Damit der Werkzeugwechsel von Innenrundschleifmaschinen reibungslos funktioniert, speichert der Frequenzumrichter die jeweiligen Motorparameter.

Damit der Werkzeugwechsel von Innenrundschleifmaschinen reibungslos funktioniert, speichert der Frequenzumrichter die jeweiligen Motorparameter.Sieb&Meyer

Für Nischenanwendungen sind die auf den Massenmarkt ausgerichteten Standard-Frequenzumrichter keine oder nur eine suboptimale Lösung. In jedem Fall zwingen sie den Betreiber zu Kompromissen hinsichtlich Leistung, Bauform und Funktionsumfang. „Gerade spezialisierte Unternehmen wie Hersteller von Turboverdichtern und Vakuumpumpen benötigen auf ihre Anwendung zugeschnittene Frequenzumrichter“, erläutert Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei Sieb & Meyer, einem Hersteller für Antriebselektronik. „Hier setzen wir mit unseren Produkten an, die wir in enger Abstimmung mit dem Kunden konstruieren und in flexiblen Stückzahlen fertigen.“ Das Unternehmen hat sich auf diese Lösungen spezialisiert. Es entwickelt die kundenspezifischen Frequenzumrichter vor allem auf Basis seiner Antriebsverstärker-Baureihe SD2S. Diese eignet sich für Hochgeschwindigkeits-Applikationen, da sie deren hohe Anforderungen hinsichtlich Motorverlusten und Dynamik erfüllen. Die Verstärker bieten eine dynamische sensorlose Regelung von HS-Asynchron- sowie Synchronmotoren und lassen sich bei Ausgangsfrequenzen bis zu 8.000 Hz (480.000 1/min bei einem zweipoligen Motor) einsetzen.

Hohe Drehzahl bei geringer Erwärmung

„Unsere Arbeit beginnt bei der kundenspezifischen Bauart und Funktionalität“, erklärt Blankenburg. „Auch eine abweichende Geräte-Topologie für Systeme mit geregeltem Zwischenkreis und Multi­level-Endstufen gehört zu unserem Angebot.“ Auf Anfrage integriert der Hersteller auch Halbleiter und Komponenten wie Sigma-Delta-Wandler für die Strommessung mit hoher Grenzfrequenz, um die notwendige hochdynamische Regelung zu erreichen. Das Unternehmen setzt auch FPGAs und Mikroprozessoren ein, um bei hohen Ausgangsfrequenzen dynamisch regeln zu können.

Beim Betrieb von Synchronmotoren in Lasergebläsen mit bis 100.000 1/min gilt es, eine übermäßige Erwärmung der Motoren beziehungsweise Spindeln zu vermeiden. Derart hoch drehende Motoren lassen aufgrund des geringen Rotorvolumens nur eine geringe Erwärmung zu. Denn Rotor beziehungsweise Welle würden die entstandene Wärme abstrahlen, was sich neben der thermischen Belastung der Spindel auch in einer verminderten Produktionsgenauigkeit auswirken würde. Darum ist eine geringe Erwärmung essenziell für einen robusten Betrieb. Der SD2S stellt durch geringe Oberwellen sicher, dass diese Erwärmungsprobleme erst gar nicht entstehen.

Unter anderem bei Innenrundschleifmaschinen bestehen spezielle Anforderungen an den Frequenzumrichter: Sie erfordern zum Beispiel einen sensorlosen Betrieb von Asynchron- und Synchronspindeln bis 250.000 1/min. Eine weitere wichtige Rolle spielt die Flexibilität der Maschine: Ein einfacher und schneller Wechsel zwischen unterschiedlichen Schleifspindeln muss möglich sein. Entsprechend sollten sich verschiedene Motorparametersätze speichern lassen. „Oftmals fordern Kunden zudem Sonderfunktionen wie eine hochdynamische Wirklasterkennung“, fügt Blankenburg hinzu.

Die Antriebsverstärker-Baureihe SD2S erfüllt die Anforderungen von Hochgeschwindigkeits-Applikationen hinsichtlich Motorverlusten und Dynamik.

Die Antriebsverstärker-Baureihe SD2S erfüllt die Anforderungen von Hochgeschwindigkeits-Applikationen hinsichtlich Motorverlusten und Dynamik.Sieb&Meyer

64 Parametersätze im Speicher

Der Betrieb von Schleifmaschinen gestaltet sich mit dem SD2S einfach: Das System kann bis zu 64 Motorparametersätze speichern. Deren Anwahl erfolgt dabei über die digitalen Eingänge oder die Datenschnittstellen. Darüber hinaus ermöglichen die Technologiefunktionen für die Anfunk-Erkennung (Werkzeug berührt Werkstück) einen effizienten Maschinenbetrieb. Vor allem, wenn eine externe Körperschallauswertung aus technischen oder Kostengründen nicht erfolgen kann. Für die Anbindung an die übergeordnete Steuerung steht standardmäßig eine Vielzahl unterschiedlicher Optionen zur Verfügung – die Schnittstellen reichen von analogen Sollwertsignalen (±10 V), digitalen E/As, RS232 und USB bis zu CAN-Bus. Gateways ermöglichen auch eine Integration in Feldbussysteme wie Profibus und Ethercat. Speziell im Fall von Profibus ist es möglich, bis zu 10 SD2S über einen Gateway anzubinden. Zwischen Gateway und SD2S befindet sich dabei ein störunempfindlicher Lichtwellenleiter.

Sonderfälle sind auch Niedervolt-Synchron-Bearbeitungsspindeln für Dental­labor-Anwendungen und kleine CAD/CAM-Fräsmaschinen: Sie versorgen DC-Spannungen, zum Beispiel mit 48 V. Außerdem erfordern sie einen sensorlosen Betrieb von Synchron- und Asynchronmotoren bis 120.000 1/min. „Frequenzumrichter für diese Geräte werden häufig aufgrund des beschränkten Einbauvolumens nur als Einbauplatine, also ohne Gehäuse, eingesetzt“, ergänzt Blankenburg, „zudem sind einfache Steuerungsschnittstellen gefragt.“

Eine besondere Aufgabe war ein Frequenzumrichter für eine Rundtaktmaschine: Er sollte 60 unterschiedliche Hochfrequenz-Spindeln unabhängig und sensorlos antreiben. Dafür konzipierte der Hersteller ein kompaktes Powerpack mit jeweils einem Netzteil und bis zu acht angeschlossenen Doppelumrichtern, das somit insgesamt 16 einzelne Antriebe bietet. Außerdem verfügt der Frequenzumrichter über ein Profibus-Modul mit zehn Anschlüssen. Zertifizierte Sicherheitsfunk­tionen zum Beispiel für STO (Safe Torque Off) wurden für die 60 Einzelantriebe gebündelt und belegen daher nur einen SPS/CNC-Eingang. Für den Motorschutz enthalten die Module zudem einen du/dt-Filter. „Diese Lösung regelt sowohl Hochgeschwindigkeits-Asynchron- als auch -Synchron-Motoren“, sagt Blankenburg. Außerdem sanken die Kosten und der Frequenzumrichter ist kleiner und leichter im Vergleich zu einem Standard-Modell. „Zusätzliche, teure Sicherheitskomponenten sind nicht mehr nötig“, ergänzt Blankenburg.

„Aufbauend auf der SD2S-Plattform haben wir in den vergangenen Jahren zahlreiche individuelle Frequenzumrichter für Kunden konzipiert und umgesetzt“, sagt Blankenburg. „Für all diese Anwendungen und viele mehr gilt, dass sich Standard-Frequenzumrichter nicht eignen.“ „Die hier genannten Einsatzbereiche stehen dabei nur exemplarisch.“ So erhalten die Experten auch vielfach Anfragen, ob Ausgangsfrequenzen über 800 Hz zusammen mit einer geberlosen Regelung von HS-Synchronmotoren realisiert werden können – denn bei Standard-Lösungen sind Hard- und Software hierfür nicht ausgelegt. Nicht zuletzt stehen auch außergewöhnliche Bauformen oder Bauvolumen, besondere Schnittstellen und applikationsspezifische Software-Funktionen auf den Wunschlisten der Kunden.

Neben einer offenen Systemarchitektur enthält die Frequenzumrichter-Plattform unter anderem Kommunikationsschnittstellen, einen Web-Server und Steuerungsfunktionen.

Neben einer offenen Systemarchitektur enthält die Frequenzumrichter-Plattform unter anderem Kommunikationsschnittstellen, einen Web-Server und Steuerungsfunktionen.Sieb&Meyer

Nächster Schritt: Baukastensystem

„Steuerungen oder komplexe Positionieraufgaben können wir auf Basis des SD2S allerdings nicht umsetzen“, so Blankenburg. Außerdem ist es gerade bei kundenspezifischen Lösungen das Ziel, möglichst viele Peripherie-Komponenten in das Gehäuse zu integrieren. Dazu gehören unter anderem die Anbindung an die Feld- und die Leitebene oder auch Schnittstellen zu externen Komponenten wie grafische Bedieneinheiten und Scanner. Diesen Funktionsumfang bietet der SD2S nur eingeschränkt. Die Konsequenz: Das Unternehmen entwickelte eine neue Plattform in Form eines modularen Entwicklungsbaukastens, um flexibel auf weitergehende Kundenanforderungen reagieren zu können. Wichtige Faktoren waren eine Erweiterung der Bus-Schnittstellen sowie eine Anpassung der Rechenleistung. Zudem sollte die Plattform komplexe Funktionsabläufe unterstützen. Mit der modularen Antriebsplattform SD3 hat der Hersteller eine Lösung für komplexe autarke Antriebsaufgaben im Angebot. Neben einer offenen Systemarchitektur, mit der sich nahezu alle Steuerungs-, Antriebs- und Visualisierungsaufgaben applika­tionsspezifisch lösen lassen, enthält das System zum Beispiel Kommunikationsschnittstellen, Web-Server und frei programmierbare Steuerungsfunktionen. „Der SD3 eignet sich für alle Anwendungen, bei denen neben dem eigentlichen Betrieb von HS-Motoren beziehungsweise hochdynamischen Servomotoren auch komplexe Prozessabläufe gesteuert und Applikationsfunktionen realisiert werden müssen“, meint Blankenburg. Dazu kommt ein offenes Betriebssystem zum Einsatz. Mithilfe bereitgestellter Bibliotheken kann der Anwender so Funktionen, die seine Kernkompetenzen abdecken, komplett eigenständig umsetzen und somit sein Know-how schützen. Die Umsetzung erfolgt dabei wahlweise ­
auf der Basis von C/C++ oder über IEC 61131.

Zusätzlich zu den Bibliotheken für den Betrieb von Synchron- und Asynchronmotoren stehen weitere Software-Funktionen für Benutzerschnittstellen, Statistiken, Kameraintegration, Kommunikation sowie Datenspeicherung zur Verfügung. Neben der Möglichkeit einer Individualisierung und Anpassung enthält die Antriebsplattform eine Reihe von Funktionen wie einen Web-Server. Damit kann der Anwender jederzeit und von überall aus auf den Antriebsverstärker für Programmierung, Diagnose und Fehlerbehebung zugreifen. Aber auch direkt vor Ort ist die Bedienung des SD3 einfach und benutzerfreundlich: Über eine USB-Schnittstelle lässt sich ein Operator-Panel anschließen, was einen PC für Bedienung und Visualisierung ersetzt.