antriebstechnik 3/2018

antriebstechnik.de

antriebstechnik 3/2018

19174

3

Organ der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.

www.antriebstechnik.de

März 2018

Predictive Maintenance

Maintenance-4.0-Lösung für die Lagerlogistik –

ein Selbsttest bei Schaeffler

Kupplungen und Bremsen

XXL-Kupplungen für den

Einsatz in Windkraftanlagen

Steuern und Automatisieren

Lineares Transportsystem für

eine flexiblere Montagelinie

Umrichtertechnik

Frequenzumrichter oder Softstarter

– wann ist wer besser?


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EDITORIAL

Hellseher in der

Maschine

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

noch vor ein paar Jahren mussten Produktionsanlagen erst ausfallen,

bis sie repariert wurden. Heute können bereits integrierte Sensoren

und intelligente Systeme eine Störung erkennen, bevor sie auftritt.

Predictive Maintenance (PM) ist also ein viel diskutiertes Thema bei

Instandhaltung und Wartung. Der Vorteil liegt auf der Hand: Betreiber

können enorme Kosten sparen, indem sie Stillstandszeiten verringern

und Wartungskosten deutlich senken. Selbst neue Geschäftsmodelle

ergeben sich für Maschinenhersteller und -betreiber.

Trotz aller Diskussionen mangelt es aber wohl noch vielfach an der

effektiven Umsetzung in den Werkshallen. Nach einer Studie der

Unternehmensberatung BearingPoint sind Unternehmen in der

DACH-Region noch nicht willens, die bestehenden Möglichkeiten

der vorausschauenden Wartung konsequent umzusetzen. Lediglich

20 % aller Befragten würden vollumfänglich modernisierte Instandhaltungskonzepte

nutzen, obwohl drei Viertel der Teilnehmer die

erforderlichen Daten aus ihren Maschinensteuerungen bereits

ermitteln, heißt es dort. Ein Großteil von ihnen gab an, den als hoch

eingeschätzten Aufwand der Umsetzung zu scheuen.

Wie hoch ist der Aufwand denn tatsächlich? Immer ranken sich

leider noch die verschiedensten Mythen rund um PM: Da heißt es

z. B., PM sei zu teuer, es sei schwer zu implementieren, man brauche

absolute Experten, um die Daten zu analysieren, die Maschinen

seien nicht wichtig genug, um diese mit hohem

Aufwand auszurüsten oder PM sei noch nicht

zuverlässig genug. Mit diesen Vorurteilen räumen

wir jetzt in unserem Special auf. Lesen Sie also ab

Seite 36, warum die Maschinenwartung auf dem

besten Weg in ein neues Zeitalter ist. Oder möchten

Sie lieber auf die Hellseher in der Maschine

verzichten?

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Organ der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.

www.antriebstechnik.de

März 2018

INHALT

10

20

28

Mehrwert durch Elektronik: Welche Vorteile

bietet die intelligente Antriebstechnik für

den Anwender?

Im Gespräch: Die Redaktion besucht das

Unternehmen Schüssler Technik, das seit

40 Jahren Präzisionsantriebe fertigt

Gut gekühlt: Motor und Frequenzumrichter

können dank neuer Umrichter-Variante am

gleichen Kühlkreislauf betrieben werden

EDITORIAL

3 Hellseher in der Maschine

FVA-AKTUELL

6 Aktuelles von der Forschungsvereinigung Antriebstechnik

MAGAZIN

5 Märkte, Unternehmen, Personalien und Veranstaltungen

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN

10 Die Vorteile intelligenter Antriebstechnik für den Anwender

13 Produkt-Highlights

KUPPLUNGEN UND BREMSEN

14 Große Sicherheitskupplung für den Einsatz in

Windkrafttestanlage entwickelt

16 Produkt-Highlights

LINEARTECHNIK

18 Produkt-Highlights

ELEKTROMOTOREN

20 Schüssler Technik – Präzisionsantriebe seit 40 Jahren

22 Produkt-Highlights

SPECIAL PREDICTIVE MAINTENANCE

36 TITEL Maintenance-4.0-Lösung für die Lagerlogistik –

ein Selbsttest bei Schaeffler

39 Wie viel Sensorik braucht eigentlich die Antriebstechnik?

40 Neue Wege für Predictive Maintenance und Prozessoptimierung

42 Predictive Maintenance: Heilsbringer für die

Instandhaltung von antriebstechnischen Systemen?

44 Intelligente Wartung als Säule der Digitalen Transformation

46 Quo vadis Predictive Maintenance? –

Ein Kommentar von Prof. Dr. Georg Jacobs

47 Welche neuen Geschäftsmodelle ergeben sich durch

Predictive Maintenance für die Antriebstechnik?

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG

48 Schneidwerkzeug erschließt Potenzial bei der

5-Achs-Zahnradfertigung

52 Potenziale von Zahnstange-Ritzel-Antriebssystemen

RUBRIKEN

26 Inserentenverzeichnis

51 Impressum

59 Vorschau auf Heft 4/2018

STEUERN UND AUTOMATISIEREN

24 Lineares Transportsystem erhöht die Flexibilität einer

Deckel-Montagelinie für Tablettendosen

26 Produkt-Highlights

UMRICHTERTECHNIK

28 Dank Umrichter-Variante können Motor und Frequenzumrichter

am gleichen Kühlkreislauf betrieben werden

30 Softstarter oder Frequenzumrichter? –

Was ist wann die beste Wahl?

33 Produkt-Highlights

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Predictive Maintenance

Maintenance-4.0-Lösung für die Lagerlogistik –

ein Selbsttest bei Schaeffler

19174

3

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

34 Nieder- und hochohmige Sternpunkterdung in

Mittelspannungsnetzen

Kupplungen und Bremsen

XXL-Kupplungen für den

Einsatz in Windkraftanlagen

Steuern und Automatisieren

Lineares Transportsystem für

eine flexiblere Montagelinie

Umrichtertechnik

Frequenzumrichter oder Softstarter

– wann ist wer besser?

ANT_AG_2018_03_001 1 05.03.2018 08:44:11

TITELBILD

Schaeffler Technologies AG &

Co. KG, Schweinfurt

4 antriebstechnik 3/2018


MAGAZIN

Aus IME und IKT wird das Institut für

Maschinenelemente und Systementwicklung

Die RWTH hat sich entschieden, das Institut für Maschinenelemente

und Maschinengestaltung (IME) und das Institut für allgemeine

Konstruktionstechnik des Maschinenbaus (IKT) zu Beginn

des Jahres zum Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung

zusammenzuführen. Auf diese Weise schafft die

RWTH gute Voraussetzungen,

um neben traditionellen

Forschungsschwerpunkten

von IME und IKT

künftig die Erforschung modellbasierter

Systementwicklungsmethoden

fokussiert

anzugehen. Die Leitung

des Institutes übernimmt

Herr Prof. Georg

Jacobs (Bild). Das Institut

für Maschinenelemente

und Systementwicklung erforscht das grundlegende strukturelle

und tribologische Verhalten von Maschinenelementen und bildet

dieses in experimentell validierten Modellbeschreibungen ab.

Diese werden genutzt, um das Funktions-, Verlust- und Geräuschverhalten

gesamthafter technischer Systeme mit Fokus auf die

Antriebstechnik von Windenergieanlagen und mobilen Arbeitsmaschinen

zu analysieren und zu gestalten. Ergebnis sind rechnerische

und konstruktive Ausgestaltungen konkreter technischer

Lösungen inkl. Nachweis der geforderten Systemeigenschaften auf

Großprüfständen.

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Mit Rollringgetriebe zum weltweiten Erfolg

Das Maschinenbauunternehmen Joachim Uhing aus dem schleswig-holsteinischen

Flintbek feiert in diesem Jahr sein 75-jähriges

Bestehen. Schon bei der Gründung 1943 hatte sich der Ingenieur

Joachim Uhing auf Marktnischen spezialisiert. Begonnen hatte

alles mit einer Vorrichtung, die die Automatisierung der bis dahin

manuellen Hin- und Her-Bewegung von Strickschlitten in Strickmaschinen

ermöglichte: das Rollringgetriebe. Seitdem kommt es

in immer mehr industriellen Anwendungen zum Einsatz. Vorwiegend

wird es zum Aufwickeln von Draht, Kabeln und bandförmigem

Material auf Spulen verwendet. Zum Rollringgetriebe sind

viele andere Nischenprodukte dazu gekommen, z. B. die berührungslose

Flanschabtastung, Führungssysteme, Wälzmuttern,

Zahnriemenantriebe sowie Klemm- und Spannelemente. Seit

1998 wurde die Produktpalette um mechatronische und elektronische

Ergänzungen erweitert. Seit dem vergangenen Jahr hat das

Unternehmen auch eine neu gebaute Firmenzentrale.

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Innovationen,

wie die kontrollierte

Verschränkung und verschiedenste

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MAGAZIN

FVA AKTUELL

Fertigwälzgefräste Stirnräder

Bei der Weichfeinbearbeitung bietet das

Forschungsvorhaben Fertigwälzfräsen gegenüber dem Weichschaben

von Zahnrädern sowohl ökono­

FVA 667 I

IGF-Nr. 17262 N

mische als auch ökologische Vorteile.

Charakterisiert sind fertigwälz gefräste

Verzahnungen durch die prozessbedingte Oberflächenstruktur,

bestehend aus Vorschubmarkierungen und Hüllschnitten sowie

die aus der Wärmebehandlung auftretenden Verzüge. Der Einfluss

dieser fertigungsbedingten Abweichungen auf das Tragfähigkeits-

und Geräuschverhalten von fertigwälzgefrästen Stirnrädern

wurde bislang nicht wissenschaftlich untersucht. Ziel des

Forschungsvorhabens FVA 667 I war es, den Wissensstand zu den

fertigungsbedingten Produkteigenschaften fertigwälzgefräster

Zahnräder zu erweitern und eine Wissensbasis für die Auswertung

der im Laufe des Forschungsvorhabens durchgeführten

Laufversuche zu schaffen.

Ein Schwerpunkt des Vorhabens war die Ermittlung von Wöhlerlinien

zur Grübchentragfähigkeit an weichgeschabten und fertigwälzgefrästen

Verzahnungen. Die Untersuchungen wurden

auf einem Verspannungsprüfstand durchgeführt. Es wurde eine

konstante Ritzeldrehzahl von n 1

= 4 500 min -1 eingestellt. Die

Grenzlastspielzahl wurde zu N G

= 50 Mio. gesetzt. Die Ermittlung

des Dauerfestigkeitsniveaus für eine Ausfallwahrscheinlichkeit

von P A

= 50 % wurde mithilfe des Treppenstufenver fahrens und

der Auswertemethode nach Hück durchgeführt.

Aus den Untersuchungen ergeben sie Grübchentragfähigkeitswöhlerlinien

fertigwälzgefräster und weichgeschabter Verzahnungen.

Abschließend lässt sich auf Grundlage der Forschungsergebnisse

festhalten, dass die Grübchentragfähigkeit fertigwälzgefräster

Verzahnungen unter der von weichgeschabten Verzahnungen

liegt.

Festzuhalten ist, dass der Summenpegel bei dem fertigwälzgefrästen

Ritzel niedriger liegt, als bei dem geschliffenen. Dies ist

darauf zurückzuführen, dass mit Einsatz des fertigwälzgefrästen

Bauteils mehr Seitenbänder im Frequenzspektrum ausgebildet

werden. Der erhöhte Rauschanteil führt zu einer sinkenden

Gesamtamplitude im Vergleich zur geschliffenen Paarung, für

die eine dominantere Anregung der Zahneingriffsordnung und

deren Höherharmonischen vorliegt. Hingegen liegt der Mittelwert

der geschliffenen Paarung bei allen drei betrachteten

Momentenstufen am niedrigsten.

Der Körperschallpegel

in dB steigt nur gering

mit Erhöhung des Moments

an. Die Variante mit dem

fertigwälzgefrästen Ritzel

und geschliffenem Rad liegt

bei dem Mittelwert höher.

Auch hier ist die Zunahme

des Körperschalls über dem

Moment gering. Die höchsten

Mittelwerte weist die

fertigwälzgefräste Paarung

auf. Hier liegt das gesamte

Niveau des Körperschalls

am höchsten.

Die Ergebnisse der Untersuchungen

zeigen, dass die

hier eingesetzte geschliffene

Verzahnung höhere Geräuschamplituden

aufweisen,

als die fertigwälzgefrästen. Das Geräuschverhalten der

fertigwälzgefrästen Verzahnung, nur Ritzel und auch Paarung,

weist aufgrund der geometrischen Eigenschaften eine höhere

Streuung und Rauschen auf, wodurch die maximalen Amplituden

verringert werden. Das Gesamtgeräusch, bewertet durch die

Mittelwertbildung, liegt höher. Auf Grundlage der hier vorgestellten

Erkenntnisse kann erstmals eine Abschätzung über den

Einsatz fertigwälzgefräster Verzahnungen hinsichtlich des Anregungsverhaltens

gegeben werden.

Das IGF-Vorhaben 17262 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik

e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms

zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines

Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA),

Peter Exner, Tel.: 069/6603-1610

Forschungsvereinigung

Antriebstechnik e. V.

Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt

Tel.: 069 / 6603-1515

E-Mail: info@fva-net.de

Internet: www.fva-net.de

6 antriebstechnik 1-2/2018 3/2018


MAGAZIN

Vom Wälzlagerhändler zum Systempartner

KBT Knapp Wälzlagertechnik feiert

in diesem Jahr sein 60-jähriges Bestehen.

Das Unternehmen wurde

1958 von Werner Knapp in Fellbach

bei Stuttgart gegründet und definiert

sich seitdem als entwicklungstechnisch

orientierter Spezialist für

anwendungsspezifische Wälzlagerlösungen.

Mit der Übernahme der

Geschäftstätigkeiten 1998 durch

Wolfgang Bauer entwickelte sich

das Unternehmen vom klassischen

Wälzlagerhändler hin zum Systempartner für kundenspezifische Wälzlager- und Lineartechniklösungen.

Seit 2015 werden die Geschäfte von seinen Kindern Markus Bauer und

Kerstin Bohn geführt. 2014 war die Firmenzentrale nach Waiblingen in einen Neubau

umgezogen. Das Unternehmen bevorratet 14 000 Lagertypen nach DIN-Norm und besetzt

außerdem die Nische der anwendungsspezifischen Besonderheiten. Dafür werden Wälzlager

der Eigenmarke KBT (Knapp Bearing Technology) angeboten. Die Kunden des

Unternehmens finden sich in der Maschinenbau-, Automations- und Automobilbranche.

www.knapp-waelzlagertechnik.de

Forschungs- und Entwicklungszentrum eröffnet

Der Geschäftsbereich Power

Transmission Control (PTC)

von Sumitomo Heavy Industries

hat sein weltweites Forschungs-

und Entwicklungszentrum

am Sitz seiner Tochter

Hansen in Edegem, Belgien,

eröffnet. Verantwortlich für

das Global R+D Centre ist Vice

President Shaun Dean, General

Manager Global HQ, Power

Transmissions+Controls Group

und CEO der Sumitomo Cyclo

Drive Germany und Hansen

Industrial Transmissions. In dem Zentrum wird Know-how aus den Entwicklungsabteilungen

der Unternehmensgruppe zusammengeführt. Shaun Dean erklärt: „Dieser Schritt,

in Edegem das globale Forschungs- und Entwicklungszentrum aufzubauen, stellt für PTC

einen Meilenstein dar. Wir kommen näher an Talente, Wissen und den Markt heran,

indem wir die Kompetenzen in unserer globalen Geschäftseinheit für Getriebe nutzen.“

PTC verlagert damit zum ersten Mal seine Verantwortung außerhalb Japans. Das Zentrum

wird geleitet von Shigeru Watanabe und beschäftigt neun Mitarbeiter.

www.sumitomodrive.com

Zwei Töchter bekommen neuen Geschäftsführer

Bei Wittenstein hat sich die Führung zweier Tochtergesellschaften

zum 1. Februar 2018 geändert. Kasper Rungfeldt ist als Geschäftsführer

von Wittenstein Motion Control und Wittenstein Aerospace &

Simulation eingetreten. Der 51-jährige Jurist und Betriebswirt Rungfeldt

hat internationale Managementerfahrung, insbesondere in den

Branchen Öl und Gas sowie Verteidigung. Er war an mehreren

Standorten weltweit in leitenden Funktionen im Einsatz, u. a. für

Siemens und ABB. Rungfeldt folgt nun auf Christoph Heine, der nach mehr als zehn Jahren

das Unternehmen zum 1. Juni 2018 auf eigenen Wunsch verlässt. Er übernimmt dann

bei Staufen die Funktion des Branchenmanagers Luftfahrt und Verteidigung.

www.wittenstein.de

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MAGAZIN

Kübler gründet Engineering Solution Center

Die Kübler Gruppe hat ein

Engineering Solution Center

(ESB) gegründet. Geleitet

wird das Entwicklungszentrum

von Bernhard

Hiller, der über

20 Jahre Erfahrung im

Drehgebergeschäft hat. Der

Fokus des Teams liegt auf innovativen Drehgebern

und Kundenlösungen im Bereich lagerloser

magnetischer Gebersysteme und Motorfeedback-Systeme.

Das ESB befindet sich in einem Business-Park in Berlin, in dem

Start-up-Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu finden

sind. „Daraus resultieren viele Vorteile für unsere Kunden, denn

das ESB-Team arbeitet sehr kundennah“, sagt Gebhard Kübler, einer

der beiden Inhaber und Geschäftsführer der Kübler Gruppe. Die

Investition trägt auch dem strategischen „Innovation Marathon“

von Kübler Rechnung. Unter diesem Motto hat das Unternehmen

in den letzten beiden Jahren seine Innovationstätigkeit ausgebaut,

die F+E Teams erweitert und stellte jüngst die ersten Ergebnisse in

Form von wichtigen Innovationen vor. Dazu gehören Lösungen für

die Integration von lagerlosen Drehgeber in Motoren, smarte Drehgeber

für smarte Motoren oder eine neue Familie von Motorfeedback-Drehgebersystemen

mit verschiedenen klassischen und Single-

Cable-Schnittstellen.

www.kuebler.com

Umsatz und Mitarbeiterzahl gesteigert

Der Ventilatoren- und Motorenhersteller Ziehl-Abegg hat im Jahr

2017 seinen Umsatz um rd. 12 % auf 540 Mio. EUR gesteigert. Angaben

zum Gewinn wurden nicht gemacht. Die Mitarbeiterzahl

stieg auf 3 900, das Investitionsvolumen auf 43 Mio. EUR. Das

Wachstum sei weltweit gestützt. Nicht nur Asien, Nord- und Südamerika

hätten die Erwartungen „deutlich übertroffen“, so Vorstandschef

Peter Fenkl. Auch in Russland und der Ukraine habe

man wieder im

zweistelligen Prozentbereich

zugelegt.

Allein der Bereich

Automotive

blieb hinter den Erwartungen

zurück.

„Die Stadtbushersteller

in Westeuropa

sind sehr zurückhaltend

beim Umstieg

auf Elektroantriebe“,

so Fenkl.

Allerdings setze er darauf, dass der politische Druck und der

Wunsch der Stadtbewohner nach sauberen und leisen Bussen

zunehmen werden. Trotz globaler politischer Unsicherheiten zeigt

sich das Unternehmen zuversichtlich für das laufende Jahr, der

Auftragseingang in den ersten Wochen 2018 sei positiv.

www.ziehl-abegg.de

Neue Anlagen in Ungarn eingeweiht

Contitech baut sein Engagement in Ungarn weiter aus. Der Industriezulieferer

investierte rund 20 Mio. EUR in den Standort Nyíregyháza. Dafür entstanden eine

zweite Mischerlinie für Kautschuk und eine Produktion für Schläuche, die in Heizungs-

und Kühlungsanwendungen von Automobilen eingesetzt werden. Eine

neue Anlage zur Herstellung von Luftfederbälgen ist fast fertiggestellt. Zusätzlich

entstand ein Lagerhaus für Kautschukmischungen, ein Logistikzentrum für Luftfedern

und Schlauchleitungen soll im Frühjahr fertig werden. Das Logistikzentrum

nahm im Dezember 2017 den Betrieb auf. Die Mischerlinie arbeitet zurzeit im

Testbetrieb. Die Schlauchproduktion ist angelaufen, ihre Kapazität soll im Laufe

des Jahres verdoppelt werden. Die ungarische Regierung unterstützte die Investitionen

mit über 6 Mio. EUR. Dadurch entstanden an dem Standort mehr als

200 zusätzliche Arbeitsplätze. In den kommenden zwei bis drei Jahren rechne man

mit weiteren 250 bis 300 Jobs.

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8 antriebstechnik 3/2018


Ringspann übernimmt italienischen Bremsenhersteller

Zum Jahresbeginn 2018

hat Ringspann den italienischen

Bremsenhersteller

Ostelectric übernommen.

Damit bietet

die Unternehmensgruppe

nun neben Freiläufen,

Welle-Nabe-Verbindungen,

Überlast- und

Wellenkupplungen sowie

mechanischen Fernbetätigungen

auch alle gängigen Bautypen von Industriebremsen inkl. Steuerungen an.

Im Bereich der elektrohydraulischen Scheibenbremsen deckt das Programm nun Bremskräfte

von 200 bis 19 900 Nm ab. Bei den elektrohydraulischen Trommelbremsen erstreckt

sich die Auswahl von 230 bis 7 200 Nm Bremsmoment. Die Übernahmevereinbarung sieht

vor, den Produktionsstandort Limbiate bei Mailand zu erhalten, das Bremsen-Know-how

aber an den Ringspann-Stammsitz in Bad Homburg zu transferieren. Diesen Prozess wird

der bisherige Eigentümer von Ostelectric, Roberto Casini, federführend begleiten. Die

komplette Belegschaft von Ostelectric wird übernommen und der Personalleitung von

Ringspann Italia im Nachbarort Lainate unterstellt.

www.ringspann.de

Nabtesco-Getriebe erhalten Offshore-Zulassung

Für die im Drill-Floor-Roboter DFR-1500

von RDS verbauten Zykloidgetriebe hat

Nabtesco die Offshore-Zulassung erhalten.

Mit dem Zertifikat der Klassifikationsgesellschaft

DNV GL kann der Roboter

auf der Ölplattform Deepsea Atlantic

in Norwegen eingesetzt werden. Es bescheinigt

dem Getriebe Betriebssicherheit

bei harten Bedingungen wie salzhaltiger

Luft, einer explosiven Umgebung

und starken Temperaturschwankungen.

Damit der Roboter auch auf

anderen Plattformen betrieben werden kann, bedarf es von der DNV GL einer weiteren

Zulassung. Die Beantragung ist aktuell in Planung. In der Regel müssen diese Zulassungen

alle vier Jahre erneuert werden. „Aktuell prüfen wir, ob es im Bereich Offshore weitere

Anwendungsmöglichkeiten gibt, z. B. den Einsatz von Ventilverstellungen und Robotern,

die unter Wasser operieren“, berichtet Daniel Obladen, Head of Sales General Industries

bei Nabtesco.

www.nabtesco.de

[

]

... was man kaum sieht

Umsatz steigt durch erweitertes Sortiment

Ein Umsatzplus von 47 % gegenüber dem Vorjahr verzeichnete Sieb & Meyer im Geschäftsjahr

2017. Mit Sortimentserweiterungen und Produktoptimierungen seien Zielmärkte ausgebaut

oder neu erschlossen worden. So präsentierte etwa der Geschäftsbereich „CNC-

Steuerungen für die Leiterplattenbearbeitung“ auf der Fachmesse HKPCA in China die

neue Steuerungsgeneration CNC 95.00. Im Bereich Antriebselektronik gab es vor allem

Produktoptimierungen in der Prozessüberwachung und Sicherheitstechnik. So ist in allen

Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2x nun die Funktion Lastindikator

integriert. Dem Antriebssystem SD2 wurden die zwei geberlosen Funktionen „Sicherer

Stillstandsmonitor“ und „Sicher begrenztes Drehfeld“ hinzugefügt. Der Frequenzumrichter

SD2B Plus verfügt nun über zusätzliche Funktionen und ein IP20-Gehäuse, während

sich das neue SD2M-Modell mit DC-Spannungsversorgung auch in Kombination mit

rückspeisefähigen Netzteilen einsetzen lässt.

www.sieb-meyer.de


Mehrwert

durch Elektronik

Die Vorteile intelligenter Antriebstechnik

für den Anwender

Nord Drivesystems setzt auf komplette Antriebslösungen aus einer Hand, die aus

Getrieben, Motoren und Frequenzumrichtern, bzw. Motorstartern, bestehen. Die

Kombination der Einzelkomponenten wird für jede Kundenanwendung aus einem

abgestimmten Baukastensystem für Antriebslösungen mit Abtriebsdrehmomenten

bis 250 000 Nm zusammengestellt. Welches sind die Vorteile für den Anwender?

U

m wirklich alle Antriebslösungen für

die mehr als 100 belieferten Industriezweige

aus einer Hand anbieten zu können,

setzt Nord Drivesystems auf größtmögliche

Fertigungstiefe aller Komponenten und

fertigt Gehäuse, Verzahnteile, Motoren und

Elektronik jeweils an eigenen Standorten.

„Logistik und Montage erfolgt in unserem

Stammhaus in Bargteheide bei Hamburg.

Besonderer Stellenwert kommt der Antriebselektronik

zu. Sie macht aus mechanischen,

bzw. elektromechanischen Komponenten

erst wirklich eine intelligente Antriebslösung“,

erzählt Geschäftsführer Dr. Omar

Sadi. Hergestellt werden die Geräte im Nord

Fertigungswerk in Aurich in Form von Frequenzumrichtern,

Feldverteilern und Mo-

Jörg Niermann ist Marketing-Bereichsleiter

bei Nord Drivesystems in Bargteheide

torstartern. Diese decken Antriebsleitungen

bis 160 kW ab. Zur Verfügung stehen Produktfamilien

zur Schaltschrankinstallation

in IP20 sowie für dezentale Installation in

IP55/IP66.

Die Evolution zum Feldverteiler

Durch schrittweise Weiterentwicklung der

dezentralen Antriebe aus dem Nord-Portfolio

ist der Feldverteiler Nordac Link/

SK 250E entstanden und wurde speziell

für Zielanwendungen in der Förderund

Handhabungstechnik optimiert. Ausgehend

von der Frequenzumrichterfamilie

Nordac Flex/SK 200E für die direkte Montage

auf dem Motor entstand eine hochflexible

Version für die motornahe Wandmontage,

um auch bei schwer zugänglich

eingebauten Getriebemotoren den einfachen

Zugriff auf den Umrichter zu gewährleisten.

„Die Evolutionsschritte gaben

den Ausschlag für die Entwicklung einer

variablen Lösung für jede Anforderung“,

weiß Dr. Sadi. Der neue Feldverteiler

Nordac Link/SK 250E bietet zunächst einfache

Installation, Inbetriebnahme und

Wartung und ist für Asynchron- und Synchronmotoren

gleichermaßen geeignet. Ein

Wartungsschalter und Wahlschalter für

Hand- und Automatiksteuerung sowie Reversierbetrieb

am Gerät unterstützen die

Einrichtung der Maschine und die anschließende

Wartung. Alle Anschlusskabel können

vorkonfektioniert und werkzeugfrei an

die Steckplätze angeschlossen werden. Der

Netzanschluss lässt sich von Feldverteiler

zu Feldverteiler durchschleifen. Zwölf

codierte M12-Steckplätze dienen u. a. dem

Anschluss klassischer Feldbusse, Ether-

NET-basierter Kommunikation, Gebern,

Sensoren, STO, 24 VDC und digitalen I/Os.

Die kostenlose Parametriersoftware Nordcon

und ein steckbares EEPROM für einfachen

Parametertransfer vereinfachen die

Konfiguration des Gerätes.

10 antriebstechnik 3/2018


GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN

01 Aus einem abgestimmten

Baukastensystem entstehen

Antriebslösungen für die jeweilige

Anwendung

02 In Kombination mit einem zweistufigen

Nordbloc 1 Kegelradgetriebe und einem

Nord IE4 Synchronmotor bildet der Nordac Link

SK 250E Frequenzumrichter die Antriebslösung

Logidrive zur Variantenreduzierung

Für energieeffiziente Logistik

„Der Feldverteiler bringt intelligente Antriebslösungen

auf den Weg, denn er stellt

flexible Funktionalität für alle Antriebsaufgaben

inklusive Multi-Motoren-Betrieb,

Positionieren oder Heben und Senken zur

Verfügung. Die integrierte PLC ermöglicht

vielfältige Anwendungen bis hin zu autarken

Funktionsbereichen, die übergeordnete

Anlagensteuerungen entlasten und

eigene Ablaufsteuerungen in Gang setzen

können“, erklärt Dr. Sadi.

Als Logidrive, der Antriebslösung für die

Intralogistik, gibt es den Nordac Link/SK

250E Frequenzumrichter, als abgestimmtes

Antriebssystem in Kombination mit einem

hocheffizienten zweistufigen Nordbloc 1

Kegelradgetriebe SK92x72.1 und einem

energieeffizienten IE4 Synchronmotor. „Zusammen

ergeben diese Einzelteile ein effizientes

und überlastfähiges Antriebs system

mit der Systemwirkungsgradklasse IES2“,

weiß Dr. Sadi. Zur Verfügung steht ein Leistungsbereich

von 0,55 bis 7,5 kW. Dank des

Modulbaukastens mit nur drei Grundbaugrößen

ist es möglich, die Variantenvielfalt

gering zu halten. „Mit der Logidrive-

Lösung wurden bereits mehrere Projekte

erfolgreich mit Antrieben der Nordac Link-

Familie ausgestattet, darunter Anlagen zur

Gepäcksortierung, automatisierte Warenlager

und Paketverteilzentren“, so Dr. Sadi.

Auf dem Weg zu Industrie 4.0

„Unser neues dezentrales Antriebskonzept

ist die optimale Antwort auf die Evolution

der Steuerungsarchitektur von der Automatisierungspyramide

zum intelligenten Automatisierungsnetzwerk.

Darin kommt der

Antriebstechnik eine wichtige Rolle zu, da

sie die ablaufenden Prozesse in Bewegung

bringt. Intelligente Antriebstechnik muss

drei Eigenschaften mitbringen: Sie muss

vernetzt, autark und skalierbar sein“, erklärt

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GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN

03 Über eine Cloud-Anwendung und ein Remote-Terminal können Förderanlagen mit

Antriebstechnik weltweit aus der Ferne überwacht werden

nicht zum Erfolg, kann sie die Umleitung

des Materialflusses auf eine andere Förderstrecke

veranlassen und die Störung melden.

Das Potenzial der neuen Frequenzumrichter

zeigt sich in einer Maschine zum

Schneiden von Käse und Fleisch für die

Convenience-Food-Industrie. Der Hersteller

hat sich dafür entschieden, die Zentralsteuerung

seiner Maschine durch die integrierte

PLC des für den Antrieb zuständigen

Nord-Frequenzumrichters zu ersetzen. Sie

bindet zusätzlich zur Antriebssteuerung

alle Sensoren und Aktoren der Anwendung

ein und erspart weiteren Steuerungsaufwand.

„Ganze Logistik- und Industrieanlagen

lassen sich mit unserer aktuellen Antriebstechnik

durch Cloud-Integration weltweit

aus der Ferne überwachen und hinsichtlich

Antriebsauslegung und Materialfluss optimieren“,

so Dr. Omar Sadi. Die Antriebe

übertragen dazu einfach relevante Daten

über ein Industrie-4.0-Gateway in eine

Dr. Sadi. Durch die Integration einer PLC in

die Frequenzumrichter können applikationsspezifische

antriebsnahe Funktionen

effizient programmiert und wie alle anderen

Funktionalitäten des Frequenzumrichters

parametriert werden. Antriebe sind

heute integraler Bestandteil des Automatisierungsnetzwerkes.

Sie protokollieren die

Antriebs- und Anwendungsdaten fortlaufend

und werten alle zur Verfügung stehenden

Sensor- und Aktordaten aus. Die erhobenen

Daten werden dann von der integrierten

Umrichter-PLC lokal aufbereitet

und ausgewertet. Der intelligente Antrieb

kommuniziert relevante Daten an die Leitebene

und an Komponenten im Netzwerk.

Auf dieser Basis ist der intelligente Antrieb

ohne übergeordnete Steuerung in der Lage,

eigenständig und situationsgerecht in der

Anlage zu agieren und eine Ablauf-, bzw.

Mit dem Konzept des Nordac

Link ist unsere Antriebselektronik

also in jeder Hinsicht

Industrie 4.0 ready.

Dr. Omar Sadi, Geschäftsführer,

Nord Drivesystems

Bewegungssteuerung einzuleiten – z. B. für

eine Positionieranwendung. Auch modulare

Anlagendesigns mit autarken Fertigungsinseln

sind möglich. Durch kontinuierliche

Überwachung der Feldebene, die Verknüpfung

von Kommunikation, Sensorik, Prozessdaten

und den Vitalparametern des

Antriebes ergibt sich eine höhere Flexibilität

und Prozesssicherheit des Systems.

Die automatische Zustandsbeurteilung wird

möglich. So können ungeplante

Stillstandzeiten

verringert werden

und eine zustandsorientierte

Instandhaltung

tritt an die Stelle der

zeitbasierten Wartung.

Dadurch reduzieren sich

die Wartungs- und Instandhaltungskosten.

Integration

weiterer Steuerungsaufgaben

„Perspektivisch wird die Reise weitergehen

bis hin zu cyber-physikalischen Systemen,

die verteilt und dezentral, herstellerunabhängig

und standortübergreifend zusammenarbeiten.

Eine beliebige Kombination

aus Steuerungen, SPS und Kommunikationsprotokollen

wird ihre

Betriebsdaten an die jeweilige

Steuerungsebene

übertragen. Die ERP-Ebene

steuert dann die Feldebene

auf Basis der bekannten

Felddaten“, ist sich Dr. Sadi

sicher. Die integrierte PLC

des Nordac Link Frequenzumrichters

ist für diese

au tarken Szenarien vorbereitet.

Sie kann z. B. Sensoren und Aktoren

einer Zellenradschleuse für die Zementvermahlung

einbinden und antriebsnahe

Funktionen ausführen. Zum Beispiel stoppt

sie die Schleuse, wenn sie eine Blockierung

durch zu große Stücke oder zu viel Material

diagnostiziert. Die PLC kann selbstständig

Abhilfemaßnahmen einleiten: Durch Umkehr

der Antriebsrichtung versucht sie, die

Blockierung wieder zu beheben. Führt dies

Unser neues dezentrales Antriebskonzept

ist die optimale Antwort

auf die Evolution der Steuerungsarchitektur

von der Automatisierungspyramide

zum intelligenten

Automatisierungsnetzwerk.

Jörg Niermann, Bereichsleiter

Marketing, Nord Drivesystems

cloudbasierte Datenbank. Über ein Remote-Terminal

mit übersichtlicher grafischer

Darstellung der Nord-Förderanlage

und ihrer Betriebs daten kann die Kontrolle

und Betreuung der Anlage bis zum Einzelantrieb

oder der Einzelanlage von jedem

Ort mit Internet anschluss weltweit vorgenommen

werden. „Mit dem Konzept des

Nordac Link ist unsere Antriebselektronik

also in jeder Hinsicht Industrie 4.0 ready“,

resümiert Dr. Sadi.

www.nord.com

Video

Was leisten intelligente Antriebe?

Wir haben bei Getriebebau Nord nachgefragt.

http://bit.ly/2mSaZh9

12 antriebstechnik 3/2018


GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN

Höchste Drehmomentdichte und Präzision

Für hochdynamische Anwendungen wie Handlingsysteme eignet sich

der Einbausatz CSG-2A von Harmonic Drive. Das präzise, spielfreie

Wellgetriebe zeigt höchste Übertragungs- und Positioniergenauigkeit,

die über die komplette Gebrauchsdauer aufrechterhalten wird. Im

Vergleich zu Standardwellgetrieben weist es bei gleichen Abmessungen

um 30 % höhere Drehmomente auf. Somit sind in der Anwendung höhere

Beschleunigungen und Verzögerungen sowie reduzierte Zykluszeiten

möglich. Durch das gesteigerte Kollisionsdrehmoment ist die Baureihe

sehr robust gegenüber Schocklasten, und das bei erhöhter Gebrauchsdauer.

Der Einbausatz bietet konstruktive Freiheiten: Durch Nutzung der

vorhandenen Gehäusestruktur kann z. B. ein separates Getriebegehäuse

vermieden werden, oder das Lagersystem der Anwendung kann als Abtriebslager

des Einbausatzes verwendet werden. Somit kann die Konstruktion

auf Leichtbau optimiert werden.

www.harmonicdrive.de

Extrem laufruhiges

Zahnstangengetriebe

DIE KUPPLUNG.

FÜR DIE WELT DER

PRÄZISION

Das Unternehmen Leantechnik

hat seine Lifgo-Zahnstangengetriebe-Serie

um eine neue

Baureihe ergänzt: Die Lifgo SVZ

weisen eine hohe Laufruhe auf

und arbeiten robust sowie präzise.

Die neue Baureihe ist in den drei

Größen Lifgo SVZ 5.1, 5.3 und 5.4

erhältlich, mit Hubkräften von

3 400, 14 400 und 22 600 N. Die

Getriebe werden in vier Ausführungen

gefertigt: Das Lifgo SVZ

ist ein sehr belastbares Getriebe

und erreicht auch bei hohen

Geschwindigkeiten eine hohe

Synchronität, das Lifgo Linear SVZ

eignet sich für lange Hub- und

Verfahrwege, das Lifgo Doppel SVZ

wurde für Greif- und Zentrierbewegungen

konstruiert und das

Lifgo Linear doppel SVZ für Greifsowie

Zentrierbewegungen bei

Anwendungen mit langen

Verfahrwegen. Darüber hinaus

erreichen die Getriebe Geschwindigkeiten

von bis zu 3 m/s bei

Beschleunigungen von 50 m/s 2 .

Sie sind einzeln und als komplett

montiertes, einsatzbereites

Leantranspo-Positionier- und

Handlingsystem erhältlich.

www.leantechnik.com

Sicherheitskupplungen

Metallbalgkupplungen

Elastomerkupplungen

RW-KUPPLUNGEN.DE


KUPPLUNGEN UND BREMSEN

Kupplung im

XXL-Format

Große Sicherheitskupplung

für den Einsatz in

Windkrafttestanlage entwickelt

Kupplungen finden ihren Einsatz in

fast jeder Maschine. Aus diesem

Grund gibt es die Komponenten in

diversen Ausführungen und

Größen. So stellen zum Beispiel

Sicherheitskupplungen einen

problemlosen Betrieb eines Motors

sicher. Sie schützen Anlagen vor

Überlastschäden, die letztlich teure

Reparaturen nach sich ziehen und

einen kompletten Stillstand

verursachen können.

Sicherheit geht vor – deswegen sind

beim Einsatz von

Sicherheitskupplungen Präzision

und Expertenwissen gefordert.

Spezialprojekte, die die individuelle Anfertigung von Industrie- und Präzisionskupplungen

beinhalten, gehören bei der R+W Antriebselemente GmbH zum

Tagesgeschäft. Die hauseigene Entwicklungsabteilung ist erfahren und verfügt

über das Know-how, Anfragen aus Wirtschaft und Wissenschaft mit heiklen, häufig

extremen Parametern zu bedienen. Darunter fallen Projekte wie die Sicherheitskupplung

für die Weltraumstation ISS oder die steckbare Metallbalgkupplung für

leistungsfähigen Teilchenbeschleuniger, den Large Hadron Collider (LHC).

Extreme Anforderungsprofile machen erfinderisch

Sina Cerny ist Marketing-Referentin bei der

R+W Antriebselemente GmbH in Klingenberg

Ein besonderes Projekt wurde im Sommer 2017 in Angriff genommen – die Herstellung

einer übergroßen Sicherheitskupplung mit dem Namen STF 20000, mit einem

Gesamtgewicht von 21,5 t. In jeder Hinsicht besonders waren daher auch die Anforderungen.

Der Auftrag entwickelte sich aus der Ausschreibung eines spanischen

Kupplungsherstellers. Dieser baute seinerseits ein Transmissionselement für die

zwei 6-MW-Motoren einer neuen, dänischen Windkrafttestanlage. Den hierfür zusätzlich

notwendigen Überlastschutz in Form einer Sicherheitskupplung mit manueller

Einrastung musste allerdings ein spezialisierter Kooperationspartner beisteuern.

Fündig wurde das Unternehmen in R+W, dem Kupplungsspezialisten aus Klingenberg

am Main. Der Hersteller besitzt eine separate Entwicklungsabteilung für Neuentwicklungen

und Speziallösungen von Präzisions- und Industriekupplungen.

14 antriebstechnik 3/2018


KUPPLUNGEN UND BREMSEN

01 Ein Schmiedeteil im Ofen

02 Der Grundkörper der Kupplung, nachdem er im Ofen geschmiedet wurde

Im Juli 2016 konnte R+W mit der Entwicklungsphase

starten. „Unser Lastenheft bestimmte

die Kombination aus den enormen

Lastzyklen des Windkraftbetriebs, den entsprechend

hohen Kilonewtonmeter-Bereichen,

die es zu bewältigen galt, und den

baulichen Vorgaben der Spanier“, erklärt

Rainer Benz, Technischer Leiter bei R+W.

Konkret heißt das: Ein Ausrückmoment

zwischen 15 000 und 20 000 kNm, für das die

Sicherheitskupplung ausgelegt sein sollte. Im

Regelfall werden im Sicherheitsbereich bis

zu 2 800 Nm erreicht – das entspricht dem

7 000-Fachen des üblichen Werts. Der zu

erzielende Außendurchmesser betrug vier

Meter. Der Innendurchmesser der gigantischen

Sicherheitskupplung sollte immerhin

noch 70 cm betragen, bei einer Länge von

470 mm. Benz: „Dennoch ist auch die STF

20000 nach denselben Prinzipien wie alle

unsere bewährten Industrie-Sicherheitskupplungen

aufgebaut, nur in anderen Dimensionen

als üblich.“

Sieben Monate für die Konzeption

Das R+W-Entwicklungsteam näherte sich

der Aufgabe in sieben Monaten intensiver

Konzeptionszeit zunächst mit der Erstellung

eines 3-D-Modells. Nach diesem virtuellen

Prototyp konnte die übergroße Kupplung

realisiert werden. Den ungewohnten

physikalischen Parametern wurden die

Ingenieure durch die Finite-Elemente-

Methode Herr. Besonders akribisch wurde

nach eventuellen Schwachstellen an der

Kupplung gesucht, die sich bei herkömmlichem

Gebrauch und üblicher Größe so

nicht ergeben. „Die Gefahr von Verformungen

oder Rissen aufgrund der extremen

Beanspruchung in der Windkrafttestanlage

haben wir genauestens geprüft. Davon

hängt auch die langfristige Funktionssicherheit

der Kupplung ab“, ergänzt Benz.

Dementsprechend verstärkten die Konstrukteure

die lokalisierten neuralgischen

Punkte an der Kupplung, um Fehlern durch

Verschleiß vorzubeugen.

Drei Wochen Großteilepuzzle

Als Sonderanfertigung wurden danach alle

Teile der Kupplung einzeln geschmiedet.

Auch hier war Präzisionsarbeit gefragt,

denn der nachfolgende Prozess des Zusammensetzens

sollte keine noch so kleine

Ungenauigkeit bei der Fluchtung eines

Bohrpunkts verzeihen. Für die Montage der

Sicherheitskupplung mietete das Projektteam

eigens eine Halle im 50 km entfernten

Mömbris bei Aschaffenburg an, die für den

enormen Durchmesser der Kupplung und

die hierfür notwendige außergewöhnlich

hohe Kranleistung ausgelegt war. Drei

Wochen lang waren drei R+W-Mechaniker

für das Großteilpuzzle im Einsatz.

Anstatt von allen Seiten die Teile zusammenzusetzen,

wurden die Einzelkomponenten

nur von einer Seite montiert: „Wir

haben aus der technischen Notwendigkeit

einfach eine Tugend gemacht und uns das

Belegen einer Pizza zum Vorbild genom-

men. Einzelteil um Einzelteil wurde so am

Grundgerüst festgesteckt“, resümiert Benz.

Mit einem Zeitrafferfilm dokumentierte das

Team zusätzlich den aufregenden Prozess.

Zur finalen Montage musste die STF

20000 nach Andalusien verschickt werden –

eine weitere logistische Herausforderung.

Zu den 21,5 t Gewicht der Sicherheitskupplung

kam das 3,5-t-schwere Transport gestell

und setzte so für die rd. 1 500 kilo meterlange

Fahrt einen ebenerdigen Nulllader ohne

Überbreite voraus. Da in Frankreich die Autobahnnutzung

für Schwertransporte dieser

Art ausgeschlossen ist, benötigte das Fahrerteam

drei Tage bis zum Bestimmungsort.

Nach eingehenden Funktionstests fand die

Verschiffung zum Einbau in die Windradtestanlage

in Dänemark statt, deren Motoren

seither durch die Sicherungskupplung

im XXL-Format geschützt werden.

www.rw-kupplungen.de

Video

Die Kupplung im XXL-Format wurde in

den Monaten Juni und Juli 2017 von

R+W montiert.

https://www.antriebstechnik.de/ruw_0318/

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antriebstechnik 3/2018 15


KUPPLUNGEN UND BREMSEN

Edelstahllamellenkupplungen

in neuen Baugrößen

Das Unternehmen Orbit

Antriebstechnik hat sein

Angebotsspektrum der

Lamellenkupplungen Diskflex

in Edelstahlausführung für

noch höhere Drehmomente

erweitert. Aufgrund der

beiden neuen Kupplungsgrößen GDC80 sowie GDC90 ist das

Kupplungsprogramm damit in einem Nenndrehmomentbereich

bis 150 Nm erhältlich. Die torsionssteifen Kupplungen arbeiten

mit flachen, biegeelastischen Lamellen bzw. Lamellenpaketen

aus rostfreiem Edelstahl. Diese sind wechselseitig mit der

jeweiligen Edelstahlnabe und dem Zwischenstück aus Edelstahl

verschraubt. Die mit Klemmnaben ausgestatteten spielfreien

Lamellenkupplungen stehen für Wellendurchmesser bis 45 mm

zur Verfügung.

www.orbit-antriebstechnik.de

Rutschkupplungen für Ausrückmomente

bis zu 23 000 Nm

Der Antriebsspezialist

Enemac bietet nun zwei

weitere Kupplungsreihen

standardmäßig an: die

Rutschkupplungen ESC und

ECSK. Beide Ausführungen

sind für Ausrückmomente

bis zu 23 000 Nm verfügbar.

Die Reihe ECS für indirekte

Antriebe kann mit oder ohne Abtriebselement (Kettenrad,

Riemenscheibe) geliefert werden und für Drehzahlen bis zu

10 000 U/min eingesetzt werden. Type ECSK für direkte Antriebe

besteht aus der Rutschkupplung ECS mit Kettenkupplungsanbau

und kann bei Drehzahlen bis zu 5 000 U/min eingesetzt werden.

Die standardmäßige Passfedernutvariante ermöglicht Bohrungsdurchmesser

bis zu 140 mm.

www.enemac.de

Spannelemente mit guten Rundlaufeigenschaften

Selbstzentrierende Spannsätze und Schrumpfscheiben von KBK eliminieren Kerbwirkungen sowie Passungsrost und weisen mit ihrer

gleichmäßigen radialen Pressung gute Rundlaufeigenschaften auf. Mit den Innenspannsätzen KBS62 etwa lassen sich zwei Zahn- bzw.

Kettenräder gleichzeitig auf einer Welle befestigen. Diese Welle-Nabe-Verbindungen

können hohe Biege- und Drehmomente übertragen, z. B. bei Gurtfördertrommeln.

Die KBS52 weisen ein kompaktes Verhältnis von Innen- zu Außendurchmesser auf

und eignen sich für Getriebe und Zahnradbefestigungen in Handlingeinheiten oder

in der Fördertechnik. Während der Spannsatz KBS56 für niedrige Drehmomente

und zur Überbrückung großer Toleranzen entwickelt wurde, eignet sich der KBS57

aus Edelstahl für kleine Nabenbohrungen und der korrosionsgeschützte KBS58 für

weite Drehmomentbereiche. Schrumpfscheiben zur kraftschlüssigen Verbindung

von Welle und Hohlwelle gibt es in selbstlösender (KBS19) oder selbsthemmender

Ausführung (KBS19/1).

www.kbk-antriebstechnik.de

Unsere bewährte ARCUSAFLEX, mit der

neuen „ Y “ Gummi-Mischung eine perfekte

Kombination bei höheren Temperaturen mit

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16 antriebstechnik 3/2018


KUPPLUNGEN UND BREMSEN

Für den großen Präzisionsantrieb

Eine sichere und exakte Übertragung der Drehmomente bei

Präzisionsantrieben ermöglichen die Metallbalgkupplungen KXL

von Jakob. Die Baureihe mit vier Nabentypen ist für mittlere und

große Antriebe bis 65 000 Nm konzipiert. Ein Merkmal ist die dreiteilige

Ausführung mit einem flexiblen Balgpaket als Zwischenstück.

Dieses ausbaubare Zwischenstück, bestehend aus einem verdrehsteifen

Edelstahlbalg mit zwei Balgwellen pro Seite und einem

längenvariablen Zwischenrohr, ist reibschlüssig mit beiden Naben

verbunden. Dies erleichtert die Montage, da im Wartungsfall die

Antriebs- bzw. Abtriebsaggregate nicht demontiert werden müssen.

Die Kupplungen eignen sich z. B. für Getriebeanbindungen, Druckmaschinen,

Transferachsen oder Hauptspindelantriebe. Ein Medientransport

oder ein Parallelantriebsstrang durch

den Kupplungs-innenraum ist möglich.

Die Anbindung an die Wellen kann als

Konusspannringnabe oder als Flanschnabe

erfolgen.

Ausbau des CAD-Produktkonfigurators

www.jakobantriebstechnik.de

Elastomer für temperaturkritische

Anwendungen

Als Alternative zu Silikon kann das hochtemperaturbeständige,

synthetische Elastomer Centalan HAT von Centa für Kupplungselemente

genutzt werden. Der Werkstoff aus eigener Gummifertigung

weist vergleichbare dynamische Eigenschaften wie Naturkautschukmischungen

auf. Er ist bei Temperaturen von – 25 bis

+ 100 °C einsetzbar, kurzzeitig sogar bis + 120 °C. Außerdem ist er

beständig gegenüber UV-Licht, Ozon und Sauerstoff sowie gegenüber

Chemikalien, Öl und Benzin, Wasserdampf und Heißwasser.

Seine mechanischen Eigenschaften liegen dem Hersteller zufolge

über denen von Silikonkautschuk. Derzeit sind standardmäßig die

Bauformen Centamax-S, -G und -HTC mit dem Elastomer erhältlich.

www.centa.info

Als Hersteller für Präzisions- und Sicherheitskupplungen ist die

3D-Darstellung der Produkte auch für die R+W Antriebselemente

von hohem Wert. Interessierte Vertriebsmitarbeiter, Käufer und/

oder Zulieferer auf Kundenseite erhalten über den CAD-Produktkonfigurator

eine berechenbare Darstellung ihrer individuell

angepassten Kupplung, die sie mit passenden Präsentationswerkzeugen

zoomen, drehen und mit einer 2D-Darstellung

vergleichen können. Im Anschluss daran besteht die Möglichkeit,

mit einem Klick das generierte CAD-Modell in das eigene CAD-

System zu übergeben. Das Online-CAD-Tool reduziert die

Entwicklungszeit und erhöht die Produktivität. Um den Weg zum

Produktkauf zu vereinfachen, gibt es seit kurzer Zeit die neue,

zusätzliche Funktion „Anfrage“. Mit wenigen Klicks kann die

konfigurierte Kupplung direkt bei R+W angefragt werden. Durch

die vorige Anmeldung im Downloadcenter werden die Kundendaten

automatisch ausgefüllt und mit dem Produkt verknüpft.

Die Anzahl kann beliebig eingetragen werden und am Schluss

übermittelt der Sende-Button die Daten an das Vertriebsteam.

www.rw-kupplungen.de

Wir fertigen Stirnräder mit

Innen- und Außenverzahnung,

Zyklo-Palloid-Spiralkegelräder

sowie Hirth-Stirnverzahnungen

als eine der wenigen in

einem Haus. Individuell nach

Kundenwunsch!

Einmalig.

Wir produzieren alle

gängigen Verzahnungsarten –

in Premiumqualität.

Vielseitig.

Hagmann Zahnradfabrik GmbH Tel.: +49 (0) 71 64 / 94 30-0 Fax: -31

www.hagmann.de info@hagmann.de


LINEARTECHNIK

Integrierte Schrittmotorantriebe jetzt als

Linearaktuatoren erhältlich

Koco Motion präsentiert eine neue Ausführung der integrierten

Schrittmotorantriebe der 3. Generation Lexium M Drive. In den

Flanschmaßen Nema 17 und Nema 23 werden sie jetzt auch als

Linearaktuatoren angeboten. Der Lexium M Drive 17 Linear kann

mit einer maximalen Spindellänge von bis zu 450 mm ausgeführt

werden und Kräfte bis zu 220 N dauerhaft aufnehmen. Beim

Lexium M Drive 23 Linear beträgt die maximale Spindellänge

610 mm, womit Kräfte bis zu 900 N permanent abrufbar sind.

Beide Linearmotoren gibt es als IP20-Version mit den bekannten

Steckanschlüssen und als IP65-Version mit den robusten M12-

Schraubanschlüssen. Damit

halten die Antriebe auch

einer rauen Umgebung

stand. Über den optional

integrierten Encoder

ermöglicht die patentierte

Closed-Loop-Regelung

HMT Laufeigenschaften

wie ein Servomotor.

www.kocomotion.de

Miniatur-Motor mit integrierter

Antriebselektronik

Die Miniatur-Linearmotoren

von Nilab

mit einer hohen

Beschleunigung und

hohen Geschwindigkeiten

können überall

eingesetzt werden, wo

Dinge bewegt, verschoben

oder geöffnet

werden, z. B. bei der

Fokussierung und Bildstabilisierung in optischen Systemen. Durch

ihre tubulare Bauweise kann auf traditionelle mechanische Systeme

wie Kugelumlaufspindeln oder Keilriemen verzichtet werden. Die

Antriebselektronik befindet sich innerhalb des Motors. So lässt sich

dieser einfach steuern, und es bedarf keines externen Servoreglers.

Außerdem bieten die Mini-Motoren Diagnose- und Sicherheitsfunktionen,

deren Daten automatisch an einen Industrie-PC weitergeleitet

werden können, und einen geringen Energiekonsum.

Vertrieben werden sie in Deutschland von Maccon.

www.maccon.de

Robuste Linearachsen für Mehrachssysteme

Die geschützten Linearachsen des Plus Systems aus dem Hause

Rollon bilden die Basis für Mehrachssysteme, kartesische Achsroboter

oder die Linearbewegung von Scara-

Robotern. Sie können in Produktionslinien oder

Handhabungs- und Verpackungsanwendungen

eingesetzt werden. Die Achsen haben einen

selbsttragenden Rahmen aus stranggepresstem

Aluminium. Das System umfasst drei Serien.

Bei der ELM-Serie erfolgt die präzise Bewegung

des Laufwagens durch Linearführungen oder

durch ein Laufrollensystem. Ein Abdeckriemen

schützt den Riemenantrieb sowie das Linear-

führungssystem vor Verunreinigungen. Die Robot-Serie ist für hohe

Tragzahlen geeignet, bei denen der Laufwagen starken Kräften

unterworfen ist oder für Linearbewegungen

von Scara-Robotern, die in Produktionslinien

eingesetzt werden. Die SC-Serie wurde für den

Einsatz als Vertikalachsen bei der Gantry-

Bauweise konzipiert. Gleichzeitig ist sie auch

für Anwendungen geeignet, bei denen sich das

Aluminiumprofil bewegt, während der Laufwagen

feststeht.

www.rollon.de

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18 antriebstechnik 3/2018


LINEARTECHNIK

Hubsäulen positionieren Lasten

schnell und präzise

Hubsäulen sind unentbehrlich in der Medizintechnik,

Logistik, Verpackungsindustrie oder Pkw-Produktion.

Darüber hinaus tragen sie als Bestandteil von ergonomischen

Arbeitsplatzsystemen zur Effizienz-steigerung

in Unternehmen bei. Leantechnik fertigt diese Systeme

auf Grundlage seiner Lifgo- und Lean-SL-Zahnstangengetriebe.

Die Lifgo-Getriebe sind sehr belastbar und

erzielen Hubkräfte von 2 000 bis 25 000 N. Sie eignen

sich für Hubsäulen von Anlagen und Geräten, in denen

hohe Querkräfte auftreten, z. B. Verpackungsmaschinen

oder Handlinganlagen. Mit den Hubsäulen lassen sich

schwere Lasten präzise an jeden gewünschten

Ort in der Verpackungs- oder Montagelinie

transportieren. Für Anwendungen,

in denen kaum Querkräfte auftreten

oder eine exakte Führung bereits vorhanden

ist, sind Hubsäulen mit

Lean SL-Getrieben ideal. Diese

Produktreihe besitzt rundgeführte

Zahnstangen und eignet sich für

einfache synchrone Hubaufgaben,

wie sie z. B. bei höhenverstellbaren Diagnosegeräten

in der Medizintechnik oder an

ergonomischen Arbeitsplätzen in der

Industrie auszuführen sind. Genau wie die

Lifgo-Getriebe erreichen auch die Lean SL-

Getriebe Hubgeschwindigkeiten von

bis zu 3 m/s.

www.leantechnik.com

Kompaktes

Positioniersystem

Ein Positioniersystem für Automatisierungsanlagen

mit wenig

Platz und hohen Anforderungen

an die Gebrauchsdauer ist der

flache Hexapod H-825 von Physik

Instrumente (PI). Das parallelkinematische

System mit bürstenlosen DC-Motoren eignet sich für hohe

Drehzahlen, lässt sich genau regeln und sorgt für hohe Präzision.

Durch den Verzicht auf Schleifkontakte ist das System laufruhig

und verschleißarm. Absolut-Encoder, die auch im stromlosen

Zustand eindeutige Lageinformationen liefern, machen Referenzfahrten

überflüssig. Für die kompakte Bauweise wurden die Antriebe

„gefaltet“. Der Hexapod ist dadurch bei 320 mm Durchmesser nur

195 mm hoch und kann Lasten bis 30 kg positionieren. Er eignet

sich für Stellwege bis ± 27,5 mm und Rotationsbereiche bis ± 11,5°.

Anwendung findet er z. B. in der Mikromontage, Biotechnologie,

Halbleiterfertigung oder bei der Ausrichtung optischer Systeme.

www.pi.de

Ihr Spezialist für

Teleskopschienen im

Schwerlastbereich

Schwerlast-Kugelgewindetriebe für

höhere Endgeschwindigkeiten

Schnellere Beschleunigung und höhere Endgeschwindigkeit der

Schließ- und Spritzeinheiten von vollelektrischen Kunststoff-

Spritzgießmaschinen ermöglichen die neuen Baugrößen der

Schwerlast-Kugelgewindetriebe HTF-SRE und HTF-SRD aus dem

Hause NSK. Zum Einsatz kommen sie in Kunststoffmaschinen,

mit denen Lichtleitplatten für die Displays von Smartphones und

Tablets gefertigt werden. Diese werden immer größer, dünner und

Technische Beratung unter:

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mit immer kürzeren Taktzeiten gefertigt. Die Linearantriebe in

den Spritzgießmaschinen müssen daher mit immer größerer

Dynamik arbeiten. Auf der Basis dieser Anforderungen wurden

die neuen Schwerlast-Kugelgewindetriebe konzipiert. Von der

Serie HTF-SRE gibt es nun auch kleine und mittlere Durchmesser

ab 50 mm. Die Serie HTF-SRD für die Schließeinheiten von

Kunststoffmaschinen wurde um Versionen mit größerer Steigung

ergänzt. Nun stehen Schwerlast-Kugelgewindetriebe zur

Verfügung, die Vorschubgeschwindigkeiten von 2 bis 3 m/s

erreichen.

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Tel.: 08137/9316-10 . Fax: -16 . E-Mail: osk-petershausen@osk-kiefer.com


ELEKTROMOTOREN

Manchmal ist „genau“

einfach nicht genau genug

Schüssler Technik –

Präzisionsantriebe seit 40 Jahren

Marie-Kristin Krueger ist Redakteurin

der Zeitschrift antriebstechnik

„Genau, ist uns nicht genau genug“ – Das ist der Slogan, mit dem die Firma Schüssler

Technik auf ihrer Website wirbt. Zurecht. Denn das Unternehmen fertigt hochgenaue

Antriebe, Lagereinheiten und Antriebssysteme für Branchen, die höchste Präzision

verlangen. Wir haben das Schüssler-Technik-Team am Standort in Pforzheim besucht und

unter anderem mit Ullrich Gäbel, Geschäftsführer Forschung & Innovation, gesprochen.

A

m Anfang stand die Präzision, genauer

gesagt beschäftigt sich Schüssler Technik

seit dem Bestehen des Unternehmens

mit der Produktion von Sondermaschinen

zur Brillenherstellung: Vor Ort wurden

schon damals diverse Fräs-, Biege-, und

Laserlötmaschinen entwickelt und gefertigt

– das ist auch heute noch so.

Im Jahr 1995 betrat Schüssler jedoch ein

neues Feld und befasste sich zunehmend

mit dem antriebstechnischen Bereich. Das

Unternehmen entschloss sich dazu, die Direktantriebe

für die Brillenmaschinen selbst

herzustellen. Der Grund dafür: Der Hersteller

wollte in diesem Bereich noch präzisere

Ergebnisse erzielen – doch den entscheidenden

Anstoß gab ein befreundetes Unternehmen

aus Wetzlar. Ullrich Gäbel erinnert

sich: „Das Unternehmen fertigt Maschinen

für die Brillenherstellung an, haben sich jedoch,

im Vergleich zu Schüssler, auf die Produktion

von Gleitsichtbrillen spezialisiert.

Eines Tages kam man auf uns zu und fragte:

‚Könnt ihr nicht einen Direktantrieb entwickeln,

der auf der Oberfläche der Linse keine

Pulsationen mehr erzeugt?‘. Und dann

legten wir los und schufen damit die Basis

für unsere Spezialisierung auf hochgenaue

Antriebslösungen.“

Qualitätsantriebe nach Maß

Maschinen zur Brillenherstellung werden

bei Schüssler Technik auch heute noch entwickelt

und produziert. Zu den Kernkompetenzen

des Unternehmens zählt allerdings

heute die Entwicklung individueller

Hochgenauigkeitsantriebe mit extremer

Kippsteifigkeit für unterschiedliche Bran-

01 „Zukünftig erhoffen wir uns einen noch breiteren Einsatz in verschiedenen Bereichen der

Werkzeugmaschinenindustrie“, Ullrich Gäbel in der Montage bei Schüssler Technik

02 Erprobung der Hochpräzisions-Rollenlagerung im Werkstückspindelstock einer Rundschleifmaschine

03 Dietmar Rupprecht, Geschäftsführer Vertrieb/Produktmanagement Schüssler Technik, im Gespräch

01 02

20 antriebstechnik 3/2018


Redakteurin Marie-Kristin Krueger

im Gespräch mit Ullrich Gäbel

chen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf

dem eigens entwickelten Baukastensystem

aus rastmomentfreien Servomotoren und

pulsationsfreien Lagereinheiten. Diese bieten

dem Anwender hochgenaue Antriebssysteme

– bis in den Nanometer-Bereich. Die

Lösungen kommen u. a. in der Messtechnik,

für Werkzeugmaschinen wie Dreh- und Fräseinheiten,

zur 3D-Hartbearbeitung sowie in

der Lasertechnik zum Einsatz. Die Antriebe

sind gefettet und werden ausschließlich in

staubfreier Umgebung montiert. Das Angebot

umfasst verschiedene Leistungsgrößen

und kann in allen Varianten applikationsspezifisch

angepasst werden.

Ferner entwickelt das Unternehmen

Werkzeugspindeln zur Bearbeitung von

Kunststoffen und NE-Metallen. Die Spindeln

erreichen Drehzahlen von 6 000 bis

mehr als 60 000 min -1 , wobei die Drehzahlregelung

durch Frequenzwandler

stattfindet.

03

Das Herzstück des Herstellers: Die Axial-Radial-Zylinderrollenlager

aus der Produktfamilie

Inprefmotion, die bis in die Genauigkeitsklassen

von aerostatischen und hydrostatischen

Lagerungen reichen. Diese vereinen

höchste Präzision gepaart mit der Robustheit

von Rollenlagern. Durch die Schwingungsfreiheit

und Dämpfung von Lagerung und Antrieb

werden bei der Hartbearbeitung höhere

Oberflächengüten und verbesserte Werkzeugstandzeiten

erreicht. „Insbesondere die

Axial-Radial-Lagereinheiten sind das Herz

unserer Antriebslösungen. Sie erreichen eine

bis zu fünffach höhere Kippsteifigkeit gegenüber

Standardlagern, verfügen über nahezu

verschleißfreie Zylinderrollen. Neben dem

Synchronmotor können auch die Lagerungen

wassergekühlt ausgeführt werden“, sagt

Dietmar Rupprecht, Geschäftsführer Vertrieb/

Produktmanagement bei Schüssler Technik.

Präzision in neuer Dimension

Des Weiteren gelang dem Unternehmen vor

einigen Jahren eine Neuentwicklung, die es

in sich hat: Die Kombination aus einem

Hochgenauigkeitslager und einem pulsations

armen Synchronmotor – ein präzises

Antriebssystem, das eigens für die Schleiftechnik

entwickelt wurde. Hier wird ein Zylinderrollenlager

aus eigener Fertigung mit

einem Synchron-Direktantrieb kombiniert.

Das Ergebnis: Eingebaut in den Werkstückspindelstock

einer CNC-Schleifmaschine erreicht

diese Rundlauf- bzw. Planlaufgenauigkeiten

von 50 bis 100 nm. Selbst Kreis- und

Zylinderabweichungen von nur 0,1 µm werden

prozessstabil realisiert – ein Novum in

der Schleiftechnik.

Darüber hinaus weisen die Schüssler-Zylinderrollen

einen höheren Traganteil auf:

Die Integration der bestehenden Rollenlaufflächen

von Welle und Lagerscheibe

(Gehäuse) ohne Fügestellen erhöht die Gesamtsteifigkeit

gegenüber Einzellagern um

den Faktor 5 im Vergleich zu Standard-Einbaurollenlagern

gleicher Größe bzw. reduziert

den benötigten Bauraum um den Faktor

3. Diese integrierte Kompaktlagerung

schafft die Voraussetzung für die Konstruktion

von Direktantrieben mit Rundlaufbzw.

Planlaufgenauigkeiten von 50 bis

100 nm (0,05 bis 0,1 µm) am Abtrieb des

Gesamtsystems. Als Motor kommt ein wassergekühlter,

pulsationsarmer Synchronmotor

mit 21 Polpaaren zum Einsatz, den

Schüssler Technik ebenfalls speziell für

Metrologie- und Werkzeugmaschinenantriebe

entwickelt hat.

Der Komplettantrieb mit Motor zeichnet

sich u. a. dadurch aus, dass die Lagerung

selbst bei maximalen Schleifkräften radial

nicht beeinflusst wird. Diese Genauigkeit erlaubt

es, auch gehärtete Bauteile fliegend auf

der Spindelnase zu schleifen. Aufgrund der

Steifigkeit können dabei CBN- und Diamantschleifscheiben

eingesetzt werden. Durch

die Wasserkühlung des Lagers wird die Prozesswärme

des Schleifteils abgeführt und die

Genauigkeit über die Serienlaufzeit gehalten.

Darüber hinaus ermöglicht die Kombination

aus pulsationsfreiem Antrieb und

höchstgenauer Lagerung mit guten Dämpfungseigenschaften

die Vermessung von

Form- und Lageabweichungen des Schleifteils

d irekt in der Maschine. Die Gleichlaufgüte

des Werkstückspindelstocks kann durch

den Einsatz eines Messsystems mit 63 000 Inkrementen

und einer entsprechend hohen

Interpolation weiter optimiert werden.

„Das ist für mich die Technik der Zukunft –

gerade eben diese Kombination: Bearbeiten

und Messen aus einer Hand, mit nur einer

Maschine“, so Rupprecht. Mit dieser Nano-

Lagerung ist Schüssler Technik ein Fortschritt

gelungen, der nied rige Toleranzen bei

einer hochpräzisen Schleifbearbeitung ermöglicht.

Und auch Gäbel blickt optimistisch

in die Zukunft: „Dass man mit nur

einem Antrieb eine Komponente bearbeiten

und gleichzeitig vermessen kann, bedeutet

für mich, dass wir uns dem Zielbereich der

digitalen Fertigung, insbesondere dem

Thema Industrie 4.0 nähern. Das ist für mich

das Besondere daran.“

Das Unternehmen entwickelt und fertigt

bereits seit 2012 hochpräzise Antriebe für

Werkzeugmaschinen und Linsenschleifmaschinen

– zunächst für den eigenen Bedarf

der Schleiftechnik. Inzwischen stehen

die Direktantriebe auch externen Kunden

zur Verfügung. Zu den Hauptabnehmern

gehören die Hersteller von Schleifmaschinen,

die extrem präzise und zugleich steife

Antriebssysteme benötigen, sowie anspruchsvolle

Anwender, die ihre Schleifmaschinen

entsprechend umrüsten.

Fotos: Redaktion antriebstechnik und

Schüssler Technik

www.schuessler-technik.de

antriebstechnik 3/2018 21


ELEKTROMOTOREN

Servo- und Schrittmotoren

jetzt auch mit Sercos III

JVL bietet mit Sercos III ein weiteres Ethernet-

Protokoll für seine integrierten Servomotoren

und Schrittmotoren an. Das Sercos-Modul

ist mit zwei Ethernet-Anschlüssen und

einem Switch ausgestattet, wodurch eine

Line- und Ringtopologie ohne zusätzliche

Hardware möglich ist. Es sind auch optoisolierte,

digitale I/Os im Modul integriert,

die die Steuerung von zusätzlichen Sensoren

usw. ohne externe E/A-Module ermöglichen.

Darüber hinaus sind alle Register im JVL Mac-Motor über die

Sercos-Verbindung zugänglich, wodurch eine vollständige

Kontrolle der Motorkonfiguration und -bewegung ermöglicht

wird. Das Modul kann über ein vordefiniertes Setup

konfiguriert werden. Die Module für Mac Motor

und Servostep verfügen über alle wichtigen

Merkmale der Sercos-Spezifikation. Die

automatische Erkennung von Antrieben

wird vom FSP Drive und den Sercos

Drive-Profilen unterstützt. Die Synchronisation

erlaubt den gleichzeitigen

Betrieb von bis zu 511 Motoren.

www.jvldrives.de

Motorspindel führt zwei Bearbeitungsschritte

ohne Werkzeugwechsel aus

Die Sycotec Hochfrequenz-

Motorspindel 50100 AC-Duo

führt dank ihrer beiden

Werkzeugaufnahmen

zwei unterschiedliche

Bearbeitungsschritte schnell

und ohne Werkzeugwechsel aus.

Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser oder Fräsen sowie

anschließendes Schleifen eines Werkstücks sind für die Motorspindel

kein Problem. Schnell das zweite Werkzeug in Position

gedreht, und die nächste Bearbeitung kann starten. Da die

Werkzeuge in ER16-Haltersystemen fixiert sind, bietet die Spindel

eine hohe Präzision. Zudem lässt sie sich mithilfe eines Adapters

leicht auf Industrieroboter installieren. Zum Einsatz kommt die

Motorspindel im Werkzeug- und Sondermaschinenbau sowie in

Anwendungen der Automotive- oder Luftfahrtindustrie. Hier stellt

der Drei-Phasen-Asynchronmotor im sensorlosen Betrieb eine

S1-Leistung von 3 kW bereit und erreicht bis zu 1 Nm Drehmoment

bei einer Höchstdrehzahl von 50 000 min -1 . Damit im Hochleistungsbetrieb

nichts heiß läuft, ist eine Wasserkühlung für das Motorelement

und die Kugellager im Gehäuse integriert, und auch für

die Kühlung des Werkzeugs ist gesorgt.

www.sycotec.eu

Servomotoren mit höchster Drehmomentdichte

B&R hat die Servomotoren-Baureihe 8LS weiterentwickelt. Die neuen Motoren der Baugröße 5 in den Baulängen A/B/C ermöglichen

höhere Leistungen und ergänzen damit die Produktlinie im mittleren Bereich. Im Vergleich zu den Vorgängermodellen bieten sie kleinere

Einbaumaße und ein verbessertes thermisches Design. Die Motoren sind hochdynamisch

und verfügen über ein hohes Drehmoment-Überlastverhältnis. Sie

eignen sich für Applikationen in den Bereichen Kunststoffverarbeitung, Druckmaschinen

und Servopumpen. Bei einem Flanschmaß von 142 mm weisen sie

eine hohe Drehmomentdichte auf. Darüber hinaus lassen sich die Motoren mit

allen Typen aus dem B&R-Getriebebaukasten kombinieren und sind als fertige

Motor-Getriebe-Kombination lieferbar. Alle Motoren der Baureihe werden

wahlweise mit digitalen Encodern und Sicherheitsfunktionen angeboten. Bis zur

Baugröße 7 steht für den Großteil der Drehzahlvarianten eine Einkabellösung zur

Verfügung, bei der Motor- und Geberkabel kombiniert werden.

www.br-automation.com


Starke Leistung in

sensiblen Geräten

Der Hybrid-Schrittmotor

Nema 6 von Lin Engineering

ist mit 16 mm Breite einer der

kleinsten seiner Art und weist

ein viermal so hohes Haltemoment

und eine fünfmal so hohe Präzision auf wie vergleichbare

Schrittmotoren. Somit kann er z. B. in Miniatur-Pumpen, Drosseln

oder Steuerungen optischer Sensoren eingesetzt werden. Der

Schrittwinkel des Motors wurde von 1,8 auf 3,46° vergrößert, um das

Haltemoment von 13,06 mN-m zu erreichen. Bei über 8 000 min -1

bringt er es auf 104 Schritte pro Umdrehung. Da es sich bei den

Anwendungen meist um sehr sensible Geräte oder Anlagen handelt,

braucht es eine exakte und fachgerechte Konfiguration. Diese

übernimmt A-Drive in Zusammenarbeit mit dem Hersteller.

Tel.: (0)4743/2769 04743 2769-0 ·· www.astro-motoren.de

Zu Land, im Wasser, unter Wasser, in der Luft und im Weltall

Elektrokleinmotoren bis 200 Watt nach Kundenwunsch

www.a-drive.de

Servomotoren für

High-Precision-Anwendungen

Die DSH1-Baureihe von Baumüller bietet Servomotoren für High-

Precision-Anwendungen. Sie haben einen besonders niedrigen

Rastmoment und erreichen eine sehr hohe Regelgüte. Ein typisches

Einsatzgebiet z. B. im Handling- und Roboterbereich sind Schweißroboter,

die Bauteile mit einer exakten, hochwertigen Schweißnaht

fertigen. Ebenso eignen sie sich z. B. für Etikettendruckmaschinen,

die eine gleichbleibend hohe, reproduzierbare Druckqualität

erreichen müssen. Der maximale Drehzahlbereich der Motoren,

die in den Baugrößen 45 bis 100 verfügbar sind, liegt bei 6 000 min -1

bei Nennleistungen in der selbstgekühlten Ausführung bis 8,2 kW.

www.baumueller.de

Fortschritt hat unser Tempo

Unsere modularen Elektro-Kleinmotoren und Getriebe ASTRO bauen Motoren wir GmbH in Millionen & Co. KG

Debstedt · Große Beek 7 · 27607 Geestland

Kombinationen – passgenau zu den Anforderungen Tel.: jedes (0) 04743 43 2769-0 Kunden.

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2017

Hocheffizienter Servomotor mit neuen

Flanschmaßen

Der Antriebsspezialist Heidrive

hat sein Portfolio erweitert: Der

HMP15 – ein hocheffizienter

Servomotor mit den Flanschmaßen

150 × 150 mm – ist

geeignet für Anwendungen im

Bereich Automatisierungstechnik.

Damit reagiert das Unternehmen

auf die Kunden- und Marktanforderungen und schließt innerhalb

der HMP-Baureihe die Lücke zwischen den bisherigen Flanschmaßen

130 × 130 mm und 190 × 190 mm. Die Änderungen des

Flansches haben Auswirkungen auf die Anschlussmaße, die Länge

und die Massenträgheitsmomente. So erzielt der Servomotor

Stillstandsmomente zwischen 20 und 35 Nm. Der Leistungsbereich

erstreckt sich hierbei von 3,5 bis 7,5 kW. Dank der hohen

Geberauflösung von bis zu 23 Bit pro Umdrehung können im

Drehzahlbereich bis 3 000 min -1 sehr präzise Drehbewegungen

und Positionierungen durchgeführt werden. Aufgrund des

Baukastensystems stehen Kunden umfangreiche Geber- und

Steckeroptionen zur Verfügung.

www.heidrive.de

DIREKTANTRIEBE

(TORQUEANTRIEBE)

bis 10.000 Nm

bis Ø 1.600 mm

bis 100.000 min -1

www.ate-system.de

antriebstechnik 3/2018 23

ATE.indd 1 22.01.2018 13:54:14


STEUERN UND AUTOMATISIEREN

Individuell und flexibel

Lineares Transportsystem erhöht die Flexibilität einer Deckel-Montagelinie für Tablettendosen

Die vollständige Automatisierung

bisher manueller oder

halbautomatischer Prozesse ist

bei kurzen Taktzeiten besonders

kritisch. Da einzelne

Bearbeitungsstationen stets

unterschiedliche Bewegungsprofile

aufweisen, benötigen fest

getaktete Werkstückträgersysteme

viele parallele Einheiten. Goldfuß

Engineering setzt deshalb bei der

Tablettenverpackung auf das

Extended Transport System (XTS)

von Beckhoff. Es bildet über

Softwarefunktionalität flexible

Puffer und erfüllt die hohen

Bewegungsanforderungen

dynamisch und mit minimaler

Komponentenanzahl.

Frank Würthner ist Branchenmanager

Verpackungstechnik bei der Beckhoff

Automation GmbH & Co. KG in Verl

Das Unternehmen Goldfuß entwickelt

und fertigt u. a. Sondermaschinen für

die Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie

für die Kunststofftechnik. Schnelle

Abläufe mit bis zu 60 Teilen pro Minute erfordern

hier präzise Zuführ-, Positionier-,

Verarbeitungs- und Prüfprozesse. Mit dem

XTS erhalten die Anlagen die notwendige

Flexibilität – bei einer kompakten Bauform

und kurzen Produktwechselzeiten. Dabei

eröffnen sich neue Lösungsansätze zur

Realisierung hochdynamischer Maschinenkonzepte,

indem sich sogar mechanisch

bislang kaum oder nur aufwändig

lösbare Bewegungsaufgaben per Softwarefunktionalität

flexibel umsetzen lassen.

„Im Gegensatz zu fest getakteten Werkstückträgersystemen,

bei denen wir einzelne

Bearbeitungsstationen teils vierfach vorsehen

müssen, bietet XTS durch seine Softwarefunktionalität

viel Freiraum. Dabei nutzen

wir so viele Mover wie nötig und takten

diese entsprechend des Prozessverlaufs“,

erläutert Michael Müller, Vertriebsleiter

Sondermaschinenbau und Mitglied der

Geschäftsleitung bei Goldfuß.

Umgesetzt hat Goldfuß dies 2017 bspw.

bei einer Sondermaschine, die Verschlussdeckel

für Tablettendosen montiert. Diese

Deckel verfügen über einen Sicherheitsverschluss

und werden mit einem Trockenmittel

befüllt. Der Montageprozess ist nicht nur

mechanisch anspruchsvoll, sondern muss

auch die FDA-Vorschriften 21 CFR Part 11

erfüllen. So wird eine saubere und keimfreie

Verpackung der Medikamente sicherstellen.

Da sich die Montageautomaten

hauptsächlich in Reinräumen befinden,

gelten auch für die Schaltschränke der

Automatisierungstechnik die Vorgaben der

Reinraumstufe 8. Zu den Kundenanforderungen

gehören außerdem eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit,

ein minimales Produktionsrisiko

sowie eine hohe Flexibilität

und Zuverlässigkeit des Prozesses.

XTS bietet alle notwendigen

Freiheitsgrade

Das XTS bietet neben einer hohen Geschwindigkeit

auch die notwendige Flexibilität,

um verschieden lang dauernde Bearbeitungsschritte

beim Bereitstellen, Positionieren,

Montieren, Prüfen und Ausschleusen

der Teile so einzubinden, dass

Taktzeiten von weniger als einer Sekunde

eingehalten werden können. „Wir wollten

ein System realisieren, das sich unabhängig

von der Anzahl der Bearbeitungsstationen

aufbauen lässt. Wichtig für uns war, dass wir

aufgrund der geforderten Taktzeit unsere

Komponenten frei wählen können und die

geforderte Flexibilität durch die Anzahl der

Mover erreichen“, betont Müller. „Wir

haben uns verschiedene Werkstückträgersysteme

und fest taktende Systeme angeschaut.

Doch bei einem festen Werkstückträger

braucht man für alle Stationen – in

unserem Fall vier Kamerasysteme, vier Bearbeitungs-

und vier Montagestationen –

01 Die Montagelinie für Verschlussdeckel profitiert

von der hohen XTS-Softwarefunktionalität und ist

daher kompakt aufgebaut und flexibel nutzbar


STEUERN UND AUTOMATISIEREN

genauso viele Systeme wie für die Engpassstation,

um die geforderte Taktzeit einzuhalten.

Deshalb fiel unsere Wahl auf das

flexiblere XTS.“

Für die Sicherheitsverschlüsse werden

Spritzgießteile als Schüttgut bereitgestellt,

über Wendelförderer in die Anlage eingespeist,

von verschiedenen Kameras geprüft

und in den XTS-Movern mit entsprechenden

Aufnahmen abgelegt. Die Mover transportieren

die Verschlüsse zu den verschiedenen

Bearbeitungsstationen, z. B. Stanzen

von Pappscheiben, Ultraschallschweißen

und verschiedene Montagevorgänge. Zwischendurch

werden die Teile immer wieder

an Kamerastationen geprüft und zum

Schluss auf einer Waage kontrolliert. Alle

Bearbeitungs- und Prüfstationen sind über

die ovale Förderstrecke des XTS verbunden.

Diese besteht aus 20 geraden und acht

kurvenförmigen (45°) Motormodulen mit

je 250 mm Länge. Über die insgesamt

rd. 7,5 m lange Strecke bewegen sich 34

Mover als Werkstückträger. Gesteuert wird

das System von nur einem Schaltschrank-

PC C6930.

Die Mover können bei der Deckel-Montagelinie

innerhalb des Produktstroms

beliebig gruppiert werden, d. h. die Bearbeitungsstationen

einzeln oder als

Gruppe anfahren. Jeder Mover lässt sich

als eigene Servoachse individuell steuern,

bei Bedarf aber auch mit anderen Movern

bzw. Prozessabläufen synchronisieren.

Dabei be wegen sich die Mover – je nach

Aufgabe – unabhängig von der absoluten

Position und können auch relativ zueinander

verfahren. So bilden sie einen

flexiblen Puffer, aus dem heraus die einzelnen

Bearbeitungsstationen hoch dynamisch

und genau entsprechend deren

jeweiliger Bearbeitungsleistung angefahren

werden können.

02 Die XTS-Mover

lassen sich ganz nach

Bedarf mit passenden

Mechaniken und

Teileaufnahmen – hier

für die Verschlussdeckel

– ausstatten

PC-based Control als offenes und

durchgängiges System

Da Granulat zugeführt wird, arbeitet das

System mit Überdruck in der Einhausung

und vermeidet so eine zu hohe Staub- und

Schmutzbelastung. Die Handhabungstechnik

– also Teile greifen, hochdrücken, gegenhalten,

pressen usw. – wird über Ventilinseln

pneumatisch gesteuert. Eine Bandwaage

prüft zudem beim Ausschleusen das

Füllgewicht. Das Gesamt system wird von

einem Schaltschrank-PC C6930 gesteuert

und über ein 19"-Multitouch-Control-Panel

CP3919 – mit der Einkabelanschlusstechnik

CP-Link 4 – bedient. Die XTS-Datenkommunikation

erfolgt über Ethercat; die Kamerasysteme

sind über Ethernet TCP/IP

angebunden. Bei den Ultraschall-Schweißeinheiten

kommt die Sicherheitstechnik

Twinsafe zum Einsatz. Hierzu zählt die

Twinsafe-Logic EL6900 zur Realisierung der

entsprechenden Funktionen wie Not-Halt

(STO) und sicheres Stillsetzen (SS1 bzw.

SS2). Zudem gibt es digitale und analoge

Ein- und Ausgabebaugruppen.

Zum einfachen und kompakten Aufbau

erläutert Müller: „Der Vorteil von XTS liegt

darin, dass alle Antriebs- und Leistungselektronik

sowie die Weg erfassung im Motormodul,

d. h. in der XTS-Schiene verbaut

sind. Somit führen platzsparend nur zwei

Anschlusskabel, und zwar für die Ethercat-

Kommunikation und für die 24-/48-V-Versorgung,

zum Schaltschrank. Auf einem

einzelnen Schaltschrank-PC C6930, ausgestattet

mit dem Quad-Core-Prozessor Intel

Core i7 und der Software TwinCAT, werden

die Mover als Servoachsen mit allen gewohnten

Motion-Control-Funktionen wie

elektronisches Getriebe oder Kurvenscheibe

abgebildet. Mit ihnen lassen sich die Werkstückträger

automatisch aufstauen oder

ruckfrei anfahren sowie die Fliehkräfte in

den Kurven begrenzen. Aufgrund der Parallelisierung

mit einer Multicore-CPU erhöht

sich die verfügbare Rechenleistung deutlich

gegenüber der sequenziellen Abarbeitung

durch einen Core, sodass sich eine solche

XTS-Anwendung äußerst effizient realisieren

lässt.“

Flexible Montagelinie mit

reduziertem Mechanikaufwand

Die XTS-Mover fahren in der Regel nacheinander

in eine Station ein. Wenn es die

Taktzeit erfordert, lassen sich aber auch

mehrfach ausgeführte Stationen parallel

anfahren. Dauert beispielsweise ein Bearbeitungszyklus

länger als eine Sekunde,

muss die Zahl der Bearbeitungsstationen

verdoppelt, verdrei- oder vervierfacht werden.

So benötigt der Ultraschallschweißvorgang

drei bis vier Sekunden. Um in der

Taktzeit zu bleiben, verwendet Goldfuß

aktuell drei Ultraschall-Schweißeinheiten.

Ein vierter Platz wird für eine eventuelle

Erhöhung der Taktzeit freigehalten. Bei den

Montagestationen ist es ähnlich. Hier

werden vier Verschlussdeckel gleichzeitig

zusammengebaut. Aufgrund der schnellen

Bewegung der Mover ist die Maschine

damit von der Teilung der einzelnen Stationen

unabhängig und hält die Taktzeit

exakt ein. So erreicht man eine Ausbringungsmenge

von 60 Teilen pro Minute. Die

schnelle Kamerastation liefert ihr Ergebnis

in weniger als einer Sekunde, folglich wird

sie nur einmal benötigt und von jedem

Mover angefahren.

„Die Montagelinie ist jetzt so flexibel,

dass Aktoren eingespart werden können.

Im Vergleich zu konventionellen Systemen

erfordert XTS weniger Komponenten, was

den Mechanikaufwand deutlich reduziert“,

lobt Müller. „Mit dem System können wir

die Bewegungsprofile taktzeitgenau optimieren

und sind unabhängig von der Teilung

der verschiedenen Bearbeitungsstationen.

Außerdem können Module ohne

großen Aufwand ausgetauscht, verändert

oder ergänzt werden, falls sich neue Anforderungen

an das Produkt ergeben. Die

mechanischen Änderungen sind dabei

minimal, da die eigentliche Anpassung per

Software geschieht. Die Maschine ist zudem

so modular aufgebaut, dass wir künftig

auch andere Anforderungen und Branchen

bedienen können.“

www.beckhoff.de

antriebstechnik 3/2018 25


STEUERN UND AUTOMATISIEREN

Ethercat mit TSN-Netzwerken verbinden

Der Buskoppler EK1000 von Beckhoff unterstützt die Anbindung von Ethercat-

Segmenten über ein heterogenes Ethernet-Netzwerk an eine abgesetzte Ethercat-

Steuerung. Die Unterstützung von TSN-Funktionen im Koppler ermöglicht es, im

Ethernet-Netzwerk die Verzögerungszeiten durch Switches zu minimieren und

Ethercat-Geräte und Ethercat-I/O-Klemmen an die TSN-Welt anzubinden. So werden

zwei Systeme kombiniert: Ethercat kann die im industriellen Umfeld zahlreichen

kleinen Datenpakete von digitalen und analogen Eingängen zu einem Gesamtprozessabbild

zusammenfügen. TSN eignet sich, um in einem heterogenen Ethernet-

Netzwerk Datenströme zu definieren und diese echtzeitfähig und priorisiert durch

das Netzwerk zu transportieren. Per TSN können somit Steuerungen mehrere

Ethercat-Segmente echtzeitfähig über Ethernet-Netze hinweg ansprechen. Dabei

sind keine Änderungen an den Ethercat-Slave-Geräten erforderlich.

www.beckhoff.de

Inserentenverzeichnis Heft 3/2018

Motion Controller mit Ethercat erweitert

Astro, Geestland..........................................23

ate, Leutkirch................................................23

Baumüller, Nürnberg.................................27

BRECO Antriebstechnik,

Porta Westfalica..................................... 9, 11

ebm-papst, Mulfingen............................. U2

Georgsmarienhütte GmbH,

Georgsmarienhütte.................................. U4

GSC Schwörer, Eisenbach.........................33

Hagmann, Hattenhofen...........................17

Harmonic Drive, Limburg........................... 7

Hilger u. Kern, Mannheim........................45

HKR, St. Johann............................................33

Igus, Köln........................................................18

Jenaer Antriebstechnik, Jena..................22

Mayr, Mauerstetten..................................... 8

Micro-Epsilon, Ortenburg.......................... 3

NACHI, Krefeld............................................... 5

OSK-Kiefer, Petershausen.........................19

Profilscope, München................................19

R+W, Klingenberg.......................................13

Reich Kupplungen, Bochum....................16

Sieb & Meyer, Lüneburg............................31

VMA, Großostheim.....................................15

Yilmaz Redüktör, Meerbusch..................26

Die EPOS4 Positioniersteuerungen aus dem Hause Maxon Motor

können nun mittels Ethercat nach CoE-Standard (CAN application

layer over Ethercat) kommunizieren. Die hierfür entwickelte

Ethercat Card lässt sich mit den EPOS4-Controllern im Gehäuse

sowie mit allen EPOS4-Modulen kombinieren. Zu einem späteren

Zeitpunkt folgen EPOS4-Compact-Bauformen in Ethercat-Ausführung.

Dank dieser Erweiterung für die Welt der Ethernet-basierenden

Kommunikationsprotokolle wird das Anwendungsfeld für die

kompakten Positioniersteuerungen nochmals ausgeweitet – u. a. für

Bereiche, in denen kurze Zykluszeiten in synchronisierten Multiachssystemen

zählen. EPOS4-Steuerungen eignen sich für die

Ansteuerung sowohl von bürstenbehafteten als auch von bürstenlosen

DC-Motoren. Als Zusatzleistungen erhalten Kunden für eine

einfache Inbetriebnahme ein intuitives User Interface, Bibliotheken

und Praxisbeispiele.

DIE KOMBINATION VON

GETRIEBEMOTOR UND

FREQUENZUMRICHTER

Die kombinierte Einheit von Yılmaz Redüktör Getriebemotor und

Frequenzumrichter besitzt ein hohes Potential zur perfekten Lösung

für jede technische Herausforderung.

・ Nominales Drehmoment bis zu 470000 Nm

・ Frequenzumrichter - Leistungsbereich von 0,12 kW bis 160 kW

・ Frequenzumrichter (Integrated Serie) - Leistungsbereich von 0,25 kW bis 7,5 kW

Yılmaz Redüktör GmbH

Mollsfeld 3, 40670 Meerbusch / Deutschland

Phone: +49 2159 92 84 360 - Fax: +49 2159 92 84 364

E-Mail: info@yilmazreduktor.de

www.maxonmotor.com

Mehr Möglichkeiten zur Anbindung

Die Reihe DS von Drehzahl-,

Stillstands- und Drehrichtungswächtern

hat Motrona mit den

Modellen DS250 und DS260

erweitert. Diese erreichen mit

einem zertifizierten Inkrementalgeber

SIL2/PLd oder mit

zwei nicht zertifizierten

inkrementellen Sensoren bis

SIL3/PLe. Dabei sind die

Eingangspegel der Impulseingänge

zwischen HTL,

HTL-Differenziell und TTL-RS422 umschaltbar. Acht HTL/PNP-

Steuereingänge erweitern die Funktionsvarianten. Durch eine einstellbare

Encoderversorgung zwischen 5 und 24 V DC ermöglichen

die Geräte einen flexiblen Einsatz von unterschiedlichen Gebern.

Die sicherheitsgerichteten Ausgänge wurden durch ein zusätzliches

Ausgangsrelais ergänzt. Mit der erhöhten zulässigen Belastung

der Transistorausgänge bis 500 mA pro Ausgang lassen sich externe

Leistungsschütze ansteuern. Damit sind diese Drehzahlwächter

auch für das Nachrüsten von Anlagen und Maschinen unter

Nutzung bestehender nicht sicherer Inkrementalgeber und

Sensoren geeignet.

www.motrona.de

26 antriebstechnik 3/2018

Ylmaz.indd 1 01.03.2018 14:26:58


Komplettlösung für Motorsteuerung

Das Unternehmen Newtec bietet mit

NT Microdrive ein Softwarepaket für den

Controller-Baustein HVC 4223F Flex-

Servo-Drive von TDK-Micronas an. Der

Controller-Baustein ermöglicht die direkte

Ansteuerung von Bürsten-, Stepper- oder

bürstenlosen Motoren bis 10 W ohne

externe Treiber. Mit dem Softwarepaket

können Hersteller ohne großen Entwicklungsaufwand

die Möglichkeiten des

Controllers nutzen. Der Controller für

Smart Actuators kombiniert einen

Standard-ARM-Mikrocontroller-Core mit Zusatzfunktionen. Das Softwarepaket bietet

dafür eine hochflexible, parametrierbare Firmware mit Kommunikations-, Überwachungsund

Power-Management-Funktionen sowie ein Konfigurationstool. Integrierte digitale

und analoge Schaltungseinheiten, z. B. Komparatoren mit virtuellem Sternpunkt, Strom-

Skalierung oder programmierbare Verstärker, ermöglichen es, externe Komponenten

deutlich zu reduzieren. Mit seiner hohen Rechenleistung meistert der Controller-

Baustein auch komplexe Motorsteuerungsalgorithmen.

www.newtec.de

Das komplette

Leistungsspektrum für Ihre

Automatisierungslösung

b maXX PCC-04

b maXX HMIs

und Ubiquity

Integrierte Fernwartungslösung

ohne separate

Hardware

Leistungsstarke

Steuerungsplattform

Optimierung der Maschinenauslastung über die Cloud

Die Rohstoffversorgung und Nachschubplanung für Maschinen kann mit Geräten überwacht

werden, die untereinander und mit der Cloud verbunden sind. Dafür bietet Gefran

Komponenten und Geräte mit Feldbuskonnektivität, z. B. die fernsteuerbaren Automatisierungsplattformen

der G Cube-Reihe,

sensoroffene Sicherheitsanzeigen, PID-

Regler, Multifunktionsregler und Leistungssteller

für den Ofenbau und Sensoren für

die Kraft-, Druck-, Weg-, Winkel-, Neigungs-

Dehnungs- und Drehungsmessung, oder

die vektorgesteuerten Frequenzumrichter

mit DC-Bus-Strom-versorgung wie die

ADV 200-Geräte oder die Einspeise-/

Rückspeiseeinheit der Serie AFE200.

www.gefran.de

DSH1-Serie

Hochpräzise

Servomotoren

b maXX 5800

Kompakter und

offener Umrichter

Intelligente Kunststoffe für mehr Anlagensicherheit

Smart Plastics aus dem Hause Igus können dabei helfen, die Ausfallsicherheit von Anlagen

zu erhöhen. Bei der Produktfamilie Isense machen Sensoren und Überwachungsmodule

die Energieketten, Leitungen, Linearführungen und Rundtischlager intelligent. Sie

erfassen u. a. im laufenden Betrieb den Verschleiß und geben Alarm, wenn eine Reparatur

oder ein Austausch nötig ist. Durch die Vernetzung mit dem Communication Modul

(icom) ist die Online-Statusanzeige mit Alarmierungsmöglichkeit über PC, Tablet oder

Smartphone ebenso möglich wie eine direkte Integration in die unternehmensweite

Infrastruktur. Schon jetzt sagen die Smart

Plastics die Gebrauchsdauer in mehreren

Anwendungen voraus, z. B. in der

Automobilindustrie, und werden in

Abstimmung mit Kunden weiterentwickelt.

So sind z. B. Module, die

Daten der Energiekette, Leitung, Linearführung

oder Rundtischlager erheben,

mit einem seriellen Interface ausgestattet

und lassen sich einfach im Schaltschrank

integrieren.

www.igus.de

www.baumueller.de

be in motion


Cooler

Umrichter

Dank neuer Umrichter-Variante können

Motor und Frequenzumrichter am

gleichen Kühlkreislauf betrieben werden

Anlagen mit hohen installierten Leistungen kommen meist nicht ohne

wassergekühlte Antriebe aus. Je mehr davon verbaut sind, desto aufwändiger

ist die Wärmeabfuhr. Genau für diese Situationen hat Siemens seine kompakten

und effizienten Frequenzumrichter Sinamics S120 weiterentwickelt. Diese

können Anwender nun direkt und ohne großen Aufwand an den gemeinsamen

Kühlkreislauf von Anlage und Motoren anschließen.

Stets den kompletten Antriebsstrang im

Blick, konzentriert sich Siemens seit

vielen Jahren auf die optimale Abstimmung

sämtlicher Komponenten zu einem effizienten

und wirtschaftlichen Gesamtsystem.

Mit Integrated Drive Systems (IDS)

dokumentiert der Konzern die Vorteile, die

Hersteller und Anwender von Maschinen

und Anlagen aus optimierten Antriebslösungen

ziehen. Ein Beispiel sind aktuell

die Frequenzumrichter Sinamics S120 mit

großen Leistungen über 100 bis 1 500 kW im

Niederspannungsbereich von 380 bis 690 V.

Die Geräte gibt es mit dem gleichen technischen

Interieur und der gleichen Leistungscharakteristik

wie bisher – zusätzlich nun

aber mit einem Unterschied: Bei den

flüssigkeitsgekühlten Geräten gibt es eine

neue Variante.

Damit verbundene Vorteile sind eine

kompaktere Bauweise, eine wirtschaftlichere

Antriebslösung, ein geringerer Installationsaufwand

sowie ein einfacherer

Martin Sacherl ist Produktmanager Process

Industries and Drives bei der Siemens AG

in Nürnberg

Service. Das Besondere an den neuen Chassis-Geräten,

die parallel zu den bisherigen

Umrichtern seit Ende 2017 angeboten werden,

ist die Wasserkühlung für gemeinsame

Kühlkreisläufe. Bisher musste die Flüssigkeitskühlung

in einem separaten Kreislauf

geführt werden, während das Fluid mit Inhibitoren

wie Frostschutzmittel versehen

sein musste. Bei den neuen Frequenzumrichtern

Sinamics S120 genügt nun allerdings

normales Leitungswasser mit einer in

der Industrie üblichen Wasserqualität. Das

bedeutet: Die neuen Geräte lassen sich

leicht in den Kühlwasser-Volumenstrom

von Anlage und Motoren integrieren.

Geringe Anforderungen an

die Wasserqualität

War bisher der interne Kühlkreislauf des

Umrichters über einen zusätzlichen Wärmetauscher

entkoppelt, können die neuen Geräte

nun direkt mit der Leitung eines vorhandenen

Kühlkreislaufs verbunden werden.

Gerade beim Einsatz mehrerer Antriebe in

Reihe summieren sich die Vorteile der

neuen Lösung. So kann z. B. eine große Versorgungsleitung

entlang einer Anlage gezogen

werden, während über Stichleitungen

die Kühlmittelversorgung mit dem notwendigen

Volumenstrom erreicht wird. Bei Eintrittstemperaturen

von 0 bis 38 °C ist keine

Derating erforderlich, von 38 bis 43 °C muss

wie bisher ein geringes Derating der übertragenen

Leistung erfolgen.

Derzeit gibt es die Chassis-Ausführung

des Sinamics S120 mit der neuen Kühlvariante,

später sollen auch die Cabinet-Module

mit Wasserkühlung für gemeinsame Kühlkreisläufe

ergänzt werden. Hintergrund ist

die Technik, die nun Wasser als Kühlmedium

möglich macht. Denn bisher hatte das

Kühlmittel direkten Kontakt mit dem Aluminium-Kühlkörper.

Diese Leitungsführung

wurde nun verändert und mit Rohren aus

einer Kupfer-Nickel-Legierung realisiert. Somit

ist die Wasserkühlung komplett robust,

korrosionsbeständig und langzeitstabil. Das

bedeutet auch, dass keine zusätzlichen Vorkehrungen

gegen biozide Veränderungen

getroffen werden müssen; es genügt Wasser

mit keiner allzu anspruchsvollen Qualität

ohne Zusatzstoffe. Das vereinfacht vieles.

Wichtig für Anwender ist in diesem Zusammenhang:

Trotz Verwendung der neuen

Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit der

gesamten Kühlung im Frequenzumrichter

nahezu gleich geblieben, sodass die Leis-

28 antriebstechnik 3/2018


UMRICHTERTECHNIK

Line Module

Motor Module

Luft/

Wasserkühler

oder

Wasser/

Wasserkühler

Luft/Wasser-

Wärmetauscher

Motor

Steuereinheit

Temp

TCI

Druck

PT

3-Wege-

Ventil

TIAH

Raumluft

Filter

Überdruckventil

max.

Systemdruck

600 kPa

Pumpen

Ausgleichsgefäß

Druck

Option

PT

G_D213_DE_00113

01 Durch Verwendung neuer Materialien können Motor

und Frequenzumrichter am gleichen Kühlkreislauf

betrieben werden

02 Aufgrund eines gemeinsamen Wasser-Kühlkreislauf beim kompletten Antrieb

ergeben sich Vorteile in Bezug auf Engineering, Platzbedarf, Kosten und Service

tungsmerkmale der Geräte fast identisch wie

bisher sind. Der Mehrwert, der sich für Anwender

daraus ergibt, ist groß: So lässt sich

der üblicherweise benötigte Wärmetauscher

einsparen, der i. d. R. direkt am Umrichter

platziert wird. In der Praxis heißt das: Statt

einem Schrank von etwa 1 m Breite genügt

nun ein Schrank mit etwa 0,4 m, in dem sich

ein Filter zur Wasseraufbereitung befindet.

Siemens empfiehlt einen rückspülbaren

Feinfilter mit 100 µm Filterrate. Über eine

Zeitsteuerung oder bei Erreichen der maximalen

Verschmutzung wird die Rückspüleinheit

aktiviert und der Filter wird regeneriert.

Zusätzlich empfiehlt Siemens die Installation

eines 3-Wege-Ventilsystems, um das Risiko

einer Betauung bei hoher Umgebungstemperatur

zu vermeiden. Auch aus wirtschaftlicher

Sicht ist damit nur etwa die Hälfte der

sonst notwendigen Investition für das bisher

genutzte, geschlossene Kühlsystem nötig.

Bessere Gesamtlösung durch

konstruktive Vereinfachungen

Und noch ein Detail macht den Unterschied:

Während beim dezentral am Frequenzumrichter

installierten Flüssigkeitskühlsystem

bisher ein kompletter Luftabschluss

gegeben war, ist nun bei der zentral

organisierten Kühlwasser-Gerätekühlung

ein Sauerstoffeintrag zulässig. Die Konsequenz

daraus ist, dass der Ausgleichsbehälter

mit Wasser oben offen sein kann und

somit konstruktiv eine deutliche Vereinfachung

zur bisherigen Lösung darstellt.

Konstruktiv einfach ist auch die Leitungsführung

zu den einzelnen Frequenzumrichtern,

die direkt – also ohne Entkopplung

– angeschlossen werden. Bei mehreren

Geräten in einem Kühlkreislauf stellt sich

der notwendige Volumenstrom automatisch

ein. Je nach Chassis-Gerätegröße sind

das zwischen 9 und 27 l/min. Durch die

03 Statt eines

ca. 1 m breiten

Schranks (rechts

im Bild) muss

gegebenenfalls

nur noch ein

schmaler Schrank

für den empfohlenen

Rückspülfilter

vorgesehen

werden

Wasserkühlung erreichen die Geräte eine

Leistungsdichte, wie sie im Markt ihresgleichen

sucht.

Ab 250 kW gibt es sie nun mit der neuen

Kühlungsvariante für den Einsatz in der Industrie

gebräuchlichem Wasser. Unterhalb

dieser Leistungsgrenze besitzen die Geräte

schon immer statt der Kühlleitung aus Kupfer-Nickel-Legierung

Leitungsführungen

aus Edelstahl. Beide sind für den Einsatz

mit direkter Wärmeabfuhr in den gemeinsamen

Kühlkreislauf geeignet. Passend dazu

gibt es nun Active Infeeds zur Einspeisung

bzw. Motor Modules, die statt

Aluminium ebenfalls den Kupfer-Nickel-

Werkstoff verwenden, und so für die Wasserkühlung

im gemeinsamen Kreislauf

geeignet sind. Das zeigt: Gemäß dem IDS-

Grundsatz hat Siemens auch hier großen

Wert auf Systemdurchgängigkeit gelegt und

alle notwendigen Komponenten für die

direkte Wärmeabfuhr im gemeinsamen

Kühlkreislauf ertüchtigt.

IDS-Strategie: Wasserkühlung

für komplette Antriebslösungen

Mit der Entwicklung der neuen Frequenzumrichter

Sinamics S120 in Chassis-Bauform

für große Leistungen (315–5 700 kW)

hat Siemens einen weiteren wichtigen

Schritt in Richtung Systemverfügbarkeit,

Effizienzerhöhung und Wirtschaftlichkeit

getan. In Verbindung mit den wassergekühlten

Motoren Simotics FD sind Anwender

nun in der Lage, kompakte, energieeffiziente

und leistungsfähige Antriebslösungen

zu entwickeln, die auf Standardkomponenten

basieren. Insofern ist ein gemeinsamer

Kühlkreislauf für Anlage, Motor und

Umrichter möglich, was sich auch in Bezug

auf Engineering und Wirtschaftlichkeit

positiv auswirkt.

Durch Verwendung eines gemeinsamen

Kühlsystems, das vollständig auf Inhibitoren

verzichtet, erweist sich eine solche

Lösung als service- und umweltfreundlich.

Hinzu kommt, dass Ausgleichsbehälter

offen ausgeführt sein können,

sodass auch hier nur wenig Detailarbeit

bezüglich Engineering und Installation

erforderlich ist. Mit den Frequenzumrichtern

Sinamics S120 für die Wasserkühlung

in einem gemeinsamen Kreislauf

belegt Siemens erneut seine Strategie

der Durchgängigkeit.

www.siemens.com

antriebstechnik 3/2018 29


UMRICHTERTECHNIK

Für den richtigen Dreh

Softstarter oder Frequenzumrichter? – Was ist wann die beste Wahl?

Der effiziente Betrieb von Elektromotoren wird zunehmend wichtiger, denn neben einem

problemlosen Ablauf spielen auch Umweltvorschriften sowie Energiekosten eine

bedeutende Rolle. Um alle Aspekte richtig einschätzen zu können, stehen Anwender

häufig vor der Herausforderung, sich für die beste Technologie zur Drehzahlregelung eines

Motors zu entscheiden. Zur Wahl stehen sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter –

doch für welche Anwendung eignet sich was?

Die Entscheidung zwischen Frequenzumrichtern

und Softstartern ist oftmals

nicht einfach und die Anwender müssen

eine Reihe von Faktoren beachten, damit

eine effektive Steuerung der eingesetzten

Motoren sichergestellt werden kann. Zu

den Faktoren, die es zu beachten gilt, zählen

neben der Art der Anwendung auch

mechanische Anforderungen an das System

sowie die Kosten. Auch sollten die Einhaltung

der Normen, die Zuverlässigkeit

des Antriebssystems sowie die Verbesse­

Johannes Schwenger ist Leiter Produktmanagement

Antriebssysteme Niederspannung und

Mittelspannung Europa bei der WEG Germany

GmbH in Kerpen

rung der Energieeffizienz mit in den Entscheidungsprozess

einbezogen werden.

Die Anwendung entscheidet

Ob sich der Einsatz von Softstartern oder

Frequenzumrichtern lohnt, sollte anwendungsspezifisch

entschieden werden. Geht

es um eine Anwendung mit hohen Leistungen,

stellt ein Softstarter oftmals die wirtschaftlichere

Lösung dar, falls hierbei keine

durchgängige Steuerung von Beschleunigung,

Drehmoment und Drehzahl benötigt

wird. Weitere Vorteile liegen in der Kompaktheit

der Softstarter, wodurch sie sich

als platzsparend erweisen, sowie deren geringe

Anschaffungskosten. Vor allem diese

Aspekte sind der Grund, warum Softstarter

in vielen Branchen und Einsatz gebieten so

beliebt sind.

Im Gegensatz dazu stellt ein Frequenzumrichter

zwar zunächst die teurere Option

dar, bewirkt jedoch auf lange Sicht

eine deutlich größere Senkung der Energiekosten,

falls der Produktionsprozess variable

Verfahrensparameter voraussetzt. Er

unterstützt Anwender dabei, die EU-Effizienzvorschriften

einzuhalten, und ermöglicht

über die Lebenszeit einer Anlage

enorme Einsparungen bei den Betriebskosten

durch einen wesentlich niedrigeren

Energieverbrauch. Ein weiterer Vorteil, der

für die Wahl eines Frequenzumrichters

spricht, ist die Möglichkeit der Drehzahlregelung

mit einer gleichmäßigen Beschleunigung

im gesamten Betriebsbereich

des Motors. Der Motor kann dadurch

ein hohes Drehmoment nicht nur während

des Hochlaufs, sondern auch bei allen

Drehzahlen liefern.

30 antriebstechnik 3/2018


UMRICHTERTECHNIK

Variable Drehzahlregelung vs.

kontrollierte Beschleunigung

Ob sich der Einsatz

von Softstartern oder

Frequenzumrichtern lohnt,

sollte anwendungs spezifisch

entschieden werden.

Johannes Schwenger

proportional über den Umrichter und frequenzunabhängig

mithilfe eines Softstarters.

Diese Spannungsreduktion im Vergleich

zum DOL Start sorgt für einen sanften, drehmomentkontrollierten

Motoranlauf. Der

Unterschied zwischen den beiden Technologien

liegt in der Art der Motoransteuerung.

Einsatz Softstarter

Softstarter eignen sich besonders für Anwendungen,

bei denen eine kontrollierte,

drehmomentgegrenzte

Motorbeschleunigung

bis auf die Nenndrehzahl

notwendig ist. Durch den

Einsatz von Leistungshalbleitern

wie Thyristoren,

die für eine

Ab senkung der Spannung

während des

Hochlaufprozesses an

den Motorklemmen sorgen,

begrenzen Softstarter

durch abgesenkte Motorspannung den

Einschaltstrom und damit auch das Einschaltmoment.

Hierdurch reduzieren sie

die Momentbelastungen des mechanischen

Antriebsstrangs im Vergleich zum direkten

Einschalten und unkontrollierten Hochlaufen

des Motors. Durch eine stetige Steigerung

der Spannung an den Motorklemmen

ermöglicht ein Softstarter eine kontrollierte

Beschleunigung bis auf die Nenndrehzahl.

Zu den Anwendungen zählen daher z. B.

Förderbänder, Riemenantriebe und Roll­

Das Hochlaufen eines Drehmotors auf

seine Betriebsdrehzahl bei voller Netzspannung

hat einen hohen Einschaltstrom

zur Folge. Da sich das Drehmoment

von Drehstromasynchronmotoren grundsätzlich

analog der Motoranlaufkurve

einstellt, können während des Anlaufes

Dreh momentüberhöhungen auftreten, die

Komponenten im mechanischen Antriebsstrang

lebensdauerverkürzend beeinflussen

und schlussendlich zu vorzeitigen

Schäden führen.

Sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter

können das verhindern und zum

Schutz hochwertiger Anlagen sowie zur

Verlängerung der Lebensdauer von Elektromotoren

und mechanischen Komponenten

wie Kupplungen und Lager der Arbeitsmaschine

eingesetzt werden. Möglich

macht dies in beiden Fällen das Absenken

der Motorklemmenspannung, frequenztreppen.

Diese erfordern eine stetige stufenlose

Drehzahlsteuerung und eine Drehmomentbegrenzung

beim Anfahren und

Anhalten. Gerade beim Starten großer

Motoren müssen die hohen Einschaltströme

begrenzt werden, um Rückwirkungen

mit dem Stromnetz zu vermeiden. Der

Softstarter verhilft den Motoren in diesen

Anwendungen zu einem kontrollierten

Start und vermeidet Drehmomentspitzen

sowie weitere mechanische Belastungen,

die bei einem normalen Hochfahren der

Geräte oftmals auftreten. Zudem eignen

sich Softstarter auch als Begrenzer bei

Druckwellen oder Wasserhämmern, die zu

starken Erschütterungen in Rohrleitungen

oder Anlagen führen können. Schlag artige

Änderungen der Durchflussgeschwindigkeit

werden vermieden.

Einsatz Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter kommt hingegen

dann zum Einsatz, wenn eine permanente

Drehzahlregelung benötigt wird. Zu dieser

Art von Anwendung zählen bspw. Lüfter,

Pumpen oder Kompressoren, für die eine

Reihe von allgemeinen Drehzahlaffinitätsgesetzen

gilt. Im Gegensatz zum Softstarter

wandelt der Frequenzumrichter die stationäre

Netzfrequenz und Netzspannung in

eine variable frequenzproportionale Ausgangsspannung

um, wodurch er sowohl

beim Beschleunigen und Verzögern als

auch bei Betriebszuständen mit konstanter

oder variabler Drehzahl zuverlässig arbeitet.

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antriebstechnik 3/2018 31


UMRICHTERTECHNIK

01 Ein Frequenzumrichter regelt Drehzahl von Drehstromasynchronmotoren und

schützt diese gleichzeitig

02 Die leistungsstarken Softstarter SSW900 ermöglichen einen sanften An- und

Auslauf von Drehstrom-Asynchronmotoren und bieten umfassenden Motorschutz

Außerdem spielen Frequenzumrichter eine

wichtige Rolle bei der Regelung von Prozessgeschwindigkeiten

von industriellen

Anlagen und Fertigungseinrichtungen wie

Mixern, Mahlwerken oder Brechern. Sie

haben zudem einen weiteren Vorteil: Bedienungsfreundlichkeit

und Flexibilität.

Durch eine Reihe von Funktionen und Optionen

ist eine individuelle Anpassung an

eine Vielzahl von Anwendungen möglich.

Verbesserung der Energieeffizienz

Für viele Planer und Konstrukteure ist es

besonders wichtig, den Energieverbrauch

und damit die Betriebskosten von Antriebssystemen

deutlich zu reduzieren. Zu

diesem Zweck eignen sich die Frequenzumrichter.

Deren entscheidender Vorteil ist

die Erhöhung der Energieeffi zienz durch

Drehzahlregelung der Asynchronmotoren.

Mithilfe von Frequenzumrichtern, wie der

CFW-Baureihe von WEG, kann die Energieeffizienz

von Elektromotoren deutlich

verbessert werden, weil der Spitzenenergiebezug

und damit auch die Leistung reduziert

wird. Der Energieverbrauch kann

zwischen 40 und 60 % gesenkt werden, da

eine Prozessgrößenanpassung wie Druck

oder Volumenstrom mit dem Steigern und

Absenken der Drehzahl realisiert wird und

somit mechanische, verlustbehaftete Stellglieder

entfallen. Darüber hinaus eignen

sich Frequenzumrichter auch für Anwendungen

wie Aufzüge oder Dreh tische, wo

die Drehzahl variabel einstellbar ist und

eine gleichmäßige Bewegung erzeugt werden

muss.

Durch den sanften Anlauf und die integrierten

Schutzfunktionen stellen die Softstarter,

wie der SSW900 von WEG, ebenfalls

einen energieeffizienten Betrieb von Elektromotoren

sicher. Das High-End-Gerät mit

integrierter SPS bietet vollständig programmierbare

Verfahren zur Regelung von Asynchronmotoren

und eine komplett flexible

Drehmoment-Steuerung. Der Softstarter erlaubt

sowohl einen Direktanschluss von

Motoren in Stern- oder Dreieckschaltung

als auch eine Strangeinschaltung (Wurzeldreischaltung

mit sechs angeschlossenen

Leitern). Dies macht es möglich, die drei

Motorstränge unmittelbar in die drei Thyristorpaare

zu schalten. Das führt dazu,

dass der Softstarter nur noch 58 % des

Motornennstromes (entspricht dem Strangstrom)

führen muss und sich für die gleiche

Leistung kleinere Geräte einsetzen lassen.

Aufgrund des integrierten Bypass-Schützes

sorgt der SSW900 für eine verlängerte Lebens-

dauer, optimierte Raumnutzung und eine

Verlustleistungsabgabe im Schaltschrank,

die gegen Null geht.

Industrielles Gleichstromnetz

Neben der Frage, ob sich eher ein Frequenzumrichter

oder ein Softstarter zur Regelung

eines Elektromotors in einer Anwendung

eignet, kommt es auch auf die Art des

Stromnetzes an. Viele Unternehmen gestalten

aktiv alternative Netzstrukturen aus wie

dezentrale Gleichstromnetze DC, die z. B. aus

Photovoltaik-Anlagen gespeist werden. Direkt

aus diesen DC-Netzen könnte Antriebsleistungselektronik,

z. B. Frequenzumrichter

versorgt werden, damit die Energieeffi zienz

von elektrischen Antriebssystemen noch

weiter optimiert und schlussendlich noch

mehr Energie eingespart werden. Auch bei

WEG ist die Gleichspannung ein Thema. So

sind z. B. die CWF11-Frequenzumrichter in

DC-Bauform verfügbar. Und das hat Vorteile:

Bei Wechselspannung haben Frequenzumrichter

generell einen Wandlungsverlust

von 2,2 bis 3,0 %. Sind sie hingegen

an ein Gleichstromnetz geschaltet, liegen

die Verluste nur bei 1,1 bis 1,5 %.

www.weg.net

32 antriebstechnik 3/2018


UMRICHTERTECHNIK

Robuster Umrichter mit variabler Frequenz

Die Frequenzumrichter S2U von Bonfiglioli sind nun auch in Schutzklasse IP66 und mit höherer Leistung

erhältlich. Die kompakten Plug-&-Play-Umrichter für einphasige 230-V-Netze und dreiphasige 400-V-Netze

gibt es in drei Baugrößen mit Motorleistungen von 0,4 bis 18,5 kW. Der Kühlkörper des Umrichters wurde

für extreme Umweltbedingungen wie Staub, Feuchtigkeit und Reinigungschemikalien entworfen. Ein

besonderes Feature ist der 32-Bit-Prozessor mit IGBT-Leistungsschaltung. Eingebaute PID-Regler und

SPS-Funktionen regeln Frequenz, Druck und Luftvolumen, z. B. bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanwendungen.

Der EMV-Filter sorgt für geringe elektromagnetische Interferenz. Weitere Merkmale der

IP66-Variante sind eine Schlupf- und Drehmoment-Kompensation, Not-Aus-Funktion, eine Trägerfrequenz

von 1 bis 16 kHz, die sich automatisch entsprechend der Temperaturfunktion ändert, ein integrierter

Bremschopper und ein Firemode für Ventilatoranwendungen.

www.bonfiglioli.de

Frequenzumrichter bieten mehr Leistung und Transparenz

BMR entwickelt und fertigt Umrichter für schnelllaufende asynchrone (AC) und synchrone (BLDC)

Spindeln. Jetzt hat der Hersteller den Klassiker in der Produktreihe optimiert. Der Umrichter SFU0103

hat eine Leistung von 300 VA, der SFU0203 von 480 VA. Zum schnelleren DSP als Controller kommt

die FOC-Regelung, mit der eine sinusförmige Ansteuerung von AC-Motoren mit hoher PWM realisiert

ist. Mit der implementierten Regelung lassen sich asynchrone und synchrone Spindeln in gleicher

Performance antreiben. Neben PTC können auch lineare Temperatursensoren bei frei programmierbarer

Schaltschwelle ausgewertet werden. Für die Kommunikation

steht neben der RS232 auch ein USB-Interface bereit.

Ebenfalls neu ist die Pro-Variante des Umrichters SFU0203

mit 620 VA Leistung, geregelter Zwischenkreisspannung und

einem 5"-LC-Display.

www.bmr-gmbh.de

Umrichterreihe für optimiertes Handling erweitert

Siemens erweitert die Umrichterreihe Sinamics G120 um die Baugröße FSG in Spannungsbereichen

von 380 bis 480 V sowie 500 bis 690 V. Mit der Leistungserweiterung ist das Power Modul PM240-2

nun durchgängig bis 250 kW verfügbar. Die kompakte Baugröße und Optionen wie die integrierte

DC-Zwischenkreisdrossel oder der integrierte Filter zum Erreichen der Kategorie C2 sparen Platz und

Kosten. Zudem können mit der Baugröße Leitungslängen bis 450 m ohne weitere Optionen erreicht

werden. Das Power Modul kann mit der Control Unit und den dazugehörigen Komponenten individuell

konfiguriert werden. Die Push-Through-Kühlkörpervarianten, bei denen der Großteil der Verlustwärme

außerhalb des Schaltschranks abgeführt wird, gibt es nun auch bis 132 kW. Das flache IOP-2

Intelligent Operator Panel der Sinamics G-Reihe beinhaltet einen Assistenten zur einfachen

Konfiguration der Ethernet-basierenden Feldbus-Schnittstelle.

www.siemens.com

Punktlandung

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Qualität

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Frequenzen auf engstem Raum regeln

Ein Frequenzumrichter in der kleinsten IEC-kompatiblen

Form ist der Power XL DB1 von Eaton. Er ist eine Lösung für

OEMs, die ihn z. B. in ein bestehendes System integrieren

wollen, in dem keine Luftzirkulation stattfindet und kein Platz

für zusätzliche Kühlkörper oder Lüftungen vorhanden ist. Das

Gerät ist so klein durch den Wegfall von Display, Keypad und

Kühlkörper. Als Cold Plate Unit nutzt es das bestehende

Metallgehäuse der Maschine, um Wärme abzuleiten. Dabei

wird der Umrichter samt Wärmeleitpaste direkt an die metallische Raumwand verschraubt, deren

Wärmeleitfähigkeit und große Fläche für die Wärmeabfuhr genutzt werden kann. Der Umrichter ist mit

der Drives-Connect-Parametriersoftware und der Drives-Connect-App kompatibel. In der kleinsten

Bauform 1 eignet er sich für Motorleistungen bis zu 1,5 kW bei 230 oder 400 V Netzspannung.

www.eaton.de

Sondergetriebe

GSC Schwörer GmbH

Antriebstechnik

Oberbränder Straße 70

79871 Eisenbach

www.gsc-schwoerer.de

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KOMPONENTEN UND SOFTWARE

Rettung in Notfällen

Nieder- und hochohmige Sternpunkterdung in

Mittelspannungsnetzen

Erdungswiderstände dienen

zur nieder- und hochohmigen

Erdung des Sternpunktes in

Mittelspannungsnetzen. Der

Erdungswiderstand begrenzt

den Fehlerstrom und die

Wirkkomponente des

Stromes gestattet eine

leichtere Fehlerortung.

Für einen entsprechenden

Schutz bietet die Gino AG

individuelle Lösungen an,

unter anderem bestehend

aus den Widerstandspaketen

mit Widerstandselementen

aus siliziertem Gusseisen mit

oder ohne Oberflächenschutz.

Lesen Sie mehr.

Der Erdungswiderstand begrenzt im Störungsfall

(Kurzschluss zur Erde) den

auftretenden Fehlerstrom für eine kurze

Zeitdauer, bis eine automatische Abschaltung

der Anlage vor Ort stattfindet. Auch

steigt die Spannung im Fehlerfall in den

nicht betroffenen Leitern nur gering an.

Damit wird das Risiko von Personenschäden

und Schäden an der Anlage vermieden

oder weitgehend reduziert.

In Netzen mit Summenstromauslösung

darf der Erdfehlerstrom somit relativ klein

gewählt werden, i. d. R. auf einen kleineren

Wert als der Nennstrom. Für Netze mit

Überstromauslösung muss der Erdschlussstrom

etwas größer als der Nennstrom

gewählt werden, damit er einerseits ganz

klar als Überstrom erkannt wird, andererseits

jedoch unmittelbar am Generator

oder Transformator problemlos beherrschbar

bleibt.

Dipl.-Ing. Stefan Riebartsch ist Vertriebs- und

Projektmanager bei der Gino AG in Bonn

Die überwiegende Zahl der Erdschlüsse

findet durch Überschläge an Freiluftisolatoren

statt, deren Lichtbögen durch die

Abschaltung gelöscht werden. Dabei ist

die Möglichkeit einer kurzfristigen Wiederzuschaltung

erwünscht, um die Betriebsunterbrechung

auf ein Minimum zu verkürzen.

Ein Dauererdschluss führt aber zu

einer erneuten Belastung des Erdungswiderstands

und der anschließenden erneuten

Abschaltung.

Erdungswiderstände werden üblicherweise

für den Kurzzeitbetrieb „KB“ im Bereich

von 3 bis 30 s ausgelegt, wobei der

Schwerpunkt im Bereich von etwa 10 s liegt.

Die anschließende Abkühlung des Erdungswiderstands

geschieht durch natürliche

Konvektion in der Luft.

Auslegungskriterien sind:

n Systemspannung (Phase-Phase) 7,2 bis

52 kV

n Betriebsspannung (Phase-Erde)

n Gewünschter Widerstandswert

n Strom, auf den im Fehlerfall begrenzt

werden soll

n Zeitdauer des Störungsfalls bis zur sicheren

Abschaltung vor Ort

n Schutzart für die Gehäuseausführung

sowie besondere Umgebungsbedingungen

oder gewünschtes Zubehör wie Lasttrennschalter

oder elektrische Strom-

Spannungswandler zur Überwachung

Da die Anforderungen und Spezifikationen

gemäß der zukünftigen Betreiber unterschiedlich

ausfallen, bietet die Gino AG

individuelle Lösungen an. So können die

Gusswiderstände mit extremer Energiespeicherfähigkeit

bevorzugt bei hohen

Stromkurzzeitbelastungen zum Einsatz

kommen, während verschiedene Stahlgittersysteme

mit unterschiedlicher Elementdicke

und Oberfläche optimiert für

längere Belastungszyklen ausgewählt werden.

Alternativ können auch diverse drahtgewickelte

Widerstandsausführungen bei

höheren geforderten Ohmwerten zum Einsatz

kommen.

Die jeweilige Widerstandslösung wird

für die geforderte Isolationsspannung mit

entsprechenden Hochspannungs-Isolatoren

zum Beispiel in einer Rahmenkonstruktion

oder einem Widerstandseinschub

montiert und bei Schutzartanforderungen

> IP00 in einem passenden

Gehäuse untergebracht. Optionale, zusätzliche

Komponenten wie manuelle oder

motorbetriebene Lasttrennschalter werden

dabei in einem abgetrennten Gehäusebereich

untergebracht. Die Gehäuse können

auch mit Durchgangsisolatoren zum

Anschluss im Innen- oder Außenbereich

ausgestattet sein.

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34 antriebstechnik 3/2018


präsentiert Ihre

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PREDICTIVE MAINTENANCE I TITEL

Verfügbarkeit erhöhen

Maintenance-4.0-Lösung für die Lagerlogistik – ein Selbsttest bei Schaeffler

Gemeinsam mit SSI Schäfer realisiert Schaeffler das Lösungspaket „Maintenance 4.0

for Intralogistics“. Zur praktischen Anwendung kommt es in dem modernsten

Logistikzentrum von Schaeffler in Europa. Ziel ist es, ungeplante Stillstände zu

vermeiden und Instandhaltungskosten signifikant zu senken.

Z

ur Motivation für dieses Großprojekt erklärt

Egon Grief, Schaeffler-Instandhaltungsleiter

des Logistikzentrums: „Bei der

Konzeption unseres Europäischen Distributions-Zentrums

(EDZ) in Kitzingen war

es unser Ziel, einen Umbruch zu schaffen,

weg von einer präventiven Wartung mit

statischen Wartungsintervallen hin zu einer

zustandsbasierten Instandhaltung und einer

teilautomatisierten Wartung.“ Aus diesen

Überlegungen heraus entwickelte man gemeinsam

mit dem führenden Lösungsanbieter

für den innerbetrieblichen Materialfluss,

SSI Schäfer, das Lösungspaket

„Maintenance 4.0 for Intralogistics“. Die erarbeiteten

Lösungen sollen jedoch nicht

allein Schaeffler zu Gute kommen, sondern

werden Herstellern und Betreibern von

Logistikzentren zur Optimierung ihrer

Instandhaltungsprozesse angeboten. Grief

erklärt dazu: „Für unser Unternehmen mit

der Expertise in den Bereichen Schwin­

Dipl.-Ing. (FH) Jochen Krismeyer ist Fachjournalist

für Antriebs- und Automatisierungstechnik

gungsanalyse von Aggregaten, Wälzlagern,

Gleitlagern und Schmierung sehen wir in

der Intralogistik ein sehr interessantes Betätigungsfeld.“

Auf das jeweilige Logistiksystem

zugeschnitten kommen folgende

Produkte und Lösungen zum Einsatz:

n Condition-Monitoring-Systeme (CMS) für

die Zustandsüberwachung betriebsrelevanter

Antriebssysteme, insbesondere an

den Förder-, Fahr- und Hubantrieben,

n Digitale Services, wie z. B. die Berechnung

der Restlaufzeiten von Wälzlagern und

die automatisierte Wälzlagerdiagnose

sowie

n Systeme für den Ersatz manueller Wartungstätigkeiten,

wie z. B. eine automatische

Nachschmierung von Kettentrieben.

Zustandsüberwachung für

Antriebe

Als Condition-Monitoring-System dienen

Schaeffler Smart-Check-Geräte, die vor

allem an den stark belasteten Antrieben in

Lagersystemen, wie z. B. Regalbediengeräten,

Hebestationen oder Spiralförderern,

appliziert werden. Im Fall des EDZ Kitzingen

sind insgesamt 58 Smart Check an

sieben Paletten-Regalbediengeräten, zwölf

Schäfer Miniload Cranes, drei Vertikalförderern

und an einen Spiralförderer montiert.

Auf Basis der Schwingungsanalyse

und der Temperaturverläufe detektiert

jeder Smart Check mit einer internen Analysesoftware

frühzeitig Lagerschäden, Verschleiß,

Unwuchten, Ausrichtfehler und

nicht zuordenbare Auffälligkeiten. Auf diese

Weise braucht kein Fachpersonal für die

Analyse von Schwingungsdaten dauerhaft

vorgehalten werden. Für die Visualisierung

der Alarmstatus hat SSI Schäfer einen lokalen

Leitstand im EDZ Kitzingen eingerichtet.

Alle Alarmstatus sowohl von den Smart-

Check-Geräten als auch von anderen Systemen

des Lagers werden im Logistikcockpit

Wamas Lighthouse von SSI Schäfer visualisiert.

Diese zentrale Informationsplattform

ermöglicht den Überblick über die komplette

Anlage, den Materialfluss, stellt Leistungskennzahlen

dar und bietet umfangreiche

Kontrollmöglichkeiten. Über Webservices

greift Wamas Lighthouse auf alle

Smart-Check-Geräte zu. Im Falle einer

Alarmschwellenüberschreitung wird diese

als Ampelsignal (gelb, rot) gemeldet. Für

eine erste Analyse kann der Instandhal­


TITEL I PREDICTIVE MAINTENANCE

tungsmitarbeiter vom Leitstand aus direkt

auf den betreffenden Smart Check zugreifen,

die Fehlermeldung einsehen oder auch

einen Datendownload für eine weiterführende

Analyse starten.

Die große Vorlaufzeit zwischen dem

beginnenden Defekt und dem drohenden

Ausfall verschafft dem Instandhaltungsteam

den notwendigen Zeitraum, um den

Antrieb vor Ort zu untersuchen. Die Instandhalter

haben genügend Zeit zu entscheiden,

wie lange das Gewerk noch

betrieben werden kann und ob der Fehler

im Rahmen eines geplanten Einsatzes, z. B.

in einer Nachtschicht oder am Wochenende,

behoben werden kann. So werden

der Einsatz zusätzlicher Servicetechniker

vermieden und die Verfügbarkeit der Anlage

gesteigert.

Digitale Services für die

Lagerlogistik

01 Das Condition-Monitoring-System

Smart Check überwacht mittels integrierter

Schwingungsdiagnose permanent den

Zustand des Regalbediengerätes

zeitberechnung von Lagern in Antrieben

und Condition Analyzer zur Zustandsanalyse

und prädiktiven Instandhaltung verfügbar

gemacht. Erstmals stehen damit in der

Lagerlogistik überhaupt Analyse-Tools für

02 Die automatische Nachschmiereinheit

Concept 8 kann mehrere Schmierstellen mit

individuellen Schmierstoffmengen pro Zeit

versorgen

Als nächste Ausbaustufe besteht die Möglichkeit,

die Condition-Monitoring-Systeme

auf Basis des Smart Check über die Schaeffler-

Cloud an die Lagerlogistik-Software anzubinden.

Auf diese Weise werden die digitalen

Services Lifetime Analyzer zur Restlaufeine

längerfristige Vorausplanung von großen

Reparaturen zur Verfügung. Das Instandhaltungsteam

bzw. der Lagerbetreiber

kann die Reparatur in eine geplante Maßnahme

umwandeln, kann einen bereits

„Erfolgreiche Partnerschaft mit Schaeffler“

Eine vorausschauende Instandhaltung in der Intralogistik setzt

die zielgerichtete elektronische Zustandserfassung der

Gewerke voraus. Nach Modellerstellung und Datenanalyse soll,

unter Berücksichtigung bestimmter Bedingungen, vorhergesagt

werden können wann ein Ausfall eintritt. Für diese

Vorhersagen ist es notwendig, Signale und Daten aus der

Steuerung, sowie Schwingungssignale aus externen Sensoren

miteinander zu verknüpfen, um daraus Muster zu erkennen,

die auf einen bevorstehenden Ausfall oder eine Überlastung

hinweisen. Vom „Daten-Tracking“ versprechen wir uns die

Chance, bereits vor dem Ausfall Muster zu erkennen, auch bei

einem auf den ersten Blick einfachen Bauteil, wie bspw. einem

Drehgeber, der scheinbar spontan ausfällt, dadurch allerdings

ein ganzes Gewerk stilllegen kann. Das betroffene Gewerk

könnte bei einer Auffälligkeit z. B. auf Basis eines Fail-Safe­

Konzeptes in den Notbetrieb mit verringerter Geschwindigkeit

überführt werden, bis Ersatzteile und ein Techniker vor

Ort den Austausch bei einem Schichtwechsel vornehmen

können. Zusätzliche Ressourcen, teure Adhoc-Einsätze von

Service technikern und ungeplante Stillstände können so

vermieden werden.

Das Beispiel des Sensorausfalls verdeutlicht, dass es bei der

Entwicklung einer Predictive-Maintenance-Lösung für das

gesamte Lager notwendig ist, sehr viele einzelne Fehlerfälle aus

der Praxis mit historischen Daten nachzubilden, was je nach

Komplexität und Umfang den Entwicklungsaufwand bestimmt.

Die Zusammenarbeit mit Schaeffler auf dem Gebiet der

Schwingungsdiagnose ermöglicht

uns schon heute die frühzeitige

Erkennung verschiedenster

Schäden an Elektromotoren,

Aggregaten, Getrieben und

Wälzlagern. Die integrierten

Analysen des Smart Check, die

den Defekt eines bestimmten

Bauteils detektieren, versetzen

uns in die Lage, leistungsfähige

Funktionen aus der Schwingungsanalyse

schnell in unser

Konzept zu integrieren. Die

Smart-Check-Daten über eine

Schnittstelle abfragen zu können

Stefan Godina, Head of

Realization CSS und Spezialist

für Maintenance 4.0 bei

SSI Schäfer

oder direkt über einen Webbrowser einzusehen, ermöglicht es

die Geräte sehr vielfältig einzusetzen. Unser Ziel als Spezialist

für Intralogistik ist es nicht, alle notwendigen Technologien

selbst zu entwickeln oder gar antriebstechnische Komponenten

fit für Predictive Maintenance zu machen. Hierfür werden wir

am Markt passende Lösungen auswählen und in unsere Hardund

Software-Architekturen integrieren. Unser Domain-Knowhow

und unseren Beitrag zu Predictive-Maintenance-Lösungen

sehen wir in der Modellerstellung, Analyse und Bewertung von

Ausfallszenarien der Produktpalette von SSI Schäfer und den

darauf aufbauenden effizienten wie auch intelligenten

Instandhaltungskonzepten mit minimalen Ausfallszeiten.

antriebstechnik 3/2018 37


PREDICTIVE MAINTENANCE I TITEL

03 Die Schmierscheiben aus Polyurethan (rechts) können mehr Schmieröl aufnehmen als

üblicherweise verwendete Materialien (links)

04 Die Schmierritzel aus einem offenporigen Polyurethan sind für

Kettentriebe, Zahnstangen, Zahnräder und Führungen erhältlich

geplanten Stillstand nutzen und entscheiden,

ob hierfür die Auslastung des betroffenen

Gewerkes reduziert werden sollte.

Automatisierung manueller

Wartungstätigkeiten

In der Lagerlogistik sind für den Transport

von schweren Paletten kettengetriebene

Rollenförderer weit verbreitet. Allein im

EDZ Kitzingen sind auf einer Grund fläche

von 22 000 m 2 etwa 2,3 km Förderstrecke

und 2 500 Kettentriebe verbaut. Die Ketten

bedürfen einer regelmäßigen Nachschmierung

– abhängig von der jeweiligen Belastung

und Einsatzdauer in Intervallen von

drei bis sechs Monaten. Die Nachschmierung

erfolgt in der Lagerlogistik heute

05 Im Umlenkkasten der

Kettenförderer befinden sich

die Schmierritzel, die mit einer

belastungsgerechten Schmierölmenge

versorgt werden

noch manuell. „Es war keine Analyse notwendig,

um die Kettentriebe als die Komponente

zu identifizieren, die grundsätzlich

verbessert werden musste, wenn man eine

schlanke Instandhaltung auf bauen möchte.

Der personelle Aufwand für die regelmäßige

Inspektion, eventuelle Säuberung

und manuelle Nachschmierung der 2 500

Schmierstellen würde in Kitzingen einen

erheblichen Aufwand bedeuten“, erklärt

Grief dazu und ergänzt: „Das wollten wir

besser machen. Unsere Lösung besteht aus

speziell entwickelten Schmierritzeln, die

von zentral gesteuerten Nachschmiereinheiten

Schaeffler Concept 8 kontinuierlich

und punktgenau

mit Schmieröl versorgt

werden“.

Jeder einzelne

Schmierstoffgeber

ist dabei individuell

für die bedarfsgerechte

Schmierung der jeweiligen

Einbausituation einstellbar.

Unter- sowie Überschmierung

und dadurch hervorgerufene

Ausfallzeiten lassen sich auf

diese Weise ebenso zuverlässig

vermeiden wie die Verschmutzung

der Anlage durch überschüssigen

Schmierstoff. Die eingesetzten

Schmierscheiben aus

Polyurethan können mehr

Schmieröl aufnehmen als üblicherweise

verwendete Materialien und sind verschleißfester

wie auch temperaturstabiler.

Die Pumpen der Nachschmiereinheit werden

über I/O-Module direkt von der SPS

angesteuert. Das bietet die Möglichkeit, die

„Maintenance 4.0 for Intralogistics bedeutet mehr Zustandsüberwachung,

mehr selbstmeldende Systeme, mehr automatisierte

Wartung und dementsprechend weniger Stillstände

und effizientere Einsätze der Instandhaltungsmitarbeiter.“

Egon Grief, Instandhaltungsleiter EDZ-Mitte, Schaeffler

Schmierintervalle und die Schmierstoffmenge

an die tatsächliche Laufzeit der einzelnen

Kettentriebe anzupassen. Egon Grief

über die Vorteile der automatischen Nachschmierung

in der Praxis: „Mit der Automatisierung

der Nachschmierung entfallen die

teuren Wochenend- und Nachteinsätze des

Wartungspersonals. Es entfallen aber auch

Stillstandzeiten, da einige Schmierstellen

in sicherheitskritischen Bereichen liegen

und das betreffende Gewerk, zum Beispiel

Elektro bodenbahnen für den Palettentransport,

sonst stillgesetzt werden müssten.

Durch die häufigere Abschmierung in kleineren

Schmierstoffmengen wird der Verschleiß

der Ketten geringer ausfallen und

deren Gebrauchsdauer erhöht. Der Ölvorrat

in Kartuschen der Concept-8-Einheiten

wird bei den aktuellen Einstellungen zirka

zwei Jahre halten. Geht der Vorrat zu Ende,

melden die Nachschmiereinheiten dies an

die Steuerung. Etwas Vergleichbares gibt es

am Markt bislang nicht.“

Fotos: Schaeffler und Triboserv

www.schaeffler.de

38 antriebstechnik 3/2018


NACHGEFRAGT I PREDICTIVE MAINTENANCE

Wie viel Sensorik braucht eigentlich

die Antriebstechnik?

„Nur so viel wie nötig“

Die Daten aus den Sensoren, Umrichtern und Steuerungen erlauben es heute, eine zuverlässige

Aussage über den Zustand der Motoren und Getriebe zu treffen. Hier ist es wichtig, aus

den Daten Informationen zu generieren. Es ist in der Regel notwendig, zu den bereits installierten

Sensoren und Steuerungen noch weitere Sensoren zu montieren, da selten Schwingungssensoren

an den Antrieben verbaut sind. Nur in der Kombination ist es möglich, nicht nur einen

Trend zu berechnen, sondern gezielt eine Prognose zu erstellen. Die Anzahl der Sensoren sollte

immer so ausgelegt werden, dass man nicht so viel wie möglich, sondern so viel wie nötig

montiert. Das Ziel ist, die Algorithmen so zu entwickeln, dass sie möglichst universell einsetzbar

sind. Das ist ein hohes Ziel, da es für die Prognose, um den Ausfallzeitpunkt im Sinne von

Predictive Maintenance zu ermitteln, viele Einflüsse gibt, die bei jeder Applikation betrachtet

werden müssen. Hier zeigt sich, dass der Big-Data-Ansatz nicht zum Ziel führt. Gezielte kleine

Lösungen helfen, die Problemstellung zu erkennen und sichere Vorhersagen zu treffen. Das bedeutet: Wer heute schon

Condition Monitoring an der Antriebstechnik realisiert hat, ist bereit für den Schritt zu Predictive Maintenance.

Christoph Schneider, Produktmanager, ifm Datalink GmbH

„Ohne Sensorik geht es nicht“

Die moderne Antriebstechnik kommt ohne Sensorik längst nicht mehr aus. Lebensdauerberechnungen,

basierend auf verschiedenen Führungsgrößen wie Drehzahl oder Schwingungen bei Wälzlagern, sind

unerlässlich geworden, um vorausschauend zu warten und somit deren Effizienzgrad zu erhöhen. Berührungs lose

Sensoren nehmen diesen Trend auf und beeinflussen im Gegensatz zu herkömmlicher Sensorik die genannten

Führungsgrößen nicht. Die Ergebnisse werden präziser. Mehr noch, mittlerweile ist man nicht mehr zwingend

auf die Kenntnisse über eine Auswertung der Sensordaten angewiesen. Ergebnisse werden nach der Aufbereitung

im Klartext z. B. mithilfe einer Cloud abrufbar gemacht. Das ist Predictive Maintenance mit Industrie 4.0.

Christian Voß, Leiter Produktmanagement Linear-/Drehwegsensoren, Hans Turck GmbH & Co. KG

„Rückwirkungen ableiten“

In der elektrischen Antriebstechnik benötigt man zur Überwachung vor allem Messdaten aus

dem Bewegungsverhalten des Antriebs. Daneben stellt insbesondere das Lastverhalten und

damit der Stromverlauf im Antrieb ein wertvolles Signal dar. Aus der Kombination lassen sich viele

Rückwirkungen aus der Mechanik ableiten. Diese Signale liegen in modernen Umrichtern bereits

als interne Signale vor und können direkt für Diagnoseaufgaben verwendet werden. Die Herausforderung

besteht darin, sie mit ausreichend hoher Abtastrate strukturiert und mit physikalischen

Bedeutungen hinterlegt aus den Umrichtern auszulesen und insbesondere in Maschinen mit

mehreren Antrieben den zeitlichen Zusammenhang dieser Signale sicherzustellen. Bei Antrieben

mit hochuntersetzenden Getrieben dringen höherfrequente Störungen hingegen nicht bis zum

Antrieb selbst durch, sondern werden durch die Mechanik gefiltert. Weiterhin können auch

Störungen in Querrichtung zu angetriebenen Achsen auftreten oder Temperaturen Auswirkungen

haben. Dann liefern abtriebsseitige Wegsensoren, Beschleunigungssensoren oder Temperatursensoren wertvolle Informationen.

Für eine sinnvolle Auswertung dieser Signale ist die Datenfusion elementare Notwendigkeit. Für Ursache-Wirkung-

Analysen müssen zudem die physikalischen Abhängigkeiten der Signale bekannt sein.

Prof. Dr.-Ing. Martin Ruskowski, Inhaber Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Steuerungen, TU Kaiserslautern

antriebstechnik 3/2018 39


PREDICTIVE MAINTENANCE I SPECIAL

Intelligenz ist lernbar

Neue Wege für Predictive Maintenance und Prozessoptimierung

Baudis IoT

IoT Retrofit für Brownfield und Greenfield

Predictive Maintenance

Service /

Optimierung

Produktionsoptimierung

Smart Data

Daten-

Analayse

LAN, Wi-Fi, GSM

BAUDIS IoT

Box

BAUDIS IoT

Box

Motor Mechanik Steuerung

Sensorik: z.B. Beschleunigung,

Drehzahl

Monitoring: z.B. Vibration

z.B. Getriebe,

Kupplung, Lager

Daten: z.B.

Maschinenauslastung

Datentransfer

Datensammlung

Datenquelle

Big Data

Maschine 1 Maschine 2 Maschine 3

Industrie 4.0 ermöglicht verbesserte Servicekonzepte und optimierte

Fertigungsprozesse. Voraussetzung dabei ist immer die Vernetzung von

Maschinen und Anlagen zur erfolgreichen Erfassung, Kommunikation,

algorithmischen Verknüpfung und intelligenten Auswertung von Daten.

Ein neues Tool von Baumüller erfüllt genau diese Aufgaben und verbessert

so Prozessqualität und -sicherheit.

Norbert Süß ist Leiter Service Retrofit bei der Baumüller

Anlagen-Systemtechnik GmbH & Co. KG in Nürnberg

M

it Baudis IoT bietet der Nürnberger

Spezialist für Antriebe und Automatisierungstechnik

Baumüller ein System zur

vorausschauenden Wartung – doch das Tool

kann noch weit mehr. Es ist die Weiterentwicklung

des bereits vor mehr als 20 Jahren

von Baumüller entwickelten Diagnosesystems.

Bei Baudis IoT handelt es sich um ein

IoT-fähiges Diagnose- und Kommunikationssystem,

welches eine einfache Vernetzung

von Maschinen und Anlagen via Internet

und die intelligente Analyse von Daten

ermöglicht. Das System kann unabhängig

vom Hersteller der Automatisierungskomponenten

und der Sensorik eingesetzt und

daher nachgerüstet werden. Es eignet sich

daher auch für Brown-Field-Lösungen.

40 antriebstechnik 3/2018


SPECIAL I PREDICTIVE MAINTENANCE

Intelligentes Diagnosesystem

Das vernetzte System besteht aus Sensoren,

einer Baudis-IoT-Box und einer einfach

zu bedienenden Software mit Smart-

Data-Algorithmen. Die Erfassung der

Daten erfolgt über dezentrale Sensoren am

Antrieb oder auch an weiteren elektrischen

oder mechanischen Komponenten. Diese

erfassen z. B. den Motorzustand und können

so einen entstehenden Lagerschaden

melden oder erstellen eine Schwingungsmessung,

um einen Verschleiß an mechanischen

Komponenten frühzeitig zu erkennen.

Die Daten werden in der Box

gesammelt und an eine Auswerteinheit

weitergeleitet. Hieraus werden später

Handlungsempfehlungen abgeleitet.

Beim Baumüller Baudis-IoT-System stehen

die zwei Varianten „lokal“ und „remote“

zur Vernetzung von Maschinen und Anlagen

zur Verfügung. Fällt die Entscheidung

zugunsten der lokalen Variante, so werden

die am Antrieb erfassten Daten direkt beim

Betreiber vor Ort ausgewertet. Wird die

remote-Option bevorzugt, wandern die

Daten in eine Cloud-Lösung und werden

entweder zentral beim Kunden oder extern,

bei einem frei wählbaren Servicedienstleister,

archiviert und analysiert. Vorteile der

zweiten Variante: Die Vernetzung von Werken

und Standorten in der Cloud oder über

einen zentralen Server, d. h. an eine Auswerteeinheit,

ermöglicht

Vergleiche. Extern

erfolgt die Auswertung

zu jeder Zeit mit den

aktuellsten verfügbaren

Algorithmen.

Die IoT-Box kann

vom Anwender selbst

installiert werden. Die

Software wird von

Baumüller-Experten

konfiguriert. Hierfür

fallen einmalige Lizenzgebühren an und es

kann auf Wunsch ein Service-Paket angeboten

werden.

Smart-Data-Analyse spart Zeit

und Kosten

01

Die Archivierung und Auswertung der Daten kann bei Baudis IoT lokal oder remote

erfolgen

M M M

Motor mit

BAUDIS IoT Box

VPN-Router

BAUDIS

IoT

Remote Version

M

VPN-Router

Mit Baudis IoT steht Maschinenbetreibern

ein System zur Verfügung, um seine Fertigung

zu überwachen und im Falle eines

sich abzeichnenden Ausfalls schnell bzw.

rechtzeitig agieren bzw. reagieren zu können

und damit durch planbare Instandhaltungsmaßnahmen

die Laufzeiten der Maschinen

und Anlagen weiter zu erhöhen.

Industrie 4.0 bei Baumüller ist die

Umsetzung einer intelligenten

Netzwerkstrukur, die unseren Kunden

Flexibilität, Transparenz und Kostenoptimierung

ermöglicht. Baudis IoT ist

dafür das optimale System.

Nobert Scholz, Geschäftsführung,

Baumüller Anlagen-Systemtechnik

Switch

M

BAUDIS

IoT

Local Version

02 Die Baudis-IoT-Box verarbeitet die

Signale und schickt die Daten an eine

Auswerteeinheit weiter

Dies spart Zeit und Kosten und verbessert

die Maschinenverfügbarkeit sowie die Produktivität.

Doch Baudis IoT kann viel mehr:

Die für die Instandhaltung zugrunde gelegte

Big-Data-Analyse kann auch zur Prozessoptimierung

genutzt werden. Da das

System im Bedarfsfall warnt, können mithilfe

der Überwachung Produktionssteigerungen

und damit einhergehende Belastungsgrenzen

der Produktionsanlagen

optimiert werden, ohne zusätzlichen Verschleiß

zu provozieren. Die Vernetzung von

Werken und Standorten anhand einer zentralen

Auswerteeinheit ermöglicht Vergleiche

und dadurch einen weiteren Nutzen.

Durch die langfristige Sammlung und

Auswertung von Daten kann der Anwender

Optimierungspotenziale noch besser erkennen

und umsetzen. Die Auswertung

erfolgt zu jeder Zeit mit den aktuellsten verfügbaren

Algorithmen. So wird das System

kontinuierlich intelligenter gemacht und

erhöht die Produktivität durch selbstregelnde

Prozesse. Diese dienen der Vermeidung

von Fertigungsfehlern, Optimierung

des Outputs und zur Reduzierung von

ungeplanten Unterbrechungen.

www.baumueller.de

antriebstechnik 3/2018 41


PREDICTIVE MAINTENANCE I NACHGEFRAGT

Predictive Maintenance: Heilsbringer

für die Instandhaltung von

antriebstechnischen Systemen?

„Wir brauchen Predictive Maintenance“

Antriebstechnik ist ein zentraler Bestandteil von Produktions- und

Logistikanlagen: Fällt ein Antrieb aus, steht die Produktion! Die

Wartung antriebstechnischer Systeme ist andererseits ein Kostenfaktor,

den man gerne minimieren möchte. Mit Predictive Maintenance lässt sich

beides vereinen: maximale Anlagenverfügbarkeit bei hoher Wirtschaftlichkeit.

Voraussetzung sind intelligente Frequenzumrichter mit integrierter

PLC, die autarke Entscheidungen treffen können. Die interne PLC wertet die

Motorzustandsdaten mithilfe virtueller Sensorik aus und plant unter

Berücksichtigung realer Prozessdaten den optimalen Servicetermin.

Der autarke Antrieb kommuniziert die aktuellen Zustandsdaten in eine

sichere Cloud, sodass die Überwachung der Antriebseinheiten vom regulären

Arbeitsplatz aus erfolgen kann.

Predictive Maintenance steht für höhere Anlagenverfügbarkeit, reduzierte Kosten und eine

höhere Antriebslebensdauer.

Dr. Omar Sadi, Geschäftsführer, Nord Drivesystems

„Intelligenz bringt Ausfallsicherheit“

Predictive Maintenance leistet einen wesentlichen Beitrag dazu,

Produktionsprozesse noch sicherer, einfacher und vor allem planbarer

zu machen. Denn intelligente Lösungen ermöglichen es, Produkte erst

dann zu tauschen, wenn es tatsächlich notwendig ist. Zusätzlich verhindern

sie, dass es zu ungeplanten und kostenintensiven Stillständen

kommt. Mit vernetzten Smart Plastics erweitert Igus die Möglichkeiten

des Kunden zu vorausschauender Wartung erheblich und erhöht so seine

Anlagenverfügbarkeit. Unsere intelligente Energiekette und Leitung wie

auch die intelligente Linearführung und das intelligente Rundtischlager

überwachen sich permanent selbst, informieren per Webinterface auf

Desktop, Tablet oder Smartphone und warnen rechtzeitig. Damit helfen

sie nicht nur dem einzelnen Instandhalter in seiner täglichen Arbeit, sondern unterstützen auch

insgesamt Unternehmen, durch erhöhte Ausfallsicherheit Kosten zu senken.

Richard Habering, Leiter Geschäftsbereich Smart Plastics, Igus GmbH

42 antriebstechnik 3/2018


NACHGEFRAGT I PREDICTIVE MAINTENANCE

„Eine riesige Chance“

Predictive Maintenance bietet eine riesige Chance für die Instandhaltung von

elektrischen Antrieben. Durch korrekte präventive Instandhaltung lässt sich

die Lebensdauer bereits deutlich verlängern. Aber plötzliche Stressfaktoren wie

Überhitzung können unbemerkt zu Schäden führen, im schlimmsten Fall zu

einem Totalschaden am Motor. Durch eine kontinuierliche Überwachung des

Schwingverhaltens sowie elektrische Messungen von Isolationswerten und

Temperaturen können wir genau feststellen, wann eine Motorwartung fällig

wird. Bei Großmotoren mit Leistungen bis 15 000 kW, betreffen Abnutzungserscheinungen

neben Kohlebürsten, die regelmäßig gewechselt werden müssen,

in erster Linie die Lager und die Motorwicklungen. Der Abrieb an den Bürsten lässt

sich z. B. mit einem LVDT messen. Lager- und Wicklungstemperaturen werden mit

Pt100 überwacht. Durch Langzeitmessungen lassen sich Trends erkennen. Bei untypischen Erhitzungen

wird der nächste günstige Servicetermin für eine Inaugenscheinnahme und gegebenenfalls Reparaturen

genutzt. Dadurch lassen sich Produktionsausfälle vermeiden und Wartungstermine ökonomisch steuern.

Ich gehe davon aus, dass dadurch die Motorlebensdauer noch weiter verlängert werden kann.

Mathis Menzel, Geschäftsführer, Menzel Elektromotoren GmbH

„Wartung rechtzeitig planbar“

Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen schreiben bislang zumeist feste

Wartungsintervalle vor, in denen Servicetechniker Komponenten

unabhängig vom Zustand oder nach optischer Kontrolle austauschen.

Der interne Verschleißgrad lässt sich so nicht erkennen. Es kommt trotz

eingehaltener Wartungsintervalle zu Ausfällen, Komponenten werden

teils unnötig ausgetauscht. Hier bietet Bosch Rexroth eine datenbasierte

Dienstleistung, die Verschleiß auf Komponenten- und Modulebene

erkennt, bevor es zu einem Ausfall kommt. In die Hydrauliksysteme

der mobilen Arbeitsmaschinen weitgehend ohnehin integrierte

Sensoren für Drehzahl, Druck, Temperatur von Pumpe und Motor

erfassen die Betriebszustände. Anhand dieser Betriebs- und Sensordaten

erkennt die Lösung Verschleiß an der Hydraulik und kann die Restlebensdauer bestimmen.

Rechtzeitig vor einem Maschinenausfall warnt eine App dann einen definierten Personenkreis.

Wartungsmaßnahmen sind so rechtzeitig planbar, Ausfälle von mobilen Maschinen im

Feld können vermieden werden.

Bernd Schunk, Vertriebsleitung Business Unit Mobile Hydraulics, Bosch Rexroth AG

Hannover Messe zeigt Nutzen von Predictive Maintenance

Vorausschauende Lösungen für die

zustandsbasierte Wartung werden für

die Nutzer von Maschinen und Anlagen

immer wichtiger, da so Kosten gespart

und Ausfallrisiken minimiert werden

können. Welche neuen Produkte und Lösungen in Sachen

Predictive Maintenance am Markt verfügbar sind, erfahren die

Besucher der Integrated Automation Motion & Drives (IAMD)

vom 23.–27. April 2018 in den Hallen 22 und 23. „Dort zeigen

Unternehmen, welchen Nutzen die Verbindung von Antriebstechnik

und Steuerungstechnik mit cloudbasierten Diensten

und Machine Learning bietet. Besucher erfahren praxisnah,

welche technischen und kommerziellen Vorteile Maschinenbetreiber

und Instandhalter in der Produktion haben, wenn

sie ihre Wartungskonzepte nach den Grundsätzen von Industrie

4.0 gestalten“, sagt Krister Sandvoss, Global Director IAMD

bei der Deutsche Messe AG.

Was Sie am Gemeinschaftstand „Predictive Maintenance“

erwartet, erfahren Sie in unserem Online-Artikel unter

www.antriebstechnik.de/hm18_pm

www.hannovermesse.de

antriebstechnik 3/2018 43


PREDICTIVE MAINTENANCE I SPECIAL

Ausfallzeiten adé

Intelligente Wartung als zentrale Säule der Digitalen Transformation

So unterschiedlich die Aufgaben im Maintenance

Management auch sein mögen, die Ressource, die es zu

nutzen gilt, sind Daten. Daten, die bislang vielfach nur

bedingt genutzt werden. Sie konsequent zu sammeln,

zu integrieren, zu bereinigen und gezielt mit

unterschiedlichen Ansätzen auszuwerten,

ermöglicht es, die verschiedenen Stadien moderner

Wartungskonzepte sukzessive umzusetzen.

Das grundsätzliche Problem ist bekannt: Es wird meist zu viel, zu

früh und zu ungezielt gewartet. Untersuchungen zeigen, dass

bis zu einem Drittel der Wartungskosten verschenktes Geld ist. Das

aber muss nicht mehr sein. Die Digitalisierung kann hier auch zu

einem – im wahrsten Sinne des Wortes – echten „Silver Bullet“ und

Innovationstreiber werden.

Das Ziel: „Zero Unplanned Downtime“ – also Antriebe so zu warten,

dass Ausfälle und damit verbundene Produktionspro bleme gar

nicht erst entstehen. Die Kunst: Wartungsintervalle nicht noch

enger, sondern nach tatsächlichem Bedarf zu takten. Das Schlüsselwort

hierfür lautet: Condition Based Maintenance (CBM) – sie dient

gewissermaßen als Ausgangspunkt einer Predictive-Maintenance-

Wartungsstrategie.

Dem Konzept zugrunde liegt also die Sammlung und Analyse

von Daten, die direkt vor Ort – teilweise auch mithilfe von Edge-

Computing – Aufschluss geben über den aktuellen Zustand von

Assets. Der Grundgedanke: Je umfassender und detaillierter Informationen

über sie und die sie beeinflussenden Umfeldfaktoren vorliegen,

umso konkreter kann ihr tatsächlicher Wartungsbedarf

prognostiziert werden.

OEE, KI und Edge-Computing

Damit rückt gleichzeitig ein weiteres Ziel von Industrie 4.0 in den

Fokus: Denn auf der Agenda steht nicht nur eine insgesamt umfassendere

Digitalisierung und Automatisierung, sondern auch ein

effektiverer Einsatz von Sachwerten. Anders ausgedrückt: Es geht

um die höhere Effizienz des eingesetzten Kapitals – die sogenannte

„Overall Equipment Effectiveness“ (OEE). Sie ist eine Funktion aus

Verfügbarkeit, Performance und Qualität der Assets. CBM und Predictive

Maintenance sind nach unserer Auffassung zentrale Instrumente,

um die OEE gezielt zu steigern.

René Stäbler ist Business Development Executive

bei der IBM Schweiz AG in Zürich, Schweiz

Gleichzeitig passiert aber noch etwas sehr viel Fundamentaleres:

CBM, Predictive Maintenance und neuerdings auch KI- basierte

Wartungsansätze werden zur Basis für die Entwicklung neuer Services,

disruptiven Geschäfts- und Betreibermodellen und damit

zum Ausgangspunkt für mehr Innovation – Stichwort „Data Enabled

Services“. Mithilfe von Remote-Monitoring ist es z. B. möglich,

die Zustandsdaten von tausenden von Maschinen und Anlagen als

Serviceleistung für Kunden zentral und in Echtzeit zu überwachen

und zu analysieren. Smarte, adaptive Wartung kann damit selbst zu

einem eigenständigen Geschäftsmodell mit unterschiedlichen

Betreiber varianten ausgebaut werden.

Mit Edge-Computing werden leistungs fähige Analyse-Technologien

darüber hi naus zukünftig praktisch überall und immer

verfügbar sein. So können z. B. Mitarbeiter, die in abgelegenen

Mit Prescriptive Maintenance

bekommt das alte Thema

Wartung einen vollkommen

neuen Spin.

René Stäbler

Gegenden den Zustand von Anlagen überwachen müssen, sehr

viel genauer die Erfordernisse für Wartung oder den Ersatzteilbedarf

ermitteln.

Ein Anwendungsfall ist die sensorbasierte Zustandsüberwachung

im Antriebsstrang von z. B. Windkraftanlagen. Dabei

können, teilweise eben auch mithilfe von Edge-Computing, die erste

Datenanalysen direkt in den Wälzlagern ermöglichen, alle relevanten

Daten in Cloud-Servern zusammengefasst und analysiert

werden. Die Auswertungen dieser Daten dienen dann wiederum

als Grundlage für die Diagnose und vorausschauende Wartung

44 antriebstechnik 3/2018


SPECIAL I PREDICTIVE MAINTENANCE

fahren oder aber das letzte aus ihm rauszuholen, um die Ware

rechtzeitig am Zielort zu haben? Alle drei Optionen sind potenziell

mit Kosten und Risiken verbunden („competing goals“). Die

Frage ist nur, welche Option macht in der konkreten Situation am

meisten Sinn?

Die Potenziale für den Einsatz solcher datengetriebener Wartung

sind enorm. Ein weiteres aktuelles Beispiel macht dies deutlich: So

wird IBM dem Logistik-Bereich der amerikanischen Armee (Logistics

Support Activity – LOGSA) helfen, aus über fünf Milliarden Datenpunkten

von On-Board Sensoren „Vehicle Maintenance Failures“

vorherzusagen. Darüber hinaus übernimmt die Army Watson

IoT-Lösungen, die unstrukturierte, strukturierte und Sensor-Daten

direkt aus militärischen Assets analysieren. Damit wird LOGSA zukünftig

besser in der Lage sein, der Armee sowohl Predictive als

auch Prescriptive Wartungsinformationen zur Verfügung zu stellen.

Mit diesen neuen Technologien bekommt das alte Thema Wartung

einen vollkommen neuen Spin. Und im Kontext von Industrie

4.0 wird damit eine weitere wichtige Lücke geschlossen. Dies ist

definitiv auch eine Chance für die etablierten Unternehmen, nicht

nur ihre Wartung zu optimieren, sondern mithilfe einer digitalen

„Re-Inven tion“ auch neue Umsatzquellen zu erschließen. Das gilt

insbesondere für den export orientieren Wirtschaftsstandort in

Mittel europa. Hier war Innovation schon immer gleichzusetzen mit

Wettbewerbsvorteilen.

der Wälzlager. Das ist keine Vision mehr, sondern funktionierende

Realität.

www.ibm.com/watson

Intelligente Einblicke in „fuzzy“-Umgebungen

Der Übergang ist fließend – und trotzdem spektakulär: Denn während

Maintenance-Software bisher nur die Analyse strukturierter

Sensordaten zugelassen hat, gehen intelligente Wartungs-Anwendungen

noch einen Schritt weiter: Dem Prinzip KI-basierter

Systeme folgend, deren Merkmale ver stehen – bewerten – lernen

sind, ist nun auch die Entwicklung „mitdenkender“, vorausschauender

Wartung keine Vision mehr. KI­ basierte IoT-Plattformen

kombinieren hierfür strukturierte (Maschinen-)Daten mit der

Masse an unstrukturierten Informationen wie schriftlichen Aufzeichnungen,

Sprache, Geräusche, Vibrationen, Bilder, Videos und

Bewegungen, analysieren und bewerten sie. Damit ermöglichen

sie neue Sichtweisen auch auf komplexe, „fuzzy“-Umgebungen.

Zudem gewinnen diese Anwendungen im Training mit Experten

den Kontext-bezogenen nötigen Sachverstand und können damit

den Verantwortlichen vor Ort bei der Einordnung von Ereignissen

und bei der Entscheidungsfindung unterstützen. Ein echter Paradigmenwechsel

also.

Tools für professionelle

Instandhaltung

Von Predictive zu Prescriptive

Die nächste Stufe ist Prescriptive Maintenance. Die Idee dahinter

ist noch viel komplexer: Bei Prescriptive geht es nicht mehr nur

um Prognosen, in welchem Zeitraum gewartet bzw. etwas ausgetauscht

werden soll, sondern um die genaue Berechnung, welches

Zeitfenster dafür das betriebswirtschaftlich optimalste bzw. kostengünstigste

wäre. Darüber hinaus geht es um den richtigen Zeitpunkt

für die Ersatzteilplanung und -beschaffung, und um ganz

grundsätzliche Fragen: Etwa, ob Wartungsintervalle lokal oder global

optimiert werden sollen und wie Lieferketten und Wartung am

besten miteinander zu verzahnen sind.

Folgendes Beispiel kann das verdeut lichen: Macht es bei Problemen

mit dem Antrieb eines Schiffsmotors mehr Sinn, ihn

gleich zu reparieren, oder ihn zu schonen und langsamer zu

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PREDICTIVE MAINTENANCE I SPECIAL

„Spannende

Zukunft“

Quo vadis Predictive Maintenance? –

Ein Kommentar von Prof. Dr. Georg Jacobs

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs ist Leiter

des Instituts für Maschinenelemente und

Systementwicklung an der RWTH Aachen

ie vorausschauende Instandhaltungsplanung

auf Basis des prädiktierten

D

Komponentenzustands wird meist kurz als

Predictive Maintenance bezeichnet. Sie soll

die Instandhaltungskosten gegenüber der

leistungs- oder zeitgesteuerten, vorbeugenden

Instandhaltung senken. Obwohl sich

Industrie und Forschung seit vielen Jahren

bemühen, Condition-Monitoring-Systeme

zu entwickeln, ist die Vorhersage des aktuellen

Zustandes der relevanten Bauteile

einer Ma schine immer noch eine technische

Herausforderung. Geeignete Messsignale

müssen früh genug auf mögliche

Schäden hinweisen, eine Lokalisierung des

geschädigten Bauteils erlauben und trotz

Fertigungs- und Montagestreuung bei

gleichzeitig veränderlichen Betriebsbedingungen

der Maschinen eindeutige Aussagen

liefern. Meist kommt Sensorik zur Messung

von Schwingungen und Geräuschen,

Schmierstoffzuständen und Temperaturen

zum Einsatz. Beispiels weise kann der Zustand

der Laufflächen von Wälzlagern bereits

heute durch marktgängige Condition-Monitoring-Systeme

zuverlässig bewertet werden.

Zunehmend wird versucht, die Aussagekraft

der Signale der CM-Sensorik durch

Fusion mit anderen auf der Maschine verfügbaren

Signalen zu verbessern. Dazu

werden Verfahren der Mustererkennung

angewandt, deren Training jedoch oft

durch die Anzahl verwertbarer Schadensfälle

limitiert ist. Zum Teil werden große

Datenmengen (Big Data) gesamter Maschinenflotten

betrachtet, um durch Machine-

Learning-Algorithmen systematische Konstruktions-

und Fertigungs fehler und folglich

drohende Reparaturen zu identifizieren.

Neue, oft preisgünstige Sensoren, erweiterte

Auswerteverfahren (Edge Computing) und

vereinfachte Datenübertragung eröffnen

neue Möglichkeiten für Zustands- und

Schadensanalysen. Beispielsweise wird

aktuell die Identifikation der Rissentstehung

unterhalb der Werkstoffoberflächen bei

Ermüdungsfrühausfällen an Wälzlagern

durch Schallemission untersucht. Obwohl

die prinzipielle Funktion nachgewiesen ist,

bestehen hinsichtlich der Aussagesicherheit

noch offene Fragen.

Ein vergleichsweiser frischer, grundlegend

anderer Ansatz ergibt sich aus der Berechnung

verbleibender Restlebensdauern.

Dabei macht man sich zu Nutze, dass im

Zuge von Industrie 4.0 immer mehr Informationen

zur tatsächlichen Lasthistorie

einer Maschine vorliegen. Die Nachrüstung

von Maschinen mit geeigneten, oft

schon kabellosen Lastsensoren nimmt

„Individuelle modell- und betriebsdatenbasierte

Verfügbarkeitssicherung wird zum Wettbewerbsvorteil.“

stetig zu. Durch Einspeisung weniger Lastdaten

in leistungsfähige Simulationsmodelle

ganzer Maschinensysteme können,

unter Extra polation der Lasthistorie,

die tatsächlich verbleibenden Bauteillebensdauern

rechnerisch ermittelt werden.

Es ist vielfach belegt, dass das individuelle

Gebrauchsdauerverhalten der

Maschinen oft deutlich anders ist, als das

bei der Produktentwicklung – mit oft verallgemeinerten

und tendenziell hohen

Lastanforderungen – berechnete. Entsprechend

groß ist das Potenzial für

Predictive Maintenance!

Es bedarf keiner besonderen Prädiktions-

Künste um der Predictive Maintenance eine

spannende Zukunft im Kontext von Industrie

4.0 und zunehmend modellbasierter

Produktentwicklung vorherzusagen. z

46 antriebstechnik 3/2018


NACHGEFRAGT I PREDICTIVE MAINTENANCE

Welche neuen Geschäftsmodelle

ergeben sich durch Predictive Maintenance

für die Antriebstechnik?

„Drei Modelle entscheiden“

Es ergeben sich aus meiner Sicht drei Modelle: Datengetriebene Mehrwertdienste, Servicedienstleistungen

und Contracting-Geschäftsmodelle. Datengetriebene Mehrwertdienste: Die prädiktive Analytik auf Basis

der Betriebsdaten erlaubt eine Vorausschau auf die Performance und die Lebensdauer des Antriebssystems

und der Komponenten. Dies ermöglichen wir mit unserem IoT-fähigen Antriebskonzept Simotics IQ. Damit

können Anwender Motordaten in die Mindsphere übertragen und dort mit Simotics IQ Mind App analysieren

und auswerten. Servicedienstleistungen: Auf Basis der prädiktiven Analytik können entsprechende Services

und Maintenance-Maßnahmen geplant werden. Es ergeben sich nun verschiedenste Geschäftsmöglichkeiten

im Life-Cycle-Management: Der Maschinenhersteller kann vorausschauende Wartungsdienste anbieten, und

Zeitpunkt und Umfang der Wartungen mit dem Betreiber optimiert planen. Der Hersteller kann Ersatzteillieferungen

mit dem Betreiber oder dem Service-Dienstleister vereinbaren. Damit entfällt das Ersatzteillager für

den Betreiber, der OEM kann die benötigten Ersatzteile vorausschauend im eigenen Produktionsprozess produzieren. Contracting-

Geschäftsmodelle: Der Hersteller kann im Rahmen eines Contracting-Vertrages Performance und Verfügbarkeit des Antriebssystems

an den Betreiber verkaufen und sichert dies durch prädiktive Instandhaltung ab.

Dr. Christian Mundo, Leiter Digital Office Large Drives, Siemens AG

„Erfolg Kunde = Erfolg Anbieter“

Heute erwartet der Kunde Systemlösungen und antriebsnahe Dienstleistungen mit dem Fokus Montage,

Inbetriebnahme, Instandhaltung und schnelle Reaktionsfähigkeit.

Mit unserem Digitalangebot ABB Ability werden wir noch stärker zum Partner des Kunden und übernehmen

mehr Verantwortung, was sich in entsprechenden Dienstleistungsangeboten, wie unserem Predictive-

Maintenance-Service, widerspiegelt. Der Erfolg des Kunden wird unmittelbarer auch zum Erfolg des

Anbieters, während die Kunden auf einen großen, leistungsfähigen Partner mit einem breiten Hardwareangebot

und weltweiten Dienstleistungen vertrauen können. Grund lage des Predictive Maintenance sind

Daten zum Zustand der Antriebe, verknüpft mit Daten zum Prozess sowie über anstehende Produktionsanforderungen.

Diese Daten werden durch ständig anzupassende Algorithmen ausgewertet und den richtigen

Personen bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt. Das erfordert neben geringen Hardware installationen vor

allem auch IT-Dienstleistungen wie Datenverfügbarkeit und Sicherheit, die Informationssteuerung, aber auch die Auswertung

durch Experten, Analysen mit dem Kunden und das Ausarbeiten von individuellen Service- und Optimierungsstrategien.

Michael Herbort, Leiter Vertrieb Service, ABB Automation Products GmbH

„Ohne Partner geht es nicht“

Service ist heute notwendiges Kerngeschäft für alle Unternehmen – seine Digitalisierung, der „Service 4.0“ und

damit einhergehend Predictive Maintenance als ein zentrales Thema, eröffnet weitreichende Möglichkeiten

des Wachstums. Es geht darum, über die gesamte Kunden-Wertschöpfungskette zusätzlichen Nutzen zu schaffen.

Das ist eine Mammutaufgabe, die weit mehr als nur Technologiekompetenz erfordert und auch keinesfalls

von einem einzigen Unternehmen alleine geleistet werden kann – Arbeiten in Netzwerken und Partnerschaften

ist erforderlich! Konstellation und Rollenverteilung der künftigen Wertschöpfungskette von Predictive Maintenance

haben sich noch lange nicht gefunden. Automatisierer stehen für einen optimierten Produktionsfluss, sie

ermöglichen einen zentralen Wertbeitrag von Predictive Maintenance: die potenzielle Automatisierung von

Folgeabläufen, nachdem eine Vorhersage erfolgt und eine Entscheidungsfindung bzw. -unterstützung stattgefunden

hat. Somit liegt Automatisierern die Denkweise von Predictive Maintenance heute schon in der Natur. Ein

valides Geschäftsmodell im Gesamtkontext von PM muss sich für Automatisierer also aus der Fähigkeit ableiten, die eigenen Kernkompetenzen

in die mögliche Abwicklung automatisierter Serviceprozesse zu übertragen. Radikal aus Kundensicht gedacht.

Sebastian Feldmann, Leiter „Service Excellence“, Roland Berger GmbH

antriebstechnik 3/2018 47


Schneidwerkzeug erschließt Potenzial

bei der 5-Achs-Zahnradfertigung

Die 5-Achs-Bearbeitung von

Verzahnungen wird immer

bedeutsamer und stellt eine

flexible Ergänzung zu alt

eingesessenen etablierten

konventionellen

Herstellverfahren dar [1].

Hierbei stehen neben den

wirtschaftlichen Aspekten auch

die qualitativen Anforderungen

im Fokus. Durch eine neue

Technologie können gerade im

frühen Entwicklungsstadium

durch die immense Flexibilität

zeitliche Vorteile neu erschlossen

bzw. ausgeschöpft werden.

01 Neu entwickelte Schneidwerkzeuge

Das von Sandvik Coromant entwickelte Invomilling-Bearbeitungsverfahren

bietet durch die Kombination von Werkzeugund

Softwarelösung diese Flexibilität. Die CAD/CAM-Software, die

speziell für die Bearbeitung von Verzahnungen entwickelt wurde,

vereint die drei grundlegendsten Funktionen die für die wirtschaftliche

Herstellung funktionsfähiger Zahnräder gegeben sein müssen.

Diese Funktionen bilden die Berechnung der exakten Verzahnungsgeometrie

inkl. Makro- und Mikromodifikationen, die automatische

Berechnung der Fräsbahnen mit Vorgabe der zulässigen

Formabweichungen sowie Materialabtrags- und Maschinensimulation

in einem Programm und nicht zuletzt die hohe Anwenderfreundlichkeit.

Mit diesem Softwarepaket können neben der

namensgebenden Invomilling-Strategie auch Bearbeitungsstrategien

mit Standard Schaft-, Kugel- und Torusfräsern erstellt werden.

Durch Weiterentwicklungen im Bereich der Werkzeuge wird das

M. Eng. Thomas Glaser ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für

Antriebstechnik der Hochschule Aalen und Jochen Sapparth ist Product

Manager Invomilling bei der Sandvik Tooling Deutschland GmbH

in Düsseldorf

Verfahren auch für die Einbringung von Mikroflankenmodifikationen

interessant. Ein mehrjähriges Kooperationsprojekt zwischen

Sandvik Coromant und dem Institut für Antriebstechnik

Aalen beschäftigt sich mit der Untersuchung diverser Aspekte

dieses Herstellverfahrens.

Die Problemstellung

In der Regel werden Verzahnungen nach der Wärmebehandlung

üblicherweise geschliffen bzw. wird eine Feinbearbeitung durchgeführt.

Ziel dieser Feinbearbeitung ist es, die fertigungsbedingten

Maß- und Formabweichungen in Form von Flankenlinien-, Profillinien-,

Rundlauf- und Teilungsabweichungen aus der Vorbearbeitung

und der Wärmebehandlung zu korrigieren [2]. Zudem werden

bei der Feinbearbeitung nach heutigem Stand der Technik häufig

Zahnflankenmodifikationen eingebracht. Diese Modifikationen

sollen das Geräusch- und Tragfähigkeitsverhalten der Verzahnungen

verbessern und die lastbedingten Verformungen des Zahnrad-

Welle-Lagersystems kompensieren. Diese Mikrozahnflankenmodifikationen

treten sowohl in Profil- oder Flankenrichtung als auch in

Kombination beider auf. In diesem Artikel werden Ergebnisse aus

der Praxis bezogen auf Bearbeitungszeit und Verzahnungsqualität

beim Einsatz dieses Mehrachs-Bearbeitungsverfahrens beschrieben.

48 antriebstechnik 3/2018


ZAHNRADFERTIGUNG

02

Übersicht Zahnflankenmodifikation

Profil

Flanke

A

ROOT


B

f Ha

C

TIP

C a

C β

BOTTOM

TOP

E F G H

X 2 X 1

X 2

L 1 L 2

X

03

Bearbeitungsschritte Verzahnungsbearbeitung

Vorgeschruppte

Zahnlücke

Schlichten Flanke

Links Frontside-Tool

Schlichten Flanke

Rechts Backside-Tool

Zahnlücke mit

Modifikationen

Dieses Bearbeitungsverfahren verwendet ausschließlich Standardwerkzeug.

Änderungen an der Makro- und Mikrogeometrie der

Verzahnung werden über die Anpassung der Fräsbahnen und nicht

über Anpassungen des Werkzeuges wie bei der konventionellen

Verzahnungsherstellung realisiert bzw. umgesetzt.

Ausgangssituation und Zielsetzung

Neue Entwicklungen im Bereich der Werkzeuge und Strategien zur

5-Achs-Bearbeitung von Verzahnungen machen diese Technologie

auch für den Prototypenbau nutzbar. Ziel hierbei ist es, die exakte

Verzahnungsgeometrie identisch zur konventionellen Serienherstellung

zu erzeugen. Hierzu müssen u. U. nach dem Härten Mikroflankenmodifikationen

eingebracht werden. Ziel ist es, das Potenzial

in Bezug auf diese Flankenmodifikation bei der 5-Achs-Bearbeitung

in wirtschaftlicher und technischer Hinsicht aufzuzeigen.

Die Vorgehensweise

Es wurde eine Verzahnung mit den in der Tabelle aufgeführten

Verzahnungsdaten hergestellt. Diese Verzahnung findet im

Automotive-Bereich Anwendung und wird mit einer Höhenballigkeit

von Cα 3 ± 3 µm (L1 = 11,305 mm) und einer Breitenballigkeit

Cβ von 6 ± 4 µm (X = 18,1 mm und X1 = 14,48 mm)

gemäß Bild 02 ausgeführt.

Die Verzahnung wurde komplett auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum

vom Typ DMU80P Duoblock mit Heidenhain iT-

NC530-HSCI-Steuerung weich fertigbearbeitet. Die Bearbeitungsstrategie

wurde mit der CAD/CAM-Software Invomilling erstellt.

Beim Invomilling-Verfahren verläuft die Vorschubgeschwindigkeit

entlang des Zahnprofils und die Zustellung wird in Zahnbreiten-

Übersicht Verzahnungsdaten

Verzahnungsdaten

Zähnezahl 35

Normalmodul 1,680

Eingriffswinkel 19°

Schrägungswinkel 31,458°

Kopfkreis 74,500 / 74 ,400

Profilmodifikation, Cα 3 ± 3 µm

Flankenmodifikation, Cβ 6 ± 4 µm

antriebstechnik 3/2018 49


Diameter →

Axis Direction →

04

Verzahnungsmessschrieb

No. of teeth

35 Base diameter

65.1755 mm DIN/Tol.din3962

Normal module

1.6800 mm Normal Press. angle

19.0000 ° Qnom=8

Qact=8

Face width

Probe stylus diameter

18.1000 mm 1.0017 mm Helix angle

Addend. modif. factor

33.5000 ° /

–0.4228

RCD(act)= 63.316 + ← Left flank Tol.= 0.000/ 0.000 (63.500) mm TCD(act)= 74.464 Profile variation

Tol.= 0.000/ 0.000 (74.500) mm

Right flank → +

Tip

Va

250:1*

40

μm

UPL=20

73.900

73.900

69.293

69.293

69.293

69.293

Vb

5:1*

66.630

66.630

2.00

mm

Root

[μm]

Fa

fHa

ffa

ca

+ ← Left flank Lead-tooth alignment variation

Right flank → +

Top

Va

250:1*

40

μm

DIN

UPL=20

Tol.

16.0

–10.0/+10.0

12.0

–3.0/+3.0

17.195

27

18

9

1

1

9

18

27 Tol.

5

4

5

4

4

5

5

7

0

2

2

–1

–1

–1

1

–4

1

1

1

1

2

1

3

1

–1

1

–1 –1

0

–1 –1

–2

fHam= 1| Wobble= 3| Qnom=8| Qact=5 fHam= –1| Wobble= 5| Qnom=8 | Qact=6

9.332

8.378

8.794

10.237

8.028

8.978

10.619

9.162

16.0

–10.0/+10.0

12.0

–3.0/+3.0

17.195

Vb

4:1*

2.50

mm

0.905 0.905

Bottom

[μm]

Fb

fHb

ffb

cb

Tol.

18.0

–16.0/+16.0

9.0

+2.0/+10.0

27

18

9

1

1

9

18

27 Tol.

5

6

3

6

6

3

8

3

1

–3 –1

5

4

0

–6

0

1

2

1

1

3

2

2

2

9

9

8

9

9

8

8

8

fHbm= 1| Wobble= 8| Qnom=8| Qact=5 fHbm= 0| Wobble= 10| Qnom=8 | Qact=6

18.0

–16.0/+16.0

9.0

+2.0/+10.0

50 antriebstechnik 3/2018


ZAHNRADFERTIGUNG

richtung vorgenommen. Die Strategie teilt sich hier in die

Ab schnitte Schruppen, Schlichten (Flanke links und rechts),

Zahngrund und Entgraten (Bild 03). Zur Bearbeitung der Zahnflanken

werden die neu entwickelten Schneidwerkzeuge verwendet

(Bild 01).

Durch die neu entwickelte Schneidengeometrie (Bild 01) können

hohe Schnittgeschwindigkeiten und Zahnvorschübe bei gleichzeitiger

Einhaltung der Qualitätsanforderungen der Zahnflanke realisiert

werden. Zudem bietet das neue Design eine verbesserte Zugänglichkeit

bei schmalen Zahnlücken und/oder hohen Zähnen.

Für die Bearbeitung der modifizierten Zahnflanke werden 17 Zustellungen

in Zahnbreitenrichtung benötigt. Dies entspricht jedoch

einer Erhöhung der Gesamtbearbeitungszeit um ca. 33 % im Vergleich

zur Bearbeitung derselben unmodifizierten Verzahnung

(vier Zustellungen). Der Grund hierfür liegt in der durch die Breitenballigkeit

Cβ verursachten Krümmung der Zahnflankenlängslinie.

Diese Krümmung verringert die Überlappung zwischen den

einzelnen Fräsbahnen und führt somit zu einer Erhöhung der

Anzahl der benötigten Bahnen um die gewünschte Form richtig

abbilden zu können.

Ergebnisse

Die Bearbeitung mit den Schnittwerten: Schnittgeschwindigkeit

vc = 250 [m/min] und Zahnvorschub fz = 0,04 [mm/Z] lieferten

hervorragende Ergebnisse. Hierbei zeigen sich gerade in Profilrichtung

beachtliche Genauigkeiten, d. h. Profilqualitäten nach DIN

3962 [4] zwischen 5 und 6 konnten hergestellt werden. Durch die

hohe Anzahl an Zustellungen in Zahnbreitenrichtung konnten

auch in Flankenrichtung sehr gute Qualitäten von 5 bis 6 erzielt

werden. Die Flankenmodifikationen konnten in gewünschter Form

und im vorgegebenen Toleranzfeld hergestellt werden (Bild 04).

Fazit und Ausblick

Durch die Verwendung der CAM-Software Invomilling und den

passenden Werkzeugen konnten sehr gute Verzahnungsqualitäten

an den modifizierten Verzahnungen erreicht werden. Es zeigt

sich, dass die Möglichkeiten der 5-Achs-Bearbeitung in Bezug

auf Qualität, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit ein ergänzendes

Potenzial zu den konventionellen Verzahnungsherstellverfahren

aufweisen. Dies bietet gerade im frühen Entwicklungsstadium

immense Vorteile.

Die Feinbearbeitung inkl. Mikroflankenmodifikationen erhöht

jedoch bei der Verwendung dieser Bearbeitungsstrategie die Gesamtbearbeitungszeit.

An dieser Stelle sollte über eine mögliche

Anpassung der Werkzeuge zur Modifikationseinbringung auf Standard

Schaft-, Kugel- oder Torusfräser bzw. eine Trennung der

Modifizierungsstrategien für Profilrichtung (Invomilling) und Flankenrichtung

(Freiformfräsen) nachgedacht werden. Des Weiteren

muss die Hartbearbeitung mit Mikroflankenmodifikationen getestet

werden. Hierzu zeigen Versuchsergebnisse des Instituts

für Antriebstechnik Aalen gute und vielversprechende Ergebnisse

bei der Hartfeinbearbeitung von Stirnradverzahnungen ohne

Profil modifikationen [3].

Literaturverzeichnis:

[1] R. Bieker, Hochpräzise Verzahnungen, die Königsdisziplin der 5-Achs-

Bearbeitung, Klartext/Heidenhain, 2017

[2] F. Klocke, Zahnrad- und Getriebetechnik, Hanser Verlag, München, 2017

[3] T. Glaser, Ergebnisbereich: Hartfeinbearbeitung von Stirnradverzahnungen

mit dem InvoMilling-Verfahren, Institut für Antriebstechnik Aalen, 2017

[4] DIN 3962, Toleranzen für Stirnradverzahnungen, Beuth Verlag, 1978

IMPRESSUM

erscheint 2018 im 57. Jahrgang, ISSN 0722-8546

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antriebstechnik 3/2018 51


Potenziale von

Zahnstange-Ritzel-Antriebssystemen

Moderne Produktionsanlagen stellen immer höhere

Forderungen an die Fertigungsgüte und Dynamik der

eingesetzten Antriebssysteme. Dieser Artikel

betrachtet zentrale Eigenschaften von Zahnstange-

Ritzel-Antriebssystemen und beschreibt Maßnahmen

zur Steigerung dieser Eigenschaften. Es wird gezeigt,

dass sich elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel-

Antriebssysteme in Bezug auf Positioniergenauigkeit

und Steifigkeitsverhalten für den Einsatz in

High-Performance-Werkzeugmaschinen auszeichnen.

M.Sc. Tim Engelberth ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Prof.-Dr. Alexander

Verl ist Institutsleiter, beide am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen

und Fertigungseinrichtungen an der Universität Stuttgart;

M.Sc. Marco Heckmann ist Experte für Entwicklung mechanischer Antriebssysteme

bei der Wittenstein Alpha GmbH in Igersheim

Die Fertigungsgüte und Dynamik moderner Produktionsanlagen

wird vor allem durch das eingesetzte Antriebssystem beeinflusst.

Dieses definiert die erreichbare Antriebskraft und Beschleunigung,

die Positioniergenauigkeit und die statische und dynamische

Steifigkeit der Maschinenachse [1]. Die verbreitetsten

Antriebssysteme sind Kugelgewindetriebe (KGT), Zahnstange-Ritzel-Antriebe

(ZRA) und Lineardirektantriebe (LDA). Die Auswahl

hängt hauptsächlich vom Anwendungsfall und den damit verbundenen

Kosten ab. ZRA zeichnen sich für den Einsatz in Werkzeugmaschinen

(WZM) insbesondere dadurch aus, dass ihre Steifigkeit,

im Gegensatz zu den ansonsten etablierten KGT [2], unabhängig

von der Verfahrlänge ist [3, 4]. Die Steifigkeit von KGT hängt hingegen

von der Verfahrlänge, dem Spindeldurchmesser und der aktuellen

Position des Maschinentischs ab [5]. Um eine ausreichende

Steifigkeit bei wachsender Verfahrlänge zu gewährleisten, muss der

Spindeldurchmesser vergrößert werden. Dies führt zu einer Verringerung

der Antriebsdynamik aufgrund des anwachsenden Spindelträgheitsmoments,

sodass KGT hier nicht effizient betrieben

werden können. LDA zeichnen sich ebenfalls für den Einsatz in

WZM aus. Hier wirken sich vor allem der hohe Energiebedarf und

die über den gesamten Verfahrweg benötigten Sekundärteile im

Vergleich zum ZRA nachteilig auf die Kosten aus [1].

Ein zentrales Problem elektromechanischer Antriebssysteme ist

die Umkehrspanne im Antriebsstrang. Bei ZRA wird die Umkehrspanne

durch die Verzahnung und Lagerung im Getriebe sowie den

Zahnstange-Ritzel-Übergang verursacht. Sie beeinflusst die erreichbare

Positioniergenauigkeit und die Regelgüte des Antriebs-

52 antriebstechnik 3/2018


LINEARTECHNIK

systems aufgrund ihrer Nichtlinearität. Um den Forderungen moderner

Produktionsanlagen gerecht zu werden, ist eine Reduzierung

der Umkehrspanne notwendig. Durch das Verspannen zweier

parallel angeordneter Ritzel kann die Umkehrspanne im Antriebsstrang

eliminiert werden. Die Literatur nennt verschiedene mechanische

und elektrische Ansätze zur Erzeugung der Verspannung

[1–3, 6–9]. Der Einfluss der Verspannung auf die Umkehrspanne,

die Reibung sowie die statische und dynamische Steifigkeit wurde

bereits eingehend betrachtet [10] und wird in diesem Artikel nicht

weiter vertieft.

In den folgenden Kapiteln wird aufgezeigt, welche Positioniergenauigkeiten

und Steifigkeitseigenschaften mit einem einzelnen

ZRA der Firma Wittenstein Alpha GmbH erreicht werden können.

Zudem werden Maßnahmen zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit

genannt und experimentell validiert. Des Weiteren

wird ein Vergleich zum elektrisch verspannten ZRA vorgenommen

und ein Ausblick auf aktuelle Forschungsarbeiten zur Anpassung

der Verspannung während des Betriebs und zur Steigerung der

Bahngenauigkeit gegeben.

Versuchsaufbau

Die in diesem Artikel vorgestellten Untersuchungen wurden an

dem in Bild 01 dargestellten Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des

ISW der Universität Stuttgart durchgeführt.

Der Maschinentisch des Versuchsstands hat eine Gesamtmasse

von 420 kg und wird von zwei parallel angeordneten, elektrisch

verspannten ZRA angetrieben. Zusätzlich steht ein LDA zur Verfügung,

über den Störkräfte aufgebracht werden können. Der

Verfahrweg beträgt 2,7 m. Die Position des Maschinentischs wird

über die vier in der Abbildung gezeigten direkten Messsysteme

erfasst. Es sind jeweils zwei Messsysteme unterschiedlicher Hersteller

entlang der gleichen Achse montiert, sodass die Messwerte

validiert werden können. Die Rotation der Motoren wird über die

Motorencoder gemessen. Die eingesetzten Komponenten sind in

Tabelle 01 zusammengefasst.

Die elektrische Verspannung zwischen den beiden Motoren wird

anhand der in Bild 02 dargestellten Regelungsstruktur erzeugt.

Diese in industriellen Steuerungen bzw. Antriebsverstärkern etablierte

Struktur wird als Momentenausgleichsregelung bezeichnet.

Beide Motoren werden jeweils über einen Standard-Kaskadenregler

geregelt. Die Verspannung wird im Drehzahlregelkreis generiert,

indem ein Drehzahloffset v V

in Abhängigkeit von der aktuellen Differenz

der Drehmomentsollwerte M 1,soll

und M 2,soll

und dem geforderten

Verspannungsmoment M V

erzeugt wird. Anhand des Drehzahloffsets

v V

wird der vom Lageregler erzeugte Drehzahlsollwert

v soll

modifiziert, sodass die Verspannung zwischen den beiden Motoren

aufrechterhalten bleibt.

Werden die so erzeugten Momente M 1

und M 2

der einzelnen

Motoren über dem geforderten Gesamt-Sollmoment M soll

aufgetragen,

so ergibt sich das in Bild 03 dargestellte Diagramm der

elektrischen Verspannung. Es ist zu erkennen, dass das geforderte

Verspannungsmoment M V

eine Verschiebung der Kennlinien M 1

und M 2

in positive bzw. negative Richtung der y-Achse verursacht,

sodass die Verspannung über den gesamten Betriebsbereich konstant

bleibt. Das maximal erreichbare Gesamtmoment M ges,max

ergibt

sich anhand von Gl. (1). Es wird durch das Verspannungsmoment

M V

reduziert.

01

1

2

3

02

01

2

1

6

4

3

5 5

ZRA1

ZRA2

LDA

Zahnstange-Ritzel-Versuchsstand des ISW der Universität

Stuttgart

4

5

6

6

Zahnstange

Linearführung mit integriertem Messsystem

Interferometer

1

2

4

5

3

6 6

Regelungsstruktur zur Erzeugung der elektrischen

Verspannung

Verbaute Komponenten

Aktorik 2x Synchronmotoren Siemens 1FT7086

(ZRA1, ZRA2)

Direktantrieb (LDA) Siemens 1FN3300

Mechanik Getriebe Wittenstein Alpha RP040S

Ritzel

Wittenstein Alpha RMT400

Zahnstange

Wittenstein Alpha ZST400

Sensorik 2x magnetoresistive Schneeberger AMSABS 3B

Linearmesssysteme

2x Interferometer Attocube IDS3010

2x Drive-Cliq-

Motor geber

Siemens AM24

5

antriebstechnik 3/2018 53


x ZRA

– x Tisch

[µm]

03

Drehmomente der verspannten Motoren [nach 9]

M

keit. Die Positioniergenauigkeit wird zur Beurteilung der Fertigungsgüte

herangezogen, denn sie definiert die erreichbaren Fertigungstoleranzen.

Die statische Steifigkeit dient ebenfalls zur Beurteilung

der Fertigungsgüte, denn sie ist ein Maß für die Robustheit gegenüber

Stör- und Bearbeitungskräften, die eine Positionsabweichung

während der Bewegung verursachen können. Die dynamische Steifigkeit

wird für die Beurteilung des Frequenzverhaltens herangezogen.

Sie definiert die erreichbare Bandbreite, die anzeigt, bis zu welcher

Frequenz die Vorschubachse der Anregung noch folgen kann.

Sie begrenzt somit die erreichbare Regler-Performance.

M 1

M 2

M 1

M ges

M 2

M soll

Positioniergenauigkeit

M V

-2M V

2M V

-M V

M 1

M 2

M ges

= M 1

+ M 2 1 2 3

Der Begriff der Positioniergenauigkeit und das Verfahren zur Bestimmung

der Positioniergenauigkeit einer Vorschubachse sind in

DIN ISO 230-2 beschrieben [11]. In Anlehnung an die genannte

Norm lässt sich die Positioniergenauigkeit definieren als die Differenz

des größten und kleinsten Fehlers beim vielfachen, zweiseitigen

Anfahren mehrerer Positionen entlang des gesamten Verfahrweges.

Bei Maschinen ohne direktes Wegmesssystem errechnet

sich der Fehler je Position aus der Differenz des Motorencoderwertes

und den Messwerten des direkten Referenzmesssystems. Bei

ZRA wird der vom Motorencoder gemessene Bitwert α ZRA

mittels

Gl. (2) anhand der Encoder-Auflösung U ZRA

, des Teilkreisradius r

des Ritzels und des Übersetzungsverhältnisses i des Getriebes in

die Motorposition x ZRA

umgerechnet. Für die Untersuchungen wird

der Motorencoder von ZRA1 genutzt, da dieser als Master für die

Lageregelung fungiert.

04

20

-20

Positioniergenauigkeit des einzelnen ZRA ohne direktes

Weg-Messsystem

0

Hinweg

Rückweg

Die direkt gemessene Tischposition x Tisch

errechnet sich aus Gl. (3)

anhand der Messsystemauflösung U Tisch

und dem gemessenen

Bitwert α Tisch

. Als Referenzmesssystem wird das linke der in Bild 01

dargestellten magnetoresistiven Messsysteme von Schneeberger

genutzt.

-40

-60

-80

-100

-120

-140

164 µm

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Position [m]

Weiterhin ist zu erkennen, dass das Diagramm in drei Bereiche eingeteilt

ist. In den Bereichen 1 und 3 sind die Motormomente, jeweils

mit unterschiedlichem Vorzeichen, gleichgerichtet. In Bereich

2 sind die Momente entgegengerichtet. Dies zeigt, dass ein

Zahnflankenwechsel trotz Verspannung auftritt. Dieser findet im

statischen Fall genau dann statt, wenn ein Vorzeichenwechsel im

Momentenverlauf eines Motors auftritt.

Untersuchungen an ZR-Antriebssystemen

Zu den zentralen Eigenschaften einer Vorschubachse gehören die

Positioniergenauigkeit sowie die statische und dynamische Steifig-

68 µm

Der Norm entsprechend werden die zehn anzufahrenden Positionen

gleichmäßig über den Messweg verteilt und dann jeweils um

eine zufällig gewählte Spanne verschoben, sodass auch periodisch

auftretende Fehler erfasst werden. Aus der Messung ergibt sich das

in Bild 04 dargestellte Diagramm für den einzelnen ZRA. Die eingezeichneten

Messpunkte zeigen die Differenz der Messsysteme aller

angefahrenen Positionen für den Hin- (blau) und Rückweg (rot). Es

ergibt sich eine Positioniergenauigkeit von 164 µm. Die maximale

Umkehrspanne beträgt 68 µm. Diese Eigenschaften sind unabhängig

vom Gewicht des Maschinentischs. Dies wurde validiert, in dem

die Untersuchung mit einem zusätzlich auf dem Maschinentisch

montierten Gewicht von 500 kg wiederholt wurde.

Bild 04 zeigt einen Drift, der eine deutliche Reduzierung der erreichbaren

Positioniergenauigkeit verursacht. Dieser Drift ergibt

sich zum einen aufgrund von Toleranzen der mechanischen Größen,

die in Gl. (2) für die Berechnung der Motorposition benötigt

werden. Zum anderen ergibt er sich aufgrund von Messsystemtoleranzen,

die zu einer Abweichung der für die Berechnung der Positionen

herangezogenen Auflösungen führen. Weiterhin wird die Positioniergenauigkeit

durch Gleich- und Rundlaufabweichungen

Δx GR

der Getriebe-Ritzel-Kombination sowie Rollenmaß- und Teilungsabweichungen

Δx Z

(x) der Zahnstange beeinflusst.

Entsprechend Bild 05 ergibt sich eine periodisch auftretende,

positionsabhängige Abweichung Δx GR

= 30 ~ 40 µm pro Ritzelumdrehung.

Die Detailansicht einer Ritzelumdrehung zeigt außerdem

den Einfluss der zwanzig Zahneingriffe pro Ritzelumdrehung, die

jeweils einen Positionierfehler von bis zu 5 µm verursachen.

Positionsabhängige Rollenmaß- und Teilungsabweichungen Δx Z

(x)

der Zahnstange führen, genau wie der oben beschriebene Drift, zu

54 antriebstechnik 3/2018


Abweichung [µm]

x ZRA

- x Tisch

[µm] x ZRA

- x Tisch

[µm]

x ZRA

– x Tisch

[µm]

LINEARTECHNIK

einem nicht periodischen Positionierfehler entlang des gesamten

Verfahrweges. Durch Anpassung der Messsystemauflösung unter Berücksichtigung

der Messsystemtoleranzen wird der Drift kompensiert

und der Einfluss der Zahnstangenabweichungen deutlich. Das Ergebnis

ist in Bild 06 dargestellt. Die Abweichung Δx Z

(x) wird durch

Mittelwertbildung der Abweichungen zwischen Motor- und Tischposition

approximiert. Für die Ausrichtung der Zahnstangen wurden

die von Wittenstein entwickelten Inira-Montagesysteme verwendet.

Die Zahnstangenabweichungen im montierten Zustand lassen sich

auf Δx Z,max

= 35 µm beziffern. Der Verlauf von Δx Z

(x) passt in guter

Näherung zu , der Summe der von Wittenstein gemessenen

Zahnstangenabweichungen im nicht montierten Zustand.

Das in Bild 04 dargestellte Ergebnis der Positioniergenauigkeit

wird ohne direktes Messsystem erzielt. Durch den dauerhaften Einsatz

eines direkten Messsystems lässt sich die Positioniergenauigkeit

steigern, da die oben betrachteten Abweichungen kompensiert werden.

Die Ausrüstung von langen Verfahrachsen mit konventionellen

direkten Messsystemen (z. B. Glasmaßstab) führt zu hohen Kosten.

Durch den Einsatz von interferrometrischen Messsystemen wie dem

IDS3010 der Wittenstein-Tochter Attocube Systems AG können diese

Ausrüstungskosten reduziert werden. Alternativ können die Abweichungen

einmalig während der Inbetriebnahme direkt bzw. interferrometrisch

ermittelt und anschließend dauerhaft im Lageregler

kompensiert werden. In diesem Fall werden die Ausrüstungsinvestitionen

für das dauerhaft in der Maschine verbleibende Messsystem eingespart

und die Positioniergenauigkeit dennoch deutlich gesteigert.

Anhand einer einmaligen Messung oder durch Nutzung der vom

Hersteller ermittelten Abweichungen kann die in Bild 05 (oben) gezeigte

Gesamtabweichung Δx ges

(x) zwischen Motor- und Tischposition

ermittelt werden. Δx ges

(x) wird in Form einer Lookup-Tabelle in

der Steuerung hinterlegt und entsprechend Gl. (4) zur Anpassung

der geforderten Sollposition x soll

genutzt. Die angepasste Sollposition

wird für die Lageregelung des einzelnen ZRA verwendet.

05

0

-50

-100

-150

-20

-40

06

Kontinuierliche Messung der Differenz zwischen

Motor encoder und direktem Messsystem

0

0.5 1 1.5 2 2.5

Position [m]

-60

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95

60

50

40

30

20

Position [m]

∆x GR

1 1.05 1.1

Kontinuierliche, driftkompensierte Messung der Differenz

zwischen Motorencoder und direktem Messsystem

10

Diese Methode führt zu dem in Bild 07 dargestellten Ergebnis.

Es ergibt sich eine deutlich gesteigerte Positioniergenauigkeit

von 69 µm. Die maximale Umkehrspanne wird nicht beeinflusst.

Sie beträgt weiterhin 68 µm und hat maßgeblichen Einfluss auf

die Positioniergenauigkeit.

Die Umkehrspanne kann durch den Einsatz eines elektrisch verspannten

ZRA, wie er in Bild 01 dargestellt ist, reduziert werden.

Entsprechend Bild 08 führt eine Verspannung von 40 % des Nennmoments

der eingesetzten Motoren ohne den Einsatz eines direkten

Messsystems zu einer reduzierten Umkehrspanne von 6 µm

und einer weiteren Steigerung der Positioniergenauigkeit auf 7 µm.

Die Umkehrspanne kann nicht vollständig eliminiert werden, da

die Reibung im System eine Verformung des Antriebsstrangs, die

sogenannte Reibungsumkehrspanne, verursacht. Die Abhängigkeit

der Umkehrspanne vom Betrag der Verspannung wurde bereits in

[10] untersucht.

Statische und dynamische Steifigkeit

0

-10

-20

-30

07

0 0.5

-10

x ZRA

∆x Z

(x)

(x)

∆x Z *

Position [m]

x Tisch

1 1.5 1.5 2

Positioniergenauigkeit des einzelnen ZRA mit

Abweichungskompensation

10

0

Die statische Steifigkeit k ist definiert als Widerstand eines Körpers

gegen elastische Verformung dx durch eine Kraft F. Der Kehrwert

der Steifigkeit wird als Nachgiebigkeit δ bezeichnet. Beide Größen

lassen sich anhand von Gl. (5) berechnen.

-20

-30

-40

68 µm

69 µm

Hinweg

Rückweg

-50

Zur Bestimmung der statischen Steifigkeit des einzelnen ZRA

des in Bild 01 dargestellten Versuchsstands wird anhand des

LDA eine rampenförmige Kraft am Maschinentisch erzeugt,

die vom lage geregelten ZRA kompensiert wird. Anhand des

-60

-70

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Position [m]

antriebstechnik 3/2018 55


Übersetzungsverhältnisses i und des Teilkreisradius r des Ritzels

lässt sich das Drehmoment M ZRA

entsprechend Gl. (6) in die vom

ZRA aufgebaute Gegenkraft F ZRA

umrechnen.

Die Verformung dx wird anhand der Differenz zwischen Motorund

Tischposition x ZRA

– x Tisch

bestimmt. So wird nur die Verformung

des Antriebsstrangs inklusive der Anschlusskonstruktion am Versuchsstand

gemessen.

Die Verläufe der durch den LDA erzeugten Kraft F LDA

, der Gegenkraft

F ZRA

und der resultierenden Positionsänderungen der einzelnen

Messsysteme von Schneeberger (sb) und Attocube (ac) sind in

Bild 09 dargestellt. Die Kraft wird innerhalb von 50 s rampenförmig

bis zu einem Maximalwert von ca. 7 230 N auf- und abgebaut. Anschließend

wird sie in die andere Richtung auf- und abgebaut. Die

Gegenkraft F ZRA

wirkt entgegen der antreibenden Kraft F LDA

und hält

den Tisch in Ruhelage. Dies verdeutlicht der Positionsverlauf x ZRA

.

F ZRA

ist kleiner als F LDA

, da die Reibung im System einen Anteil der

Kraft kompensiert. Für die Berechnung der Steifigkeit wird F ZRA

verwendet,

da diese Kraft eine direktere Verformung des Antriebsstrangs

verursacht als F LDA

.

Bild 10 zeigt die Verformungen des einzelnen ZRA in Abhängigkeit

von der Kraft, die der Motor zum Halten der Ruhelage erzeugt.

Es sind die Kurven für alle vier am Maschinentisch verbauten direkten

Messsysteme gezeigt. Die Messung von x sb,1

zeigt die geringste

Verformung und somit die höchste Steifigkeit. Dies ist plausibel, da

das zugehörige Messsystem direkt neben dem Ritzel angebracht ist.

Die anderen Messsysteme sind im Kraftfluss weiter von der Eingriffsstelle

Ritzel-Zahnstange entfernt, sodass die Messung durch

zusätzliche Verformung der Mechanik beeinflusst wird. Für die

Auswertung der Steifigkeit wird daher auf die Messungen von x sb,1

zurückgegriffen und die Steifigkeit im Bereich von 70 bis 100 % der

maximalen Kraft bestimmt. Hier ist der Kurvenverlauf nahezu

li near. Bei niedriger Belastung ist der Gradient und somit die Verformung

pro Kraft größer, da zwischen Lagerlaufbahnen und Wälzkörpern

sowie zwischen den Zahnflanken der Verzahnungsteile

erst bei höherer Kraft ein optimales Tragbild ausgebildet wird und

Reibungseffekte an Einfluss verlieren. Der ZRA mit RP+-Getriebe

zeichnet sich durch ein nahezu richtungsunabhängiges Steifigkeitsverhalten

ohne einen Steifigkeitssprung bei Richtungsumkehr aus.

Die statische Steifigkeit des einzelnen, am Versuchsstand montierten

ZRA und der ihn umgebenden Anschlusskonstruktion des Prüfstandes

beträgt ca. 84,5 N/µm.

Die statische Gesamtsteifigkeit des elektrisch verspannten ZRA

ist doppelt so groß, da zwei Antriebsstränge parallel angeordnet

sind und somit doppelten Widerstand gegen Verformung leisten.

Der Betrag der elektrischen Verspannung hat keinen Einfluss auf

den Betrag der Steifigkeit. Allerdings verändert er den Verlauf bei

Richtungsumkehr. Näheres dazu ist in [10] beschrieben.

Die dynamische Steifigkeit beschreibt die frequenzabhängige

Steifigkeit des Systems, d. h. die Steifigkeit bei einer bestimmten

Frequenz. Der Kehrwert der dynamischen Steifigkeit lässt sich im

02

Charakteristische Größen der Frequenzgangmessung

Konfiguration Belastung charakt.

Eigenfrequenz [Hz]

dynamische Steifigkeit

[N/μm]

ω 0,N

ω 0,M

k(ω 0,N

) k(ω 0,M

)

einzelner ZRA leicht 61 50 44,3 41,4

schwer 58 33 68,8 43,3

elektr. ver- leicht 100 89 139 131

spannter ZRA

schwer 74 60 148 143

so genannten Nachgiebigkeitsfrequenzgang G N

(jω) darstellen. Für

den von einem einzelnen ZRA angetriebenen Maschinentisch lässt

sich dieser aus der systemtheoretischen Beschreibung eines 2-Massen-Schwingers

herleiten. Gl. (7) beschreibt die Nachgiebigkeitsübertragungsfunktion

G N

(s). Neben den Positionen der beiden

Massen x ZRA

und x Tisch

und der anregenden Kraft F enthält diese das

Übersetzungsverhältnis i des Getriebes, den Teilkreisradius r des

Ritzels, die Federsteifigkeit k, die Dämpfungskonstante d sowie die

Tischmasse m Tisch

und das massenäquivalente Trägheitsmoment

J ZRA

des ZRA.

Anhand der Übertragungsfunktion kann die Eigenfrequenz ω 0,N

entsprechend Gl. (8) berechnet werden. Die Eigenfrequenz ω 0,N

gibt die Frequenz der größten Nachgiebigkeit bzw. der geringsten

Steifigkeit an.

Neben G N

(jω) kann auch der Zusammenhang zwischen den Positionen,

der so genannte Mechanikfrequenzgang G M

(jω), betrachtet

werden. Dieser lässt sich anhand der in Gl. (9) dargestellten Übertragungsfunktion

G M

(s) berechnen. Die für G M

(s) geltende Eigenfrequenz

ω 0,M

wird anhand von Gl. (10) berechnet. Der Mechanikfrequenzgang

erlaubt zwar keine direkte Aussage über die Steifigkeit.

Für die Erzeugung des Frequenzgangs wird die Messung der

Antriebskraft, die einer gewissen Ungenauigkeit unterliegt, allerdings

nicht benötigt.

Die Messung der Frequenzgänge erfolgt, indem das System mit

einem PRBS-Rauschen plus Offset angeregt wird. Dieses Signal regt

alle Frequenzen im betrachteten Spektrum mit der gleichen Leistungsdichte

an. Das Offset verhindert eine Beeinflussung der Messung

durch die Umkehrspanne. Die aufgezeichneten Signale werden

mittels Fourier-Transforma tion in Frequenzspektren umgerechnet,

anhand derer sich die Übertragungsfunktionen berechnen

lassen. Aus den Übertragungsfunktionen wird der Amplituden- und

der Phasengang bestimmt. Es ergeben sich die in Bild 11 dargestellten

Frequenzgänge des einzelnen ZRA und die in Bild 12 dargestellten

Frequenzgänge des elektrisch verspannten ZRA, jeweils mit

und ohne zusätzlichem Gewicht von 500 kg. Die Verspannung beträgt

40 % des Nennmoments der eingesetzten Motoren. Die Abhängigkeit

des Frequenzverhaltens vom Betrag der Verspannung

wurde bereits in [10] untersucht.

Tabelle 02 zeigt die aus den Frequenzgängen abgeleiteten charakteristischen

Größen für den einzelnen und den elektrisch verspannten

ZRA mit und ohne zusätzlichem Gewicht von 500 kg. Die

charakteristischen Eigenfrequenzen lassen sich aus den Phasenverläufen

bei einer Phasendifferenz von 90° ablesen. Die Eigenfrequenzen

zeigen die Resonanz des Systems und somit die geringsten

(9)

(10)

56 antriebstechnik 3/2018


Verformung [µm]

Kraft [kN]

x ZRA

– x Tisch

[µm]

LINEARTECHNIK

dynamischen Steifigkeiten. Die Eigenfrequenzen für Nachgiebigkeits-

und Mechanikfrequenzgang unterscheiden sich, da es sich um

verschiedene Eigenmoden bzw. Schwingungsformen des Systems

handelt. Wird das System als 2-Massen-Schwinger betrachtet, beschreibt

ω 0,M

die Frequenz, bei der nur die angehängte Tischmasse

m Tisch

schwingt, während die Motorwelle nahezu stillsteht. Die Frequenz

ω 0,N

beschreibt den Zustand, bei dem beide Massen gegeneinander

schwingen. Anhand dieser Eigenfrequenzen, der Masse

und des Trägheitsmoments des Antriebssystems lassen sich die

frequenz abhängigen Steifigkeiten des Systems über die Gl. (8) und

(10) berechnen. Bei der Berechnung der Steifigkeiten des elektrisch

verspannten ZRA muss das Trägheitsmoment J ZRA

verdoppelt werden,

da zwei Antriebe verbaut sind. Theoretisch müssen sich je

Konfiguration (d. h. einzelner ZRA und elektrisch verspannter ZRA),

unabhängig von der Belastung, die gleichen Steifigkeiten k(ω 0,N

) und

k(ω 0,M

) ergeben.

Die anhand von ω 0,M

berechneten Steifigkeiten k(ω 0,M

) passen in

guter Näherung zusammen. Der einzelne ZRA zeigt eine geringere

Steifigkeit k(ω 0,M

) als der elektrisch verspannte ZRA. Dies ist plausibel,

da bei der elektrischen Verspannung, wie bereits erwähnt, zwei

Antriebe eingesetzt werden. Die geringen Abweichungen der Steifigkeiten

k(ω 0,M

) aufgrund des Gewichts lassen sich anhand der

nichtlinearen Verläufe der Messkurven für die statische Steifigkeit

erklären. Die für die Messung der Frequenzgänge genutzte Anregungskraft

liegt im Bereich von 0 bis 2 000 N, wobei die Anregungskraft

bei Messungen mit Gewicht höher ist, um die gleiche Auslenkungsamplitude

der Geschwindigkeit zu erreichen. Die Steifigkeit

nimmt mit anwachsender Anregungskraft zu (Abflachung der

Kurve). Dies erklärt die etwas höheren Steifigkeiten für die Messungen

mit Gewicht im Gegensatz zu den Messungen ohne Gewicht.

Außerdem erklärt dies auch die allgemein geringeren Steifigkeiten

im Vergleich zur statisch bestimmten Steifigkeit von 84,5 N/µm.

Diese wurde bei deutlich höheren Kräften bestimmt, bei denen ein

linearer Zusammenhang zwischen Kraftzunahme und Verformung

besteht. Die anhand von ω 0,N

berechneten Steifigkeiten k(ω 0,N

) passen,

bis auf den Ausreißer 68,8 N/µm, zu den Steifigkeiten k(ω 0,M

).

Zusammenfassung und Ausblick

Die vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass die erreichbare Positioniergenauigkeit

(hier 69 µm) eines einzelnen ZRA hauptsächlich

durch die Umkehrspanne im Antriebsstrang begrenzt ist.

Anhand der hier gezeigten Methode zur Kompensation der geometrischen

und messtechnischen Abweichungen durch Anpassung

der Lagesollwerte kann diese Genauigkeit auch ohne ein direktes

Messsystem erreicht werden. In High-Performance-Werkzeugmaschinen

ist der Einsatz eines elektrisch verspannten ZRA sinnvoll,

da dieser für eine maximale Reduzierung der Umkehrspanne

sorgt und somit eine deutlich höhere Positioniergenauigkeit (hier

7 µm) erreicht. Diese Positioniergenauigkeit kann ebenfalls ohne

den Einsatz eines direkten Messsystems erreicht werden. In diesem

Fall hängt sie, neben der im Artikel genannten Reibungsumkehrspanne,

hauptsächlich von der Steifigkeit des Antriebsstranges ab.

Diese definiert eine durch Stör- und Bearbeitungskräfte verursachte

Positionsabweichung, die ohne ein direktes Messsystem nicht kompensiert

werden kann. Die durch Stör- und Bearbeitungskräfte verursachte

Positionsabweichung wird in diesem Artikel nicht gezeigt,

kann aber anhand von Gl. (5) abgeschätzt werden. Durch den Einsatz

eines elektrisch verspannten ZRA wird allerdings eine Verdoppelung

der statischen Steifigkeit erreicht, sodass der Einfluss auf die

Positioniergenauigkeit abnimmt. Durch Verspannung wird weiterhin

eine Erhöhung der mechanischen Eigenfrequenz und somit

eine Steigerung der erreichbaren Regler-Performance erzielt.

Die Eigenschaften der Zahnstange-Ritzel-Antriebssysteme von

Wittenstein Alpha können für den jeweiligen Anwendungsfall

durch Variation des Ritzeldurchmessers entsprechend Bild 13

hinsichtlich Vorschubkraft, Vorschubgeschwindigkeit und linearer

08

09

Position [µm]

10

Verformung [µm]

10

0

-10

0 20 40 60 80 100

100

0

2

1

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

0

0.5 1 1.5 2 2.5

Position [m]

Signalverlauf zur Bestimmung der statischen Steifigkeit

Zeit [s]

-100

0 20 40 60 80 100

100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

-20

-40

-60

-80

Positioniergenauigkeit des elektrisch verspannten ZRA mit

Abweichungskompensation

0

0

-20

-40

-60

-80

7 µm

Zeit [s]

Steifigkeit des einzelnen ZRA

6 µm

x ZRA

x sb,1

x sb,2

x ac,1

x ac,1

Hinweg

Rückweg

-100

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

Kraft [N]

-100

-8000

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

Kraft [N]

F LDA

F ZRA

8000

antriebstechnik 3/2018 57


Amplitude [dB]

Phase [°]

Amplitude [dB]

Phase [°]

11

12

13

80

60

40

10

0

-20

-40

-60

0

-20

-40

-60

10 1

0

*

10 1

Frequenzverhalten des einzelnen ZRA

0

N, schwer

G N, leicht

-45

G 10 1 10 2

-90

G M, leicht

-135

G M, schwer

-180

Frequenzverhalten des elektrisch verspannten ZRA

*

G N, leicht

-45

G 10 1 10 2

-90

N, schwer

G M, leicht

-135

G M, schwer

-180

Design for Speed Design for Feed Force Design for Rigidity

Speed Feed Force Rigidity

V 2Max [m/min] F 2T [N] C lin [N/µm]

0 40 50 60 70 80 90 100

d [mm]

50000

40000

30000

20000

10000

Frequenz [Hz]

10 2

Frequenz [Hz]

Eigenschaftsänderung von ZRA durch Design for X

10 2

0 40 50 60 70 80 90 100

d [mm]

200

1500

1000

500

0 40 50 60 70 80 90 100

d [mm]

Gesamtsteifigkeit optimiert werden. Weiterhin können Ritzel und

Zahnstange im Rahmen von unterschiedlichen geometrischen

Klassen, Werkstoffen und Wärmebehandlungsverfahren individuell

hinsichtlich Laufruhe, Positioniergenauigkeit und übertragbarer

Vorschubkraft konfiguriert werden.

Der aktuelle Stand der Technik zeigt, dass die Verspannung in

den meisten Fällen konstant eingestellt wird, obwohl diese für den

Erhalt der hier gezeigten maximalen Positioniergenauigkeit nicht

immer benötigt wird. Durch eine gezielte Anpassung der Verspannung

während des Betriebs kann der Energiebedarf der Antriebsachse,

der vom Betrag der Verspannung abhängt, gesenkt werden,

ohne dass die Positioniergenauigkeit beeinflusst wird. Weiterhin

wird der Betrag der Verspannung anhand von praktischen Einstellregeln

ermittelt. Der aktuelle Stand der Technik liefert keine

theoretischen Grundlagen zur Einstellung eines für den Erhalt der

Genauigkeit minimal benötigten Verspannungsbetrags. Diese

Defizite des aktuellen Standes der Technik werden am ISW betrachtet.

Derzeit wird eine Methode zur Anpassung der Verspannung

während des Betriebes, adaptive Verspannung genannt,

entwickelt. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Absenkung

des durchschnittlichen Verspannungsbetrages von bspw. 20 auf

10 % eine Reduzierung des Energiebedarfs pro Antriebachse um

bis zu 3 % bewirkt.

Wie im Artikel beschrieben, wird die Umkehrspanne trotz Verspannung

durchlaufen. Dies führt zu einer Reduzierung der Bahngenauigkeit

eines elektrisch verspannten ZRA ohne direktes Messsystem.

Die Bahngenauigkeit beschreibt den maximalen Fehler

zwischen Soll- und Ist-Position bei Bewegung entlang einer vorgegebenen

Bahn mit definierter Geschwindigkeit. Am ISW wird

derzeit, neben der adaptiven Verspannung, eine neuartige Regelungsstruktur

zur Steigerung der Bahngenauigkeit entwickelt. Die

Verspannung bewirkt, dass die Umkehrspanne nie zeitgleich von

beiden Motoren durchlaufen wird. Diese Eigenschaft wird der neuartigen

Regelungsstruktur zu Grunde gelegt, um den Einfluss der

Umkehrspanne auf die Bahngenauigkeit zu reduzieren.

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Werkzeugmaschinen. Aachen, Shaker. 2002

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[9] WECK, Manfred (Hrsg.); BRECHER, Christian (Hrsg.): Werkzeugmaschinen 3:

Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. 6. neu bearbeitete

Auflage. Berlin Heidelberg : Springer-Verlag; Springer, 2006

[10] ENGELBERTH, Tim; APPRICH, Stefanie; FRIEDRICH, Jens; COUPEK,

Daniel; LECHLER, Armin: Properties of electrically preloaded rack-and-pinion

drives. In: Production Engineering 9 (2015), Nr. 2, S. 269–276

[11] DIN ISO DIN ISO 230-2. 2011. Prüfregeln für Werkzeugmaschinen – Teil 2:

Bestimmung der Positioniergenauigkeit und der Wiederholpräzision der

Positionierung von numerisch gesteuerten Achsen

58 antriebstechnik 3/2018


IM NÄCHSTEN HEFT: 4/2018

ERSCHEINUNGSTERMIN: 18. 04. 2018 • ANZEIGENSCHLUSS: 03. 04. 2018

01

02

03

BLDC Motor

Smart Connectors

Housing

Control Electronics

with Sensor

Gearbox

Software

04

01 Die Nachfrage nach Servoantrieben mit integrierten Sicherheitsfunktionen

steigt, weil Anlagen und Maschinen immer enger mit Menschen

zusammenarbeiten. Eine Plattform hilft nun Herstellern von Servoantrieben

bei der Nachrüstung von erweiterten Sicherheitsfunktionen

02 Warum bieten komplette mechatronische Antriebslösungen viele

Vorteile gegenüber einzelnen Komponenten? Urs Kafader, technischer

Ausbildungsleiter bei Maxon Motor, beschreibt die Entwicklung eines

applikationsspezifischen Motors am Beispiel eines Hüftgelenks für Roboter

Der direkte Weg

im Internet:

www.antriebstechnik.de

als E-Paper:

www.engineering-news.net

Redaktion:

d.schaar@vfmz.de

WORLD OF INDUSTRIES:

www.en.engineering-news.net

03 Mehr Effizienz mit Hybridleitungen: Mit innovativen Schnittstellen-

Lösungen im Bereich der Drehgeber werden Servomotoren noch

effizienter, kompakter und zukunftssicherer

04 Die Qualität und ordnungsgemäße Wartung von Kohlebürsten wirken

sich auf die Laufeigenschaften und Lebensdauer eines Motors aus. Menzel

Elektromotoren erklärt, was sich beim Umgang mit Kohlebürsten in der

Praxis bewährt hat und was häufig zu Problemen führt

(Änderungen aus aktuellem Anlass vorbehalten)

antriebstechnik 3/2018 59


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