Auch wenn „good vibrations“ für viele Menschen verlockend klingen – bei Industrierobotern und Maschinensystemen, die anfällig für Schwingungen sind, stört jede überflüssige Bewegung. Häufig beeinflussen Schwingungen das Positionsregelungssystem und verursachen Instabilitäten im System. Zurückzuführen sind Schwingungen in Industrieanwendungen in der Regel auf Resonanzfrequenzen und nicht lineare Kräfte, die von Robotergelenken oder Maschinenkupplungen ausgehen. Die steigenden Taktraten und die Leichtbauweise von modernen Maschinen erhöhen die Schwingneigung oft noch zusätzlich.
Schwingungen unterdrücken
Bei Portalrobotern kommen beispielsweise immer häufiger relativ „instabile“ Konstruktionen zum Einsatz, die Kosten und Gewicht einsparen sollen. In solchen Anwendungen mit überhängenden Lasten können die flexiblen Gelenke zwischen dem Endeffektor und den Portalroboterachsen jedoch bei jedem Stopp- oder Umkehrpunkt übermäßige Schwingungen verursachen. Damit eine ausreichende Genauigkeit gewährleistet ist, muss die Maschine dann solange pausieren, bis die Schwingungen abgeklungen sind.
Um die maximale Kapazität eines Systems auszuschöpfen, müssen die Einschwingzeiten also so kurz wie möglich sein. In seinen Servoantrieben der CDHD-Reihe hat Servotronix dies mit einer neuen Funktion erreicht: Das Unternehmen hat eine Schwingungsunterdrückung entwickelt, die Systeme schnell stabilisieren soll, die Schwingungen mit konstanter Frequenz erzeugen. Sie ermöglicht eine genaue Bahnführung und gleichförmige und leise Bewegungen. Proprietäre Algorithmen reduzieren dabei Schleppfehler und die Einschwingzeit der Last für einen höheren Maschinendurchsatz.
Die Schwingungsunterdrückung hat Servotronix als Regelkreis implementiert. Dieser erkennt Schwingungen und dämpft diese, sobald sie auftreten. Schwankungen der Resonanzfrequenz ignoriert die Funktion. Aufgrund der aktiven Dämpfung von Schwingungen der montierten Last sind die Antriebe der CDHD-Reihe nun in der Lage, eine schwere Last oder einen Endeffektor an der Zielposition in wesentlich kürzerer Zeit einzuschwingen. Dies führt möglicherweise zu größeren Nachlauffehlern am Geber. Dennoch verbessert sich mit Hilfe der neuen Funktion die an der Lastposition betrachtete Gesamtleistungsfähigkeit des Systems.
In vier Phasen stabilisiert
Der Prozess zur Schwingungsunterdrückung ist in vier Phasen unterteilt. In der ersten Phase werden Störeinflüsse am System anhand von Eingangsvariablen wie Positionsfehler und Strom erkannt. Daraufhin wird ein Störungswert berechnet, der in der zweiten Phase durch einen Schmalbandfilter geführt wird. Auf diese Weise ermittelt die Funktion Störeinflüsse, die auf die Systemschwingungen zurückzuführen sind. Die Mittenfrequenz und die Bandbreite das Bandpassfilters werden anhand von zwei Parametern festgelegt. In der dritten Phase werden die Korrekturparameter berechnet, die schließlich in der vierten und letzten Phase den Regelparametern in Form eines dämpfenden Verstärkungsparameters hinzugefügt werden.
Für hochfrequente Schwingungen kommen in den CDHD-Servoantrieben von Servotronix standardmäßige Tiefpass- und Kerbfilter zum Einsatz. Die herstellereigene Funktion der Schwingungsunterdrückung wurde entwickelt, um Schwingungen zu regeln, die auf tiefe Resonanzfrequenzen im Bereich von 5 bis 400 Hertz zurückzuführen sind und um Systeme zu dämpfen, in denen mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen auftreten.
Die Schwingungsunterdrückung wird automatisch über die Selbstoptimierung des Antriebs umgesetzt. Dabei misst die Funktion zunächst die Schwingungsfrequenz und legt eine Schwingungsunterdrückungsfrequenz fest. Anschließend hebt die Funktion solange schrittweise eine entsprechende Verstärkung an, bis ein Dämpfungseffekt eintritt. Über die grafische Benutzeroberfläche der Servotronix-Software Servostudio können Benutzer die Einstellungen überwachen und manuell anpassen.
Keine Last mehr mit der Last
Die Methodik zur Schwingungsunterdrückung dient dazu, die Leistungsfähigkeit in Servosystemen zu verbessern, in denen eine Last über eine bewegliche Kupplung an das System gekoppelt ist. Zwar ist diese Art der Ankopplung sehr flexibel. Wenn jedoch die Servoregelung des Motors auf Positionierfehler nahe Null gesetzt ist, treten bei der Last an jeder Position starke Schwingungen auf. Zudem erzeugt jede Beschleunigungsänderung einen Ruckt, durch den die Lastschwingung noch weiter verstärkt wird.
In Roboteranwendungen, in denen schwere Lasten zu Bahnabweichungen führen, hat sich diese Funktion bereits als effektiv erwiesen: Bisher waren deutliche Abweichungen von der gewünschten Bahn zu erkennen, mit der Funktion wird die Bahn nun präzise und gleichförmig abgefahren. Auch in Automatisierungsanwendungen mit überhängenden Lasten, oder Anwendungen, in denen Kugelrollspindeln, riemengetriebene Linearschlitten oder eine nicht starre Kupplung zwischen Motor und Last zum Einsatz kommen, besteht das Risiko von übermäßigen Schwingungen.
Mit der standardmäßig implementierten Schwingungsunterdrückung können die CDHD-Antriebe von Servotronix nun die Zykluszeit und Performance solcher Anwendungen verbessern. Davon profitieren auch Maschinen, die in Bereichen wie der Elektronikmontage, der Halbleiter- und Werkzeugmaschinenindustrie sowie in der Laborautomatisierung zum Einsatz kommen.
