Kundenspezifische Lösungen in der Antriebstechnik

Der Weg zur individuellen
Spindel

Kundenspezifische Funktionsmodule machen Servoregler fit für spezielle Aufgaben. Damit erlauben sie eine wirtschaftliche und kompakte Konfiguration von Antriebssystemen, die exakt auf spezielle technische Anforderungen abgestimmt sind. Ein gutes Beispiel liefert an dieser Stelle die Funktionalität von Werkzeugspindeln.
Automatisierungslösungen von Ferrocontrol werden u.a. in Bearbeitungszentren, Schneidmaschinen und Werkzeugmaschinen eingesetzt – Bild 1 zeigt eine typische Ausrüstung für ein Stabbearbeitungszentrum. Die Antriebsserie E°Darc C verfügt über leistungsstarke Wechselrichter für Werkzeugspindeln mit einem Maximalstrom von 16 bis 64A. Die Servoregler sind für synchrone und asynchrone Hochfrequenzspindeln ausgelegt und verfügen bei Bedarf über zusätzliche Funktionen, die der Anbieter für und mit Kunden entwickelt. Der modulare Hardware-Aufbau der Regler erlaubt es, kundenspezifische Module in den Regler einzubringen (Bild 3). Hier stehen unterschiedliche Feldbus-, Geber- oder Safety-Module sowie kundenspezifische Einsteckkarten zur Verfügung. Der Regelalgorithmus und die Signalverarbeitung auf dem Regler wurden mit Matlab-Simulink entworfen und mittels Autocoder auf dem Steuerungs-FPGA implementiert. Das erlaubt per Software-in-the-Loop-Simulation eine unkomplizierte Einbindung spezifischer Funktionen. Die komplette Antriebsregelung wird parallel auf einem FPGA platziert. Hierzu wird ein Autocoder zur Reduzierung des Ressourcenbedarfs eingesetzt.

Vorteile der FPGA-basierten Regelung

Mit dieser quasi-analogen Regelung ergibt sich eine hohe Dynamik auch für die Positions- und Drehzahlregelung, wobei alle Regelschleifen im Takt des Stromreglers (16kHz) arbeiten. Durch den Einsatz von Oversampling-Verfahren für die Positions- und Strommesswert-Erfassung wird außerdem die Regelgüte verbessert, ohne zusätzliche Latenzzeiten innerhalb der Regelschleifen zu generieren. Damit die Messwerterfassung zeitlich und qualitativ verbessert wird, stehen möglichst rauscharme Signale für die Strom- und Positionsregelung zur Verfügung (Bild 2). Im Folgenden wird anhand von vier Beispielen aufgezeigt, wie sich auf Basis dieser modularen Hard- und Software-Plattform kundenspezifische Lösungen für Werkzeugspindeln realisieren lassen.

Beispiel 1: Stillstandwächter

Das eigentliche Gebermodul kann z.B. durch ein Steckmodul mit integriertem sicherem Stillstandwächter (SSW) ergänzt werden (Bild 3), was die sichere Erkennung eines Antriebsstillstands nach SIL2 bzw. PLd ermöglicht. Der SSW wertet die Gebersignale von Hochfrequenzspindeln aus und überwacht so Motoren mit einer Drehzahl von bis zu 40.000min-1. Zum Einsatz kommt das SSW-Steckmodul beispielsweise, um die Sicherheit beim Werkzeugwechsel nach der Maschinenrichtlinie zu gewährleisten. Dann werden sicherheitskritische Szenarien, solange ein Motor dreht oder austrudelt, z.B. über den direkten Anschluss einer Schutztürzuhaltung vermieden. Gegenüber zusätzlichen Lösungen lassen sich hier Kosten sparen, es wird keine separate Sicherheitssteuerung benötigt. Weitere Vorteile sind die Platzersparnis im Schaltschrank und der geringere Verkabelungsaufwand. Auch technologisch hat die analoge Hardware-Lösung Vorteile: Systembedingte Latenzzeiten per Buskommunikation werden vermieden, was die Ansprechzeiten verkürzt.