schlaufenbildung
vor dem Geber der Liniengeschwindigkeit v ist kommt. Die Geschwindigkeitserfassung sollte nahe
am Wickler erfolgen und die Liniengeschwindigkeit absolut schlupffrei übertragen.
Soll das Material mehrfach hin und her gewickelt werden, muss die Durchmesserberechnung
durch einen externen Durchmessersensor ersetzt werden oder es muss eine Tänzereinrichtung die
Schlaufenbildung sicher verhindern.
5.4 Technologiefunktion „Kurvenscheibe“
Unter dem Begriff „Kurvenscheibe“ versteht man eine eindeutige Zuordnung der Positionen
zwischen einem Leitantrieb (Master) und einem Folgeantrieb (Slave). Der Leitantrieb kann
entweder ein Antrieb, ein Positionsgeber oder ein „virtueller Master“ sein.
Die elektronische Kurvenscheibe beruht auf dem Prinzip der mechanischen Kurvenscheibe,
die eine lineare rotatorische Bewegung in eine beliebige kurvenförmige Bewegung umsetzt.
Die Vorteile der elektronischen Kurvenscheibe gegenüber der mechanischen Kurvenscheibe
liegen in dem einfachen mechanischen Aufbau. Es kann für jede Achse ein Direktantrieb
realisiert werden. Hierdurch wird die Flexibilität eindeutig verbessert. Die Umstellung auf ein
anderes Format (Produktgröße) wird so per Knopfdruck erledigt. Außerdem kann im laufenden
Betrieb auf Ereignisse reagiert und die Bewegung entsprechend angepasst werden.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 80

25.17
S
Y
S
Mechanische Kurvenscheibe
Y
Elektronische Kurvenscheibe
Leitwinkel Y Sollposition S Nockenschalter
Prinzip der mechanischen und der elektronischen Kurvenscheibe
Folgende Vorteile zeichnen die elektronische Kurvenscheibe aus:
‣ Kurze Rüstzeiten bei einem Produktwechsel durch einfaches Umschalten der Bewegungsprofile.
‣ Einfaches Dehnen und Stauchen der Bewegungsprofile und Offsetvorgabe.
‣ Optimiert bezüglich Ruckfreiheit, Maximalbeschleunigung und Schwingungsneigung.
‣ Virtuelle Königswelle (Leitachse als virtueller Master) und dadurch Einsparung bei Mehrachsensystemen.
‣ Nockenschaltwerk
Das Bewegungsprofil, das auch Kurve genannt wird, beschreibt die Abhängigkeit des Folgeantriebs
vom Leitantrieb. Hierbei handelt es sich um einen zweidimensionalen Graphen, bei dem
die Sollposition über den Leitwert – Position oder Winkel – aufgetragen wird.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Leitwinkel in °
Bewegungsprofil eines Slaveantriebes
Bei dieser Art der Positionierung weiß der Slave immer, wo er bei dem entsprechenden Winkel
des Masters zu stehen hat.
Sollposition in %
‣ Durch diese relativ starre Kopplung Master–Slave können mit wenig Sensorik hohe Taktzahlen
erreicht werden. Die Werkzeuge lassen sich über den Leitwinkel besser koordinieren
als über Steuer- bzw. Statussignale, da der Bewegungsablauf nicht unterbrochen wird.
‣ Die Verläufe für Geschwindigkeit, Beschleunigung / Verzögerung und Ruck ergeben sich
automatisch aus den Ableitungen des gezeichneten Profils nach der Zeit und den
eingegebenen Maschinenparametern.
‣ Das Bewegungsprofil kann aus einer Vielzahl von Einzelprofilen bestehen, die in einer
festgelegten Reihenfolge abgefahren werden.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 81

Mit einer Referenzierung erfolgen die Übertragung des Maßsystems der Maschine und damit die
Lage der Nullposition innerhalb des physikalisch möglichen Fahrbereichs in die Servo-SPS. Die
Vorgehensweise entspricht dabei der Referenzierung beim Positionieren. Die Nullposition, auch
Referenz genannt, kann durch eine Referenzfahrt oder ein Referenzsetzen definiert werden:
‣ Bei einer Referenzfahrt verfährt der Antrieb auf eine zuvor festgelegte Weise, um die
Referenz selbstständig zu ermitteln.
‣ Beim Referenzsetzen wird die Referenz bei stehendem Antrieb manuell festgelegt.
1 2
i
Servomotor
R Z
Handfahren bei einer Lineareinheit mit Referenzmarken und Endlagen
Unter Handfahren versteht man das Verfahren des Antriebs durch manuelle Bedienung. Unterschieden
werden hierbei folgende zwei Arten:
‣ Handfahren der Leitachse (Virtueller Master),
‣ Handfahren gelöst von dem Bewegungsprofil.
-10 0-Position 10 20
1 Endschalter links 2 Endschalter rechts
Für beide Arten des Handfahrens können Handfahrgeschwindigkeiten sowie Beschleunigungsund
Verzögerungsrampen festgelegt werden.
Damit Soll- und Istwert nicht auseinanderlaufen, ist eine Synchronisierung erforderlich. Diese
Synchronisierung kann durch einen Touch-Probe (ausgelöst durch eine Sensormarke, verwendbar
auch bei Material mit Schlupf) oder durch den Nullimpuls eines Lagegebers (nicht bei Schlupf)
für den Istwert sowie den Leitwert eines Antriebs erfolgen.
‣ Bei schlupfendem Material (z.B. auf Förderbändern) ist eine Synchronisierung des Istwertes
(Y-Achse) notwendig.
‣ Schlupft dagegen beispielhaft das Förderband auf der Antriebstrommel, so ist eine
Synchronisierung des Leitwerts (X-Achse) notwendig.
Um Beschädigungen der Anlage, insbesondere beim manuellen Verfahren (Handfahren), zu
verhindern, müssen die Grenzen des Fahrbereichs definiert sein und ständig überwacht werden.
Diese Grenzen, auch „Endlagen“ genannt, werden durch Endschalter festgelegt, die mit den
Eingängen der Servo-SPS verschaltet sind und bei deren Betätigung eine bestimmte Aktion
ausgelöst wird, die das Antriebssystem in einen sicheren Zustand führt (z.B. „Quickstop“).
Die speziellen Merkmale der elektronischen Kurvenscheibe sind das Dehnen / Stauchen und die
Offsettvorgabe. Es kann sowohl die Sollwertachse (Y-Achse) als auch die Leitwertachse (X-
Achse) entsprechend dem Produktionsprozess dynamisch angepasst werden.
Y
Y
Dehnen / Stauchen X
Offsetvorgabe X
Dehnen / Stauchen und Offsetvorgabe für die Sollwertachse
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 82

Die Bewegungsprofile werden im Speicher der Servo-SPS in Form von Stützstellen-Tabellen
abgelegt, wobei zwischen relativen und absolutem Datenmodell unterschieden wird:
‣ Beim relativen Datenmodell sind die Stützstellen äquidistant verteilt, d. h. der Abstand
zwischen zwei Stützstellen in X-Richtung (Leitwert) ist konstant.
‣ Beim absoluten Datenmodell sind die Stützstellen beliebig verteilt. Das absolute Datenmodell
ist flexibler als das relative Datenmodell, benötigt bei gleicher Stützstellenzahl aber mehr
Speicher als das relative Datenmodell. Der CamDesigner bietet die Möglichkeit, die Lage der
Stützpunkte entsprechend der Kurvenform zu optimieren.
Ähnlich wie bei der Technologiefunktion „Elektrische Welle“, kann zum Generieren einer
Leitfrequenz oder eines Leitwinkels ein virtueller Master bei der Technologiefunktion „Kurvenscheibe“
softwaremäßig realisiert werden. Da die verschiedenen Antriebe insbesondere bei der
Inbetriebnahme unabhängig voneinander betrieben werden müssen, muss der Masterantrieb von
dem übrigen Antriebsverbund abgekoppelt werden können. Die virtuelle Kupplung stellt eine
Software-Funktionalität zur Verfügung, mit der eine Achse vom Verbund bzw. Leitantrieb
getrennt und fliegend wieder eingekuppelt werden kann. Erst nach Beendigung des
Einkupplungsvorgangs hat der Slave seinen festen Bezug zum Master.
Servomotor
i
Y
R Z
-10 0-Position 10 20
Sollposition Y des Kurvenantriebs (Slave) in Abhängigkeit
vom Leitwinkel X des Masterantriebs
Bei der Erstellung des Bewegungsprofils des Kurvenantriebs müssen die Maximalwerte der
Drehzahl, der Drehzahländerung und des Drehmomentes berücksichtigt werden. Im Bewegungsprofil
dürfen kein Sprung und auch kein Knick vorkommen. Ein Sprung im Bewegungsprofil
würde einen Dirac-Funktion bei der Drehzahl und ein Knick im Bewegungsprofil einen Sprung
bei der Drehzahl und einen Dirac-Funktion bei der Drehzahländerung bedeuten. Sofern eine
Ruckbegrenzung gefordert wird, müssen die Übergänge im Bewegungsprofil aus Sin/Cos-
Funktionen oder Polynomen 3. Ordnung bestehen.
Die Sollposition s Y der Y-Achse ist eine Funktion des Leitwinkels X der X-Achse. Es gilt:
s f{ }
(5.23)
Y
X
Das Geschwindigkeitsprofil v Y der Y-Achse kann aus dem Bewegungsprofil und der Drehzahl
der X-Achse ermittelt werden.
dsY
df{ X}
dX
df{ X}
vY
2
nX
(5.24)
dt d
dt d
X
Für die Drehzahl des Kurvenantriebs gilt entsprechend der obigen Skizze und Gl. 5.24:
vY
i
df{ X}
i n
n
X
Y
(5.25)
2 R d
R
Z
X
Die Drehzahl n Y des Kurvenantriebs ist proportional dem Produkt aus der Tangentensteigung des
Bewegungsprofils df{ X }/d X und der Drehzahl der Leitachse n X .
Die Winkelbeschleunigung des Kurvenantriebs ergibt sich aus Gl. 5.25:
2
Y
Z
X
2
X
X
dnY
d f{ } dX
i nX
d f{ } 4
i
n
Y 2
2
(5.26)
dt d
dt R d
R
Z
2
X
2
X
2
Z
2
X
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 83

Die Winkelbeschleunigung des Kurvenantriebs ist mit Gl. 5.26 proportional dem Produkt aus der
2. Ableitung des Bewegungsprofils d 2 f{ X }/d 2 X und dem Quadrat der Drehzahl der Leitachse
n 2 X.
Kurvenantriebe sind häufig hochdynamische Antriebe bei denen das Antriebsdrehmoment nahezu
nur vom Beschleunigungsmoment abhängt.
M
Y
2
X
2
X
2
Z
2
X
d f{ } 4
i
n
JY
Y JY
(5.27)
d
R
Die maximale Drehzahländerung dn max /dt des Kurvenantriebs ist damit proportional zum
Impulsdrehmoment M Imp (Spitzendrehmoment) des Antriebs und umgekehrt proportional zum
gesamten Massenträgheitsmoment J Y dieser Achse. Werden die Maximalwerte der Drehzahl
und/oder der Drehzahländerung rechnerisch überschritten, so können Funktionsblöcke mit einem
Nachlaufspeicher zur gezielten Begrenzung vorgesehen werden, so dass der Positionswert nicht
verloren geht. Während der Begrenzungszeit und dem anschließenden Abarbeiten des Nachlaufspeichers
ist der Kurvenantrieb asynchron zum Leitantrieb.
Die Technologiefunktion „Kurvenscheibe“ wird mit verschiedenen Funktionsblöcken realisiert.
Einige dieser Funktionsblöcke (Dehnen/Stauchen u. Offset) werden nur optionell eingebunden.
Virtueller
Master
Überlagertes
Positionieren
X-Offset
Überlagertes
Positionieren
Y-Offset
Kurvenscheibenüberwachung
Dehnen und
Stauchen der
X-Achse
Virtuelle
Kupplung
Profildaten
und Profilberechnung
Dehnen und
Stauchen der
Y-Achse
Profilposition
Motor-
Regler
Ablösendes
Positionieren
Handfahren
Antriebsposition
Konzept der Technologiefunktion „Kurvenscheibe“ mit verschiedenen Funktionsblöcken
In den gelb hinterlegten Funktionsblöcken werden die Sollposition und alle weiteren relevanten
Größen in Abhängigkeit vom Leitwinkel des Masterantriebs für den Motorregler des Kurvenantriebs
aufbereitet. Im Funktionsblock „Virtueller Master“ erfolgt das Referenzieren und
Positionieren der Leitwertachse. Die „Virtuelle Kupplung“ ermöglicht das Einkuppeln des
Kurvenscheibenantriebs bei durchlaufender Königswelle (Leitantrieb) über eine Rampenfunktion
mit anschließendem Synchronlauf. Der Leitwinkel (X-Achse) kann dabei gedehnt oder gestaucht
werden. Der Auskuppelvorgang kann über eine Rampenfunktion oder sofort erfolgen. Im
Funktionsblock „Profildaten und Profilberechnung“ werden aus dem hinterlegten Kurvenprofil
die Sollposition, die Drehzahl und die Drehzahländerung des Kurvenantriebs unter Berücksichtigung
eines X-Offsets berechnet. Das Kurvenprofil kann gedehnt oder gestaucht werden; außerdem
ist noch ein Y-Offset möglich. Im Funktionsblock „Kurvenscheibenüberwachung“ erfolgt
die Umschaltung zwischen den Betriebsarten Profilposition – Kurvenscheibenbetrieb – und Antriebsposition.
In der Betriebsart Antriebsposition kann der Slaveantrieb unabhängig vom Leitwinkel
über die grau hinterlegten Funktionsblöcke „Ablösendes Positionieren“ und „Handbetrieb“
gefahren werden. Diese Funktion wird besonders bei der Inbetriebnahme von Anlagen mit
Kurvenscheiben genutzt. Im Funktionsblock „Kurvenscheibenüberwachung“ werden alle Eingangswerte
überwacht und die Sollwerte für den Motorregler des Kurvenantriebs aufbereitet.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 84

Mit der Technologiefunktion „Kurvenscheibe“ werden häufig weitere Funktionsblöcke angeboten,
welche die Kurvenscheibentechnologie in die Anlagenautomatisierung integrieren.
Besonders zu erwähnen ist hier der Funktionsblock „Nockenschaltwerk“. Beim Nockenschaltwerk
können folgende Modi realisiert werden:
Wegnocke in positiver Richtung,
Wegnocke in negativer Richtung,
Wegnocke mit beiden Richtung,
Weg-Zeitnocke in positiver Richtung,
Weg-Zeitnocke in negativer Richtung.
Eine Wegnocke liefert eine logische Eins, wenn das vorgegebene Weg-/Winkelelement
angefahren ist und die Wirkrichtung erfüllt wurde. Eine Weg-Zeitnocke liefert eine logische Eins
für ein vorgegebenes Zeitintervall, wenn die entsprechende Weg-/Winkelmarke aus der
vorgegebenen Wirkrichtung angefahren wurde. Im Funktionsblock „Nockenschaltwerk“ kann ein
permanentes Ein-/Ausschalten von Nocken durch Vorgabe einer Hysterese unterbunden werden.
Außerdem kann mit diesem Funktionsblock die Totzeit angeschlossener Komponenten (z.B.
Ventil) geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig kompensiert werden.
Template Cam
Das Template Cam ist eine Kurvenscheiben-Schablone, die von vielen Anbietern für
Servotechnik in mehr oder weniger modifizierter Form angeboten wird. Mit diesem Template
können auch Mehrachsen-Anwendungen einer elektronischen Kurvenscheibe relativ einfach
erstellt werden.
Das Template Cam stellt alle Kernfunktionen der Kurvenscheiben-Technologie zur Verfügung
und kann vom Anwender nicht verändert werden. Über fest definierte Schnittstellen
kommuniziert das Template mit dem entsprechenden Zielsystem.
Der Anwender bedient die Kernfunktionen des Templates aus seinem Anwenderprogramm
heraus über die definierte Schnittstelle des Templates. Alle funktionalen Erweiterungen bzw.
Anpassungen von Seiten des Anwenders werden in einem gesonderten Teil des Projektes
realisiert, der sogenannten Anwenderschicht.
Die Anwenderschicht ist der Bereich innerhalb des Projektes, von dem aus der Anwender das
Template steuert und überwacht – häufig über eine Visualisierungsoberfläche –, die
anwendungsspezifischen Parameter festlegt, sowie eigene auf das Template aufbauende IEC
61131-Programme zur Lösung individueller Aufgaben erstellt.
G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 85