Die Auswahl eines Servomotors erfolgt nicht durch Ablesen eines Leistungswerts aus dem Katalog. Die Auswahl ist eine Berechnungskette, die bei den mechanischen Eigenschaften der Last beginnt und mit dem Bewegungsprofil fortfährt. Wird ein beliebiges Glied dieser Kette übersprungen, ist das Ergebnis entweder ein überdimensioniertes und teures System oder eine Achse, die im Feld überlastet wird, sich erwärmt und die Position nicht halten kann.
1. Definieren Sie den mechanischen Aufbau
Zunächst muss geklärt werden, wie die Last mit dem Motor verbunden ist. Gängige Mechanismen:
- Kugelgewindetrieb (ball screw): Lineare Bewegung, hohe Genauigkeit.
- Riemen-Riemenscheibe: Lange Strecken, geringere Steifigkeit.
- Zahnstange-Ritzel: Lineare Achsen mit langem Hub.
- Getriebe + Drehtisch: Hohes Moment, niedrige Drehzahl.
- Direktantrieb: Kein Übertragungselement, kein Spiel.
Jeder Mechanismus hat sein eigenes Übersetzungsverhältnis, seinen Wirkungsgrad und sein Spiel-(Backlash-)Verhalten. Diese sind Eingangsgrößen der Berechnung.
3. Erstellen Sie das Bewegungsprofil
Es wird ein Positions-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm gezeichnet. Das typische Trapezprofil besteht aus drei Abschnitten: Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit, Verzögerung. Diesen wird eine Wartezeit (Dwell) hinzugefügt und ein Zyklus ist abgeschlossen.
Aus diesem Profil ergeben sich zwei maßgebliche Werte:
- Maximale Drehzahl (n_max): Die Motordrehzahl im Abschnitt konstanter Geschwindigkeit. Wird über Getriebe-
- Beschleunigung (α): Je kürzer die Beschleunigungszeit, desto größer das erforderliche Moment.
übersetzung und Mechanismusverhältnis berechnet.
Das Ausreizen der Zykluszeit vergrößert die Motorbaugröße direkt. In der Praxis ermöglicht das Hinterfragen der tatsächlich benötigten Zykluszeit oft den Betrieb mit einem eine Stufe kleineren Motor.
4. Momentberechnung
Das erforderliche Moment ist die Summe dreier Komponenten:
Beschleunigungsmoment: T_a = (J_gesamt) × α Das Produkt aus Gesamtträgheit und Winkelbeschleunigung. In der Regel die größte Komponente.
Reibmoment: Verluste von Führung, Lager, Riemen und Getriebe.
Schwerkraft- / Prozessmoment: Bei vertikalen Achsen das Gewicht der Last, bei Vorgängen wie Schneiden oder Pressen die Prozesskraft.
Diese drei Komponenten werden im Moment der Beschleunigung addiert und das Spitzenmoment ermittelt. Das Spitzenmoment muss unterhalb der Kurve des momentanen Maximalmoments des Motors bleiben.
Das eigentlich Maßgebliche ist jedoch das RMS-(Effektiv-)Moment. Über den Zyklus wird der quadratische Mittelwert der Momente in den verschiedenen Abschnitten gebildet und mit dem Dauermoment des Motors verglichen. Der Motor muss das RMS-Moment dauerhaft aufbringen können; andernfalls wird er thermisch überlastet.
5. Überprüfung in der Drehzahl-Moment-Kurve
Die berechneten Arbeitspunkte (Drehzahl, Moment) werden in die Drehzahl-Moment-Kurve des Motors eingetragen. Es gibt zwei Bereiche: den Dauerbetriebsbereich und den kurzzeitigen (intermittierenden) Betriebsbereich. Der Abschnitt konstanter Geschwindigkeit muss im Dauerbereich, der Beschleunigungsspitzenpunkt im intermittierenden Bereich bleiben.
Der Berechnung wird ein Sicherheitszuschlag hinzugefügt. Die Zunahme der Reibung mit der Zeit, Änderungen der Schmierung, mechanische Alterung und der Abfall der Versorgungsspannung zehren an diesem Zuschlag.
6. Antrieb und Versorgung
Der Antrieb wird so gewählt, dass er den Dauer- und Spitzenstrom des Motors bereitstellt. Die Versorgungsspannung bestimmt die maximale Drehzahl, die der Motor erreichen kann: Je niedriger die Spannung, desto geringer das nutzbare Moment bei hoher Drehzahl. Da sich der Motor beim Verzögern wie ein Generator verhält und die Energie zurück in den DC-Zwischenkreis speist, muss bei Anwendungen mit hoher Trägheit und häufigem Stopp ein Bremswiderstand berechnet werden.
7. Encoder, Bremse und mechanische Details
Encodertyp: Ein inkrementaler (incremental) Encoder erfordert bei jedem Einschalten eine Referenzierung (Homing). Ein absoluter (absolute) Encoder behält die Position auch im spannungslosen Zustand; Multiturn-Typen speichern auch die Umdrehungszahl. Beeinflusst die Referenzierungszeit die Zykluszeit, wird ein absoluter Encoder bevorzugt.
Bremse: Bei vertikalen Achsen und an Stellen, an denen die Last bei Stromausfall nicht herabfallen darf, ist eine Haltebremse unerlässlich. Die Servobremse dient dem Halten, nicht dem dynamischen Anhalten.
Schutzart und Wellenaufbau: In Umgebungen mit Reinigung beeinflusst die IP-Schutzart, bei Riemenantrieb die Radiallastfestigkeit, bei präzisen Achsen die Wahl einer Welle mit oder ohne Passfeder die Auswahl.
Häufig gemachte Fehler
- Nur auf das Spitzenmoment schauen und das RMS-Moment nicht berechnen
- Statt der reflektierten Trägheit die rohe Lastträgheit verwenden
- Wirkungsgrad und Spiel des Getriebes nicht berücksichtigen
- Den Bedarf an einem Bremswiderstand außer Acht lassen
- Den Einfluss der Kabellänge auf Encodersignal und Spannungsabfall
übersehen
Verwandte Produktfamilien: Servomotor, Servoantrieb, Servo-Set, Encoder, Servokabel, Bremswiderstand
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