Drehgeber für energieeffiziente Servomotoren

In vielen industriellen Anwendungen werden Bewegungsabläufe mit ungleichmäßig übersetzenden Getrieben realisiert. Wissenschaftler der RWTH Aachen suchen nach Wegen, diese Getriebe energieeffizient zu betreiben – mithilfe der Eigenbewegung und durch den Einsatz von Servomotoren. Bei ihrer Arbeit werden die Forscher von der Hengstler GmbH unterstützt. 

Das Thema Eigenbewegung beschäftigt die Wissenschaftler am Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (IGMR) der RWTH Aachen schon seit einigen Jahren. Hier wird nicht nur die Anwendung von Methoden aus der Mechanismen- und Bewegungstechnik erforscht. Auch die Entwicklung von Verfahren und Methoden zur simulationsgestützten dynamischen Auslegung mechanischer Systeme zählt zu den Aufgaben des Instituts. 

In diesen Bereich fällt auch ein Forschungsprojekt zur energetischen Optimierung ungleichmäßig übersetzender Getriebe. Dr. Ferdinand Schwarzfischer und Thomas Knobloch setzen dabei insbesondere auf die Eigenbewegung der Getriebe. Das auch „Eigenfrequenz“ genannte Phänomen bezeichnet die Bewegung, die das Getriebe nach einem Anfangsimpuls durch den Antrieb ausführen würde, wenn keine Reibung auftreten würde und keine Nutzmomente vorhanden wären. „Eigenbewegung ist die Eigenfrequenz des gesamten Systems, bei der am wenigsten Energie verbraucht wird“, so Thomas Knobloch. 

Erste Syntheseverfahren  

Bislang wird die Eigenbewegung allerdings kaum für den energieeffizienten Betrieb von Motoren mit ungleichmäßig übersetzenden Getrieben genutzt. Der Grund ist einfach: Es gab lange Zeit keine allgemeinen Verfahren zur Auslegung von Getrieben, die in ihrer Eigenbewegung betrieben werden sollen. Dr. Ferdinand Schwarzfischer hat im Rahmen seiner Dissertation an dem Institut 2019 erstmals ein Syntheseverfahren für solche Getriebe entwickelt. Schwarzfischer konnte anhand eines selbstkonstruierten Prüfstands zeigen, dass bei in Eigenbewegung betriebenen Übertragungsgetrieben ein deutlich größeres Energieeinsparpotential zu erwarten ist als bei Getrieben mit konstanter Drehzahl.

Erste Syntheseverfahren  

Bislang wird die Eigenbewegung allerdings kaum für den energieeffizienten Betrieb von Motoren mit ungleichmäßig übersetzenden Getrieben genutzt. Der Grund ist einfach: Es gab lange Zeit keine allgemeinen Verfahren zur Auslegung von Getrieben, die in ihrer Eigenbewegung betrieben werden sollen. Dr. Ferdinand Schwarzfischer hat im Rahmen seiner Dissertation an dem Institut 2019 erstmals ein Syntheseverfahren für solche Getriebe entwickelt. Schwarzfischer konnte anhand eines selbstkonstruierten Prüfstands zeigen, dass bei in Eigenbewegung betriebenen Übertragungsgetrieben ein deutlich größeres Energieeinsparpotential zu erwarten ist als bei Getrieben mit konstanter Drehzahl. 

Eigenbewegung an Rastgetrieben 

Thomas Knobloch führt das Projekt jetzt weiter und legt bei seiner Promotion den Fokus auf Kurvengetriebe. Sie sind ähnlich weit verbreitet wie Koppelgetriebe, können im Gegensatz zu diesen aber eine exakte Rast erzeugen – also einen kompletten Stillstand des Abtriebsgliedes innerhalb eines Bewegungsablaufs. „Das ist z. B. bei Verpackungsmaschinen relevant, die stillstehen müssen, wenn die Verpackung versiegelt werden soll“, beschreibt Knobloch das Prinzip. Rastgetriebe kommen daneben aber auch in vielen anderen Anwendungen zum Einsatz. 

In seinem Forschungsprojekt bildet Thomas Knobloch die Getriebe über ein Mehrkörper-Simulationsprogramm ab. Die Software kann die Eigenbewegung eines simulierten Getriebes anhand der CAD-Daten automatisch bestimmen. Um ein Getriebe aber überhaupt in Eigenbewegung betreiben zu können, ist ein Servomotor nötig. Anders als ein herkömmlicher Elektromotor kann dieser dem Getriebe die nicht-konstante Geschwindigkeit seiner Eigenbewegung exakt vorgeben. „Meine Untersuchungen sollen die Frage klären: Wie muss das Kurvengetriebe ausgelegt sein, um einerseits die Anforderungen der Anwendung optimal zu erfüllen und zugleich möglichst energieeffizient betrieben werden zu können“, beschreibt Knobloch das Forschungsziel.

Hengstler unterstützt  

Der Drehgeber-Spezialist Hengstler unterstützt Forschungsprojekte wie das der RWTH Aachen. Das Unternehmen aus dem schwäbischen Aldingen stellt dem Team um Thomas Knobloch seine Expertise sowie hochgenaue Geber zur Verfügung. Die mit ihrer Hilfe erfassten Daten liefern die Grundlage für die Validierung einer energieeffizienten Antriebsmethode von Kurvengetrieben. Bereits jetzt haben die Versuche am Prüfstand gezeigt, dass die Anwendung der Eigenbewegung auf ein dreigliedriges Kurvengetriebe zu einem reduzierten Energieverbrauch, geringeren Leistungsspitzen und zu einem verringerten maximalen Antriebsmoment führt. 

Auch wenn die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt noch nicht für die Konstruktion energieeffizienter Antriebe genutzt werden können: Schon jetzt lässt sich der Stromverbrauch im Standard-Regelmodus von Servomotoren deutlich reduzieren. Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Absolutwertgebers mit besonders hoher Signalgüte. Geber wie der Acuro AD37 von Hengstler ermöglichen eine deutlich glattere Regelung als herkömmliche Encoder.  „Viele Servomotoren arbeiten ineffizient, weil das Feedbacksystem ungenaue Informationen an die Steuerung sendet“, berichtet Peter Elbel, Manager Application Management bei der Hengstler GmbH. „Durch die präzise Positionsrückmeldung unserer Absolutwertgeber lässt sich die Effizienz der Antriebe dagegen deutlich steigern und der Stromverbrauch sinkt merklich.“ 

Hohe Genauigkeit  

Der Acuro AD37 ist auf die Steuerungen von Bosch-Rexroth abgestimmt, die oft in High-End-Anwendungen in der Industrie verbaut werden. Bei Drehzahlen bis mindestens 12.000 min-1 arbeitet der Encoder mit einer absoluten Genauigkeit von ±36 Winkelsekunden und einer Wiederholgenauigkeit von kleiner als ±10 Winkelsekunden. Über die Hengstler-Schnittstelle Acuro link überträgt der Geber Positionsdaten mit einer Übertragungsrate von 10 MBaud und einem Reglertakt von bis zu 32 kHz quasi in Echtzeit an die übergeordnete Steuerung. Die Daten-Übertragung funktioniert über eine Distanz von bis zu 100 m ohne Qualitätsverlust. 

Ein anderes Beispiel ist der Acuro AD36: Dieser Drehgeber wurde für den Einsatz in Servomotoren mit kleiner Achshöhe entwickelt und verfügt über eine durchgängige 8-mm-Hohlwelle. Der Encoder besitzt eine hohe Stabilität bei Betriebstemperaturen von bis zu 120 °C und ist schockfest bis mindestens 1000 m/s2 über 6 ms. Für Anwendungen in der Verpackungstechnik oder in Pick-and-Place-Anlagen ist dagegen der Acuro AC 58 konzipiert. In der Ausführung mit Profinet-Schnittstelle verbraucht dieser Geber sehr wenig Strom und ermöglicht so den hochdynamischen Betrieb von Servomotoren.  

Da der Geber eine kurze Zykluszeit von 31,25 µs aufweist, können Antriebe mit ihm darüber hinaus „glatter“ geregelt werden als mit konventionellen Drehgebern. Dadurch sparen die Anwender dieser Encoder bei ihren Motoren bis zu 30% Energie. 

Die Absolutwertgeber von Hengstler haben zudem eine wesentlich geringere Eigenstromaufnahme als viele vergleichbare Drehgeber am Markt. Auch dadurch tragen die Encoder zu einem ressourcenschonenden, energieeffizienten Betrieb von Servomotoren bei.  „Ein gutes Beispiel ist unsere Absolutwertgeber Acuro AD37, erzählt Peter Elbel. „Der AD37 verbraucht nur 0,6 W in der Multiturn-Ausführung – das ist 50 bis 75% weniger als die Encoder des Wettbewerbs benötigen.“ 

Projekt zeigt erste Erfolge 

Die weltweit mehr als 300 Mio. Elektromotoren in industriellen Anwendungen sind nach Angaben der Internationalen Energie Agentur (IEA) für mehr als 40 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich Hengstler wird deshalb auch in Zukunft an Encoder-Technologien arbeiten, mit deren Hilfe sich die Effizienz von Servomotoren steigern lässt. Angesichts der Größe der Aufgabe setzt der Drehgeber-Spezialist aber nicht allein auf die eigene Produktentwicklung, sondern fördert gezielt Forschungsprojekte wie das von Thomas Knobloch. Der Wissenschaftler von der RWTH Aachen hat bei seinen Untersuchungen bereits erste Erkenntnisse gesammelt: „Wir konnten bei ungleichmäßig angetriebenen Kurvengetrieben im Vergleich zu konstant angetriebenen Getrieben Energieersparnisse von bis zu 14% erzielen – mit steigender Tendenz.“ 

Bilder: Hengstler GmbH, Thomas Knobloch/RWTH Aachen, Viewfinder und industrieblick – stock.adobe.com