Mechatronik: Die fünf wichtigsten elektrischen Überlegungen für Maschinenbauingenieure

Jun 25, 2023

By Design World Staff | 9. August 2010

Von Dan Throne, Vertriebs- und Marketingmanager, Elektrische Antriebe und Steuerungen

Zuvor haben wir mechanische Überlegungen für Elektroingenieure behandelt. Jetzt geben wir der anderen Seite die Möglichkeit zu Wort. Hier sind fünf gezielte Ratschläge für Maschinenbauingenieure, die für elektromechanische Systeme verantwortlich sind, aus der Sicht eines Elektroingenieurs.

Ein klares Design gleicht Masse und Bewegung aus: Ein robuster, langlebiger Rahmen hält jahrelang Vibrationen und Stößen stand, in Kombination mit leichteren Komponenten trägt er dazu bei, die Masse zu reduzieren und die Verwendung kleinerer Motor-/Antriebskomponenten zu ermöglichen.

Mechatronische Systeme integrieren auf intelligente Weise mechanische und elektrische Elemente, um immer komplexere und anspruchsvollere Funktionen auszuführen. Beim Entwurf elektromechanischer Systeme neigen Maschinenbauingenieure und Elektroingenieure möglicherweise dazu, den Schwerpunkt auf die Technologien, Komponenten und Konstruktionsprinzipien ihres jeweiligen Fachgebiets zu legen – was zu Systemen mit höheren Betriebskosten, erhöhtem Wartungsaufwand und nicht optimaler Leistung führen kann. Als Elektroingenieur, der OEMs und Hersteller bei der Entwicklung und dem Bau mechatronischer Systeme unterstützt, habe ich gesehen, wie Ineffizienzen und unnötige Komplexität unbeabsichtigt in Maschinen eingebaut werden können.

Bessere mechatronische Systeme können geschaffen werden, wenn Maschinenbauingenieure beim Entwurf von Fertigungssystemen fünf entscheidende Konzepte berücksichtigen, um den größtmöglichen Nutzen und die größtmögliche Effizienz zu erzielen, die elektronische Systeme für den Fertigungsprozess bieten können.

1: Erstellen Sie ein klares Design. Gutes Mechatronik-Design beginnt mit einem guten mechanischen Design – die besten elektronischen und elektrischen Systeme können ein schlechtes mechanisches Design nicht kompensieren. Die erfolgreichsten Designs sind „sauber“. Sie verfügen über einen starken, steifen Rahmen und nutzen Materialien und Strukturprinzipien, um sicherzustellen, dass die Maschine unabhängig von der Bewegung eine langfristige Stabilität aufweist.

Stellen Sie sicher, dass starre Lager und Halterungen verwendet werden, wenn Motoren an Maschinen montiert werden. Dadurch wird verhindert, dass Wellen aufgrund von Mikrofrakturen abscheren, die entstehen, wenn die Motorwelle nicht richtig mit einem Stehlager oder dem Getriebeeingangsplanetenrad montiert ist. Platzieren Sie die Motoren an der besten Stelle an der Maschine, damit Bediener nicht versehentlich auf Kabel und Anschlüsse treten und Schäden verursachen. und entwerfen Sie Maschinenschutzvorrichtungen mit einfachen Zugangspunkten, um zu den Motoren zu gelangen, die unter der Flügelbasis der Maschine montiert sind, und sie gleichzeitig vor rauen Umgebungsbedingungen zu schützen.

Am wichtigsten ist, dass ein klares Design Masse und Bewegung in Einklang bringt: ein robuster, langlebiger Rahmen, der jahrelang Vibrationen und Stößen standhält, kombiniert mit leichteren Komponenten für die beweglichen Teile der Maschine. Diese Kombination trägt dazu bei, die Masse zu reduzieren, sorgt für eine energieeffizientere Bewegung und erleichtert die Dimensionierung kleinerer Motor-/Antriebskomponenten für die Maschine. Wir haben im Laufe der Jahre viele sehr innovative mechanische Maschinenkonstruktionen gesehen, und ein klares Design trägt am meisten zur Langlebigkeit, Robustheit und niedrigsten Gesamtbetriebskosten einer Maschine bei.

2: Koppeln Sie den Motor direkt an die Last. Effektive Mechatronik beginnt mit einem „sauberen“ Design. In der Vergangenheit wurden Maschinen oft um einen einzelnen Wechselstrommotor herum gebaut, der eine Maschinenwelle antreibt, an der Getriebe, Riemenscheiben, Kettenräder, Kettenantriebe und andere mechanische Geräte angebracht waren, um einzelne Bereiche der Maschine synchron zu bewegen – ein Ansatz zur Antriebsleistung in der Fertigung das lässt sich buchstäblich bis zum Beginn der industriellen Revolution zurückverfolgen.

Ein klares Design trägt am meisten zur Langlebigkeit, Robustheit und niedrigsten Gesamtbetriebskosten einer Maschine bei.

Erwägen Sie den Ersatz dieser Architektur durch einzelne Servomotoren, die direkt an die zu bewegende Last gekoppelt sind. Diese Idee bietet zahlreiche Design-, Maschinenkosten- und Betriebsvorteile (die überraschend viele Maschinendesigns nicht nutzen). Berücksichtigen Sie zunächst die Kosten: Jedes Mal, wenn Sie ein Getriebe hinzufügen, fallen mehrere Kosten an: Es stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar, es muss geschmiert werden und es werden Ersatzteile benötigt. Darüber hinaus kommt bei jedem Produktwechsel ein mechanisches Spiel hinzu, das bei der Maschineninbetriebnahme ausgeglichen werden muss – eine Komplexität der Bewegungs- und Achsensynchronisation, die durch die heutigen intelligenten Antriebe und Servomotoren beseitigt wird.

Wenn Sie Servomotoren strategisch so nah wie möglich an dem Bewegungsbereich platzieren, den sie bedienen, werden die Mehrkosten für elektrische Antriebskomponenten fast vollständig ausgeglichen, indem die Kosten für mechanische Komponenten und Arbeitskräfte entfallen, die gekauft, bearbeitet, montiert und konfiguriert werden müssen. Insbesondere die Tatsache, dass nicht mehrere Sätze von Kettenrädern, Zahnrädern und Nocken auf Lager gehalten werden müssen, sowie der Zeitaufwand für Umrüstungen bei mechanischen Antrieben können die Gesamtbetriebskosten der Maschine erheblich senken.

Letztendlich reduziert dieser Konstruktionsansatz Windup und Spiel erheblich und verkürzt die Zeit für die Inbetriebnahme der Maschine. Mit den aktuellen, hochmodernen Direktantrieben, Direktmotoren und Linearmotoren können Sie höhere Verstärkungen erzielen und die Leistung der Maschine verbessern.

Überlegung Nr. 3: Verwenden Sie elektronische Getriebe und Nockenwellen. Heutige elektronische Antriebe und Bewegungssteuerungsplattformen geben Maschinenbauingenieuren ein leistungsstarkes, flexibles Werkzeug an die Hand, um die Genauigkeit und Leistung der von Ihnen entworfenen Maschinen zu verbessern. Mit dieser Technologie können Sie eine virtuelle „elektronische Antriebswelle“ erstellen, die alle Antriebe und Motoren der Maschine elektronisch synchronisieren kann und so die mechanische Antriebswelle überflüssig macht. Dabei können Sie die Synchronisierung und Genauigkeit der Achsen erheblich verbessern – von 1/16 oder 1/32 Zoll, wie sie bei mechanischen Wellenwellen üblich sind, bis hin zu einer Bewegungsgenauigkeit im Bereich von Hundertstel oder sogar Tausendstel Zoll bei elektronischen Wellenwellen.

Und diese Synchronisierung kann ohne mechanisches Spiel – und mit weniger Produktstaus – erreicht werden. Außerdem entfällt eine Vielzahl mechanischer Anpassungen, um die Maschine online zu bringen, sowie die Anpassungen des Bedieners bei jedem Stopp und Neustart der Maschine.

Elektronische Getriebe und Nockenschaltungen machen den Maschinenwechsel vollständig programmierbar: Durch den Einsatz der FlexProfile-Technologie können Bediener beispielsweise Maschinenrezepte mit einem Knopfdruck auf dem HMI-Bildschirm laden, und die Änderungen werden im Steuerungs- und Servosystem vorgenommen, um das nächste Produkt auszuführen .

Die FlexProfile-Kurventechnologie ermöglicht die Erstellung mehrsegmentiger Nockenprofile auf der Grundlage von Positions-, Geschwindigkeits- oder zeitbasierten Bewegungsprofilen. Wenn Sie einen Abschnitt der elektronischen Kurvenscheibe durch eine Rezeptänderung über die HMI ändern, optimiert die Steuerungsplattform automatisch den Rest des Kurvenscheibenprofils für alle Bewegungselemente der Maschine. Dies ermöglicht der Maschine eine kürzere Zykluszeit oder sorgt für eine gleichmäßigere Maschinendynamik, selbst wenn eine Änderung aufgetreten ist, wie z. B. eine andere Beutelversiegelungszeit oder die Position der Lascheneinstecknocken an einer Kartoniermaschine.

Überlegung Nr. 4: Einbindung energieeffizienter Technologie Einer der am schnellsten wachsenden Kostenfaktoren für jeden Fertigungsbetrieb ist die Energie – und ein gutes mechatronisches Design kann durch den Einsatz elektrischer Antriebs- und Motorsysteme, die auf Energieeinsparung ausgelegt sind, dabei helfen, diese Kosten zu kontrollieren.

Bei Maschinen, die Servomotoren verwenden, die direkt mit kritischen Bewegungsachsen gekoppelt sind und die auch elektronische Synchronisierung und Nockensteuerung verwenden, kann die richtige Dimensionierung des Servosystems eine äußerst energieeffiziente Maschine schaffen.

Die richtige Dimensionierung erfordert eine genaue Beurteilung mehrerer Bewegungsfaktoren (Motor für Motor): Wie schnell die Achse beschleunigen muss, wie groß die Masse ist, die Sie bewegen möchten, und wie präzise die Beschleunigung und Verzögerung sein müssen. Eine Unterdimensionierung führt zu Belastungen der Antriebe und Motoren; Bei Überdimensionierung wird zu viel Strom verbraucht, um zu wenig Arbeit zu leisten.

Einige der modernsten Systeme von heute, wie die integrierten Antriebs-/Motorsysteme IndraDrive Mi von Rexroth, verfügen über eine äußerst energieeffiziente Funktion: Bus-Sharing. Mehrere Laufwerke sind miteinander verkettet und teilen sich die Stromversorgung über denselben Bus; Bei vielen mehrachsigen Maschinen beschleunigen einige Motoren auf Drehzahl (Stromaufnahme), während andere abbremsen (Rückgewinnungsleistung). Beim Bus-Sharing muss die Leistung nicht den beschleunigenden Motoren zugeführt und die verlangsamenden Motoren über einen Entladewiderstand in Wärme umgewandelt werden, sondern die Leistung wird geteilt, sodass der Stromverbrauch der Maschine deutlich reduziert wird.

Eine weitere energieeffiziente Technologie sind sogenannte regenerative Stromversorgungen. Bei vielen Maschinen bremsen mehrere Servomotoren gleichzeitig ab, wodurch die Spannung auf dem Leistungsbus auf ein überhöhtes Niveau ansteigt. Elektrische Antriebe der älteren Generation würden diese überschüssige elektrische Energie als Wärme abgeben, wodurch Strom verschwendet und die Wärmeproduktion in der Fabrik erhöht würde, was eine zusätzliche Kühlung des Schaltschranks erforderlich machen würde. Mit regenerativen Stromversorgungen, die an ein gemeinsames Bussystem gekoppelt sind, kann der früher verschwendete Strom nun über den gemeinsamen Bus zurückgespeist und an das Elektrizitätsunternehmen verkauft werden.

Durch die Verwendung von Direktantrieb, Direktmotoren und Linearmotoren im Vergleich zu mechanischen Kupplungen können Sie ein System entwerfen, das höhere Gewinne erzielt.

Überlegung Nr. 5: Verwenden Sie HMIs für eine bessere Fehlerbehebung. Benutzerfreundliche Intelligenz ist jetzt über die heutigen Touchscreen-HMIs verfügbar. Maschinenlayoutzeichnungen und Schaltpläne können in Steuermenüs und Diagnosetools integriert werden, um den täglichen Betrieb und die Fehlerbehebung der Maschine besser zu verwalten. Zeichnungen und interaktive Lehrtools können nicht nur den genauen Punkt zeigen, an dem ein Problem liegt, sondern sie können den Bediener auch durch die Aufgaben führen, um die Produktion wieder aufzunehmen.

Fortschrittliche Grafiken wie diese können mit der verteilten Intelligenz servomotorisch angetriebener Maschinen kombiniert werden, um Maschinenausfälle oder Störungen zu verhindern, bevor sie auftreten. Mit einer solchen vorausschauenden Wartung können Sie oder Maschinenentwickler mit dieser Funktion Fehlertoleranzbänder in Antrieben festlegen und dann die Antriebsleistung überwachen. Elektrische Antriebe und Motoren ermöglichen die Überwachung eines breiten Spektrums von Bedingungen – Bedingungen, die in direktem Zusammenhang mit der mechanischen Leistung stehen; Schwankungen bei Last, Temperatur, Vibration, Drehmoment, Riemenspannung und Zahneingriff sind alles mechanische Ereignisse, die Änderungen im Drehmomentprofil eines elektrischen Antriebs und Motors erzeugen, der diese Maschinenelemente bewegt. Maschinenbauingenieure können für diese Komponenten Toleranzbereiche festlegen. Wenn diese überschritten werden, können den Bedienern über die HMI Warnungen zur vorausschauenden Wartung klar und intelligent angezeigt werden, zusammen mit spezifischen Ratschlägen zu den nächsten Schritten, die zur Behebung des Problems zu ergreifen sind, bevor es zu einem ernsten Problem wird Produktionsproblem oder etwas, das die Maschine beschädigen kann.

Mit dem integrierten Motor-/Antriebssystem IndraDrive Mi von Rexroth werden mehrere Antriebe miteinander verkettet und teilen sich die Stromversorgung über denselben Bus, wodurch der Energieverbrauch erheblich gesenkt wird.

Kombination von Technologien für optimale Wertschöpfung Jedes elektromechanische System sollte seine vorgesehene Funktion mit dem minimalen Einsatz von Energie, Bewegung und Komponenten erfüllen, die für die Erledigung der Aufgabe erforderlich sind – das ist das grundlegende Ziel eines jeden Ingenieurs. Elektrische Antriebs- und Servomotorsysteme bieten heute eine Fülle zuverlässiger, energieeffizienter und digital intelligenter Plattformen, um die integrierte Vision der Mechatronik zu mehr Wert und innovativeren Fertigungs- und Automatisierungslösungen voranzutreiben.

Hoffentlich zeigen die fünf hier beschriebenen Überlegungen die Vorteile, die die heutigen elektrischen Antriebe und Steuerungen bieten, und helfen Ihnen dabei, bestimmte mechanische Konstruktions- und Konstruktionsherausforderungen zu vereinfachen und neue Ressourcen für die Förderung von Innovation und Kreativität im Maschinendesign bereitzustellen.

Lesen Sie hier >> einen verwandten Artikel über die „Top 5 mechanischen Überlegungen für Elektroingenieure“.

Bosch Rexroth AGwww.boschrexroth-us.com

::Designwelt::