Abkantpresse

Servosysteme sind eine entscheidende Komponente elektromechanischer Produkte und bieten die höchsten Werte hinsichtlich dynamischer Reaktionsfähigkeit und Drehmomentdichte. Daher besteht der Entwicklungstrend bei Antriebssystemen darin, herkömmliche hydraulische, Gleichstrom-, Schrittmotor- und drehzahlregelbare Wechselstromantriebe durch AC servo drives zu ersetzen, um ein neues Leistungsniveau des Systems zu erreichen – darunter kürzere Zykluszeiten, höhere Produktivität, bessere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer. Um eine bessere Leistung von Servomotoren zu erzielen, ist es unerlässlich, deren Einsatzmerkmale zu verstehen.

Häufige Probleme mit Servomotoren im Einsatz

Problem 1: Geräuschentwicklung und Instabilität

Kunden erleben häufig übermäßigen Lärm und instabile Betriebsbedingungen bei der Verwendung von Servomotoren in Maschinen. Viele Anwender reagieren zunächst mit der Annahme, der Servomotor sei von schlechter Qualität; gelegentlich führt der Austausch gegen einen Schrittmotor oder einen Drehzahlreglermotor zu deutlich geringerem Lärm und weniger Instabilität. Oberflächlich betrachtet scheint dies ein Fehler des Servomotors zu sein, doch eine sorgfältige Analyse seines Funktionsprinzips zeigt, dass diese Schlussfolgerung völlig falsch ist.

Ein Wechselstrom-Servosystem umfasst: einen Servoantrieb, einen Servomotor und einen Rückführsensor (in der Regel verfügen Servomotoren über einen integrierten optischen Encoder). Alle diese Komponenten arbeiten innerhalb eines geschlossenen Regelkreises: Der Antrieb empfängt Parameterinformationen von außen, liefert dann einen bestimmten Strom an den Motor, der diesen Strom in Drehmoment umwandelt, um die Last anzutreiben. Die Last bewegt sich oder beschleunigt/verzögert entsprechend ihren eigenen Eigenschaften. Sensoren messen die Position der Last, wodurch der Antrieb den Sollwert mit dem tatsächlichen Positions-Wert vergleicht. Anschließend wird durch Anpassung des Motorstroms sichergestellt, dass der tatsächliche Positions-Wert mit dem Sollwert übereinstimmt. Wenn eine plötzliche Laständerung eine Geschwindigkeitsänderung bewirkt, erkennt der Encoder diese Änderung und reagiert unverzüglich auf den Servoantrieb. Der Antrieb passt daraufhin den an den Servomotor gelieferten Strom an, um der Laständerung Rechnung zu tragen, und stellt die vorgegebene Geschwindigkeit wieder her. Ein Wechselstrom-Servosystem ist ein hochgradig reaktionsfähiges, vollständig geschlossenes Regelkreis-System. Die Verzögerung zwischen Lastschwankungen und Geschwindigkeitskorrektur ist sehr gering. Daher stellt die Übertragungszeit der mechanischen Verbindungselemente die eigentliche Begrenzung für die Systemreaktion dar.

Problem Zwei: Trägheitsanpassung

Trägheitsprobleme treten häufig bei der Auswahl und Inbetriebnahme von Servosystemen auf!

Konkret äußern sie sich wie folgt:

1. Bei der Auswahl eines Servosystems müssen neben Faktoren wie Motordrehmoment und Nenndrehzahl auch die auf die Motorwelle bezogene Trägheit des mechanischen Systems berechnet werden. Anschließend wählen wir, basierend auf den tatsächlichen mechanischen Bewegungsanforderungen sowie den Qualitätsanforderungen an die bearbeiteten Teile, einen Motor mit einem geeigneten Trägheitswert aus.

2. Während der Inbetriebnahme (im manuellen Modus) ist die korrekte Einstellung des Trägheitsverhältnis-Parameters Voraussetzung, um die optimale Leistung des mechanischen und des Servosystems vollständig auszuschöpfen. Dies ist insbesondere bei Systemen mit hohen Anforderungen an Geschwindigkeit und Präzision deutlich erkennbar (Delta-Servo-Trägheitsverhältnis-Parameter: 1–37, JL/JM).

Auswirkung: Die Trägheit der Übertragung beeinflusst die Genauigkeit, Stabilität und dynamische Reaktion des Servosystems. Eine hohe Trägheit führt zu einer großen mechanischen Zeitkonstante, einer langsamen Reaktion sowie einer Verringerung der Eigenfrequenz des Systems, wodurch Resonanz leichter auftritt. Dadurch wird die Servobandbreite eingeschränkt und sowohl die Servogenauigkeit als auch die Ansprechgeschwindigkeit beeinträchtigt. Eine gezielte Erhöhung der Trägheit ist lediglich vorteilhaft, um das Kriechverhalten bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern. Daher sollte die Trägheit im Rahmen der mechanischen Konstruktion so gering wie möglich gehalten werden, ohne die Steifigkeit des Systems zu beeinträchtigen.

Wie man die dynamischen Eigenschaften eines mechanischen Systems bestimmt: Bei der Messung der dynamischen Eigenschaften eines mechanischen Systems gilt: Je kleiner die Trägheit, desto besser ist die dynamische Reaktion des Systems; je größer die Trägheit, desto höher ist die Belastung des Motors und desto schwieriger ist die Regelung. Die Trägheit des mechanischen Systems muss jedoch mit der Trägheit des Motors abgestimmt sein. Verschiedene Mechanismen erfordern unterschiedliche Prinzipien für die Trägheitsanpassung, und diese Wahl hat jeweils unterschiedliche Auswirkungen.

Beispielsweise führt bei einer CNC-Bearbeitungszentrale mit Servomotor für Hochgeschwindigkeitsschneiden eine Erhöhung der Lastträgheit zu folgenden Effekten:

1. Wenn sich Steuerbefehle ändern, benötigt der Motor länger, um die durch den neuen Befehl geforderte Drehzahl zu erreichen;

2. Bei schnittenförmigem Schnitt entlang zweier Achsen treten erhebliche Fehler auf. Unter normalen Bedingungen treten die genannten Probleme im Allgemeinen nicht auf, sofern JL ≦ JM ist.

3. Wenn JL ≥ 3 × JM, nimmt die Regelbarkeit des Motors deutlich ab, insbesondere bei hochgeschwindigkeitsbasiertem Kurvenschneiden.

Unterschiedliche mechanische Aktionen und Anforderungen an die Bearbeitungsqualität erfordern unterschiedliche Verhältnisse zwischen JL und JM. Die Bestimmung der Trägheitsanpassung muss auf den mechanischen Prozessmerkmalen und den Anforderungen an die Bearbeitungsqualität beruhen.

Frage 3: Auswahl des Servomotors

Nach der Auswahl des mechanischen Getriebes müssen Modell und Größe des Servomotors ausgewählt und bestätigt werden.

(1) Auswahlbedingungen

Im Allgemeinen müssen bei der Auswahl eines Servomotors folgende Bedingungen erfüllt sein:

1. Maximale Motordrehzahl > maximale erforderliche Systemdrehzahl.

2. Trägheitsmoment des Motorrotors passt zur Lastträgheit.

3. Stetiges Lastbetriebsdrehmoment ≤ Nenn-Drehmoment des Motors.

4. Maximales Motorausgangsdrehmoment > maximales erforderliches Systemdrehmoment (Drehmoment während der Beschleunigung).

(2) Auswahlsberechnung

1. Trägheitsanpassungsberechnung (JL/JM)

2. Drehzahlberechnung (Lastenddrehzahl, Motorenddrehzahl)

3. Lastmomentberechnung (kontinuierliches Lastbetriebsmoment, Moment während der Beschleunigung)