Antriebstechnik: Effizienzgewinn mit Highspeed-Achsen

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Bei der Planung von Hochleistungsmontageanlagen für die Elektronik-, Medizintechnik-, Automotive- und Konsumgüterindustrie stehen vier zentrale Aspekte im Mittelpunkt: Prozesssicherheit, Taktzeit, kompakte Abmessungen und last but not least die Wirtschaftlichkeit. Gerade die Auswahl der Linearmodule ist in diesem Zusammenhang entscheidend. Während pneumatische Linearachsen üblicherweise nur bis zu zwei Zwischenpositionen bieten, eröffnen Lösungen mit servopneumatischen oder servoelektrischen Antrieben wesentlich größere Gestaltungspielräume. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrisch angetriebenen Linearachsen mit Spindel- oder Zahnriemenantrieb kommen Linearachsen mit Direktantrieb ohne Getriebe aus. Die Antriebskraft wird von spielfreien, hochpräzisen Antriebselementen unmittelbar auf den Schlitten übertragen. Wiederholgenauigkeiten von 0,01 mm sind mit ihnen prozesssicher realisierbar. Sowohl der Hub als auch die Antriebskräfte können individuell definiert und geregelt werden. Vor allem bei häufig wechselnden Teilen zahlt sich diese Flexibilität schnell aus.

Schnellste Positionierung

Um die Auswirkungen unterschiedlicher Antriebe zu untersuchen, hat der Anbieter für Spanntechnik und Greifsysteme Schunk vier NC-Achsen mit annähernd gleicher Nennkraft am Schlitten, einem Hub von 400 mm und einer Nutzlast von 3,5 kg ins Rennen geschickt. Dabei traten zum Teil deutliche Unterschiede zutage. So benötigt eine Linearmotorachse bei fest eingespanntem Führungsprofil und bewegtem Schlitten für einen Hub von 0,2 mm (Toleranz +/- 0,02 mm) gerade einmal 65 ms. Aufgrund der geringen Reibung und Elastizität verläuft die Positionierung ausgesprochen harmonisch. Hingegen führen vergleichsweise lange Einregelzeiten dazu, dass eine servoelektrische Zahnriemenachse auf 75 ms und eine servoelektrische Spindelachse auf 85 ms kommt. Am schlechtesten schneidet in der Versuchsanordnung mit 93 ms die servopneumatische, kolbenstangenlose Achse mit Zylinderantrieb ab. Hier wirkt sich vor allem das unruhige Positionierverhalten in Zusammenhang mit Stick-Slip-Effekten aus. Wird der Positionierhub auf 200 mm erhöht, benötigt die Zahnriemenachse mit 140 ms die kürzeste Positionierzeit, gefolgt von der Linearmotorachse mit 150 ms, der Spindelachse mit 210 ms und der Pneumatikachse mit 240 ms. Wird die Betriebsart auf ein bewegtes Führungsprofil und einen fest eingespannten Schlitten umgestellt, ergeben sich im Hinblick auf die Positionsverläufe keine wesentlichen Veränderungen. Jedoch unterscheiden sich die Positionierzeiten deutlich. So benötigt die Linearmotorachse mit 200 ms die kürzeste Zeit, gefolgt von der Spindel- und Zahnriemenachse mit 210 ms beziehungsweise 220 ms sowie der Pneumatikachse mit 300 ms. Bezogen auf die Positionierqualität zeigt sich eine klare Überlegenheit von Linearmotorachsen sowohl bei extrem kurzen Hüben von 0,2 mm als auch bei Hüben bis 400 mm (Tabelle 1).

Bis zu 78 Prozent geringere ­Energiekosten

Auch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit schneiden Linearmotorachsen hervorragend ab. Zwar liegt der Invest rund 35 Prozent über dem von servopneumatischen Achsen, doch sind im laufenden Betrieb Energieeinsparungen von bis zu 78 Prozent möglich (Kalkulationsgrundlage: Druckluft: 0,019 Euro/Nm3; Strom: 0,14 Euro/kWh). Während die Energiekosten einer Pneumatikachse bei einem Hub von 2 x 400 mm, einer Zykluszeit von 0,76 s und einem zweischichtigen Betrieb über einen Zeitraum von fünf Jahren bei 6.040 Euro liegen, kommt die Linearmotorachse unter identischen Bedingungen auf 1.344 Euro. Berücksichtigt man zusätzlich die Kosten für Inbetriebnahme und Service, so führt die Linearmotorachse auch in punkto Wirtschaftlichkeit das Feld an, gefolgt von der Spindel- und Zahnriemenachse (Tabelle 2).

Highspeed-Module der nächsten Generation

Die neuesten Schunk-Linearmotorachsen der Baureihe LDx schöpfen die Möglichkeiten des Lineardirektantriebs voll aus. Verglichen mit früheren Baureihen konnte die Nennkraft mithilfe leistungsstarker Servomotoren noch einmal um 15 Prozent gesteigert werden. Fast alle Module lassen sich mit Absolutwertgebern ausstatten, die eine exzellente Wiederholgenauigkeit von 0,01 mm gewährleisten. Mit ihnen entfallen aufwändige Referenzfahrten beim Hochfahren der Anlage sowie nach Not-Stopps. Zudem benötigen die Module weder End- noch Referenzsensoren, so dass sich die Investitionskosten, der Programmieraufwand und die Anzahl der Kabel im Kabelsatz verringern. Da auf einem Führungsprofil auch mehrere frei programmierbare Schlitten platziert werden können, lassen sich mit Schunk-LDx-Modulen besonders kompakte und kosteneffiziente Konzepte realisieren.
In ihrem Umfang einzigartig ist die Modul- und Variantenvielfalt der Schunk-LDx-Baureihe. So gibt es die Achsen auf Wunsch mit Doppelmotor, Langschlitten, mechanischer Unterstützung für eine erhöhte Steifigkeit sowie mit Feststellbremse für den Einsatz als Z-Achse. Die Basis bilden die drei Schunk-Linearmodule LDN, LDM und LDT mit einem maximalen Nutzhub von 2.800 mm, einer maximalen Beschleunigung von 40 ms-2 und einer Höchstgeschwindigkeit von 4 ms-1. Ausgestattet mit X-Profil erreicht die Basisvariante des LDN-Moduls, das sich für Horizontalbewegungen von Nutzlasten bis 25 kg eignet, eine maximale Antriebskraft von 250 N und eine maximale Nennkraft von 100 N. Für mittlere Lasten ausgelegt ist das mit breitem Doppel-X-Profil ausgestattete LDM-Modul (maximale Nutzlast horizontal 40 kg), bei dem die Basisvariante Antriebskräfte bis 500 N und Nennkräfte bis 200 N erzielt. Das LDT-Modul hat ein dreifaches X-Profil und eignet sich insbesondere für die Handhabung schwerer Lasten bis 50 kg. Hier erzielt die Basisvariante Antriebskräfte bis 750 N und Nennkräfte bis 280 N. Mithilfe verschiedener Optionen lässt sich die Antriebskraft auf bis zu 1.500 N und die Nennkraft auf bis zu 500 N erhöhen. Alle drei Module können sowohl horizontal als auch vertikal eingesetzt werden, wahlweise mit statischem Profil und bewegtem Schlitten oder mit statischem Motor und bewegtem Profil. Darüber hinaus gibt es drei Spezialisten: Das LDL-Modul baut mit einer Maximalhöhe von 66 mm besonders flach und eignet sich für Nutzhübe bis 3.800 mm. Die beiden Kurzhubmodule LDK und LDH wiederum sind für kleine Lasten konzipiert, die in Z-Richtung hochdynamisch über kurze Strecken bewegt werden sollen. Ihr maximaler Nutzhub beträgt 400 mm beziehungsweise 200 mm. Standardmäßig werden die Achsen mit Bosch-Rexroth-IndraDrive-Reglern angesteuert, optional ist auch ein Siemens-Sinamics-S120-Umrichter möglich. Da Schunk alle LDx-Module mit den Standardschnittstellen Profibus, Sercos III, Profinet IO, EtherNet/IP und EtherCat anbietet, lassen sich die Module schnell und einfach in übergeordnete Anlagensteuerungen einbinden.

Individuelle Analyse sinnvoll

Als Spezialanbieter für Spanntechnik und Greifsysteme offeriert Schunk ein umfassendes Modulprogramm für jede denkbare Pick & Place-Anwendung. Eine neutrale Analyse stellt sicher, dass Anwender eine maßgeschneiderte und zugleich wirtschaftliche Lösung erhalten. Für eine erste Einschätzung genügt dazu die Angabe der Hübe, der Massen und der geforderten Taktzeiten. Aus diesen drei Angaben entwickeln die Experten bei Schunk schnell eine optimale Lösung. Für besonders anspruchsvolle Aufgaben erarbeitet das Unternehmen zudem Lösungen mit unterschiedlichen Antrieben, mit 3-Achs-Systemen oder Flächenportalen. Das umfassende Baukastenprogramm des innovativen Familienunternehmens stellt sicher, dass vom Greifer über das Drehmodul bis zur Linear­achse alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. (anm)

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