Servotechnik Elektrik statt Pneumatik: So steigt die Energieeffizienz

Elektrisch angetriebene Schweißzangen unterstützen in der Automobilindustrie den Verzicht auf teure und energieintensive Druckluft. Der Nimak GmbH ist es dank dezentraler Servotechnik gelungen, Schweißzangen zu bauen, die sich als autarke, kompakte Einheiten flexibel mit allen gängigen Robotermarken verbinden lassen. Durch den Einsatz der AKM-Servoumrichter Amkasmart IC benötigen die Zangen keinen gesonderten Schaltschrank mehr. Damit herrscht wieder mehr Platz in der Zelle.

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„Unsere Kunden wollen immer mehr von der Pneumatik weg“, beschreibt Markus Backst, Leiter der Elektrokonstruktion bei Nimak, die momentane Entwicklung in der Automobilindustrie und ihren Zulieferern. Druckluft ist verlustbehaftet und teuer in der Herstellung. Diese beiden Aspekte korrelieren direkt mit dem Streben nach einer höheren Energieeffizienz in den Werken.

Damit der Einsatz elektrischer Antriebstechnik nicht auf Kosten der Verkabelung und die für den Schaltschrank notwendige Produktionsfläche geht, „haben wir ein kompaktes Antriebssystem gesucht, mit dem wir direkt auf die Schweißzange kommen“, berichtet Backst. Die Spezialisten aus Wissen im Westerwald verhindern damit auch lange und teure Hybridkabel für den Fall einer Integration der Schweißzangensteuerung im Roboterschaltschrank. Dieser mögliche Aufbau birgt gerade beim Schweißen mit hohen Strömen und den damit verbundenen Magnetfeldern Risiken bei der EMV.

Direkte Nähe für kürzere Kabel

Mit dem Einsatz der AMK-Servoumrichter konnte Nimak an genau diesen Stellen Vorteile erzielen. Weil die dezentralen Geräte über ein eigenes Leistungsteil verfügen, reicht ein simples schleppkettenfähiges Kabel für die dreiphasige Energieversorgung aus. Ein weiterer Pluspunkt resultiert aus der direkten Platzierung des Amkasmart IC am eigentlichen Prozess. Diese Nähe macht sämtliche Anschluss- und Geberkabel deutlich kürzer. Dieser Aspekt senkt auf der einen Seite die Installationskosten und wirkt sich andererseits auch noch positiv auf das EMV-Verhalten aus.

Beim dezentralen Servoumrichter handelt es sich in der Nimak-Schweißzange um ein Standardgerät, das AMK im Rahmen eines gemeinsamen Entwicklungsprojektes lediglich punktuell angepasst hat. Hierzu zählt die DS 402 Kommunikation (CAN) im Nimak-Standard, veränderte Steckverbindungen sowie der Einsatz des AMK-Interpolator, um die Geschwindigkeit in einem erwarteten Bereich zu limitieren. „Mit Umrichtern können Sie bekanntlich ganz einfach über Rampen von A nach B positionieren. Das Problem beginnt aber dann, wenn man vor die Wand fährt“, sagt Backst. Dieses „vor die Wand fahren“ tritt bei Schweißzangen dann auf, wenn die beiden Kupferelektroden Materialkontakt bekommen. „Wenn das Schweißen einsetzt, muss der Antrieb weiterfahren und dabei seine Drehzahl sehr genau einhalten.“ Die Drehzahl sei entscheidend für die von den Elektroden auf das Stahlblech aufgebrachte Kraft. Ein gesonderter Kraftsensor ließ sich zwar in so einer Zange einbauen, ist aber für diese Standardanwendung zu teuer. Insofern arbeiten die Nimak-Schweißzangen mit den dezentralen AMK-Servoumrichtern zwar momentengesteuert – ohne externen Kraftsensor.

Präziser Druck für perfekte Verbindungen

Die beim Schweißen herrschenden Druckkräfte müssen ohne gesonderte Rückführung präzise eingehalten werden. Audi gibt zum Beispiel eine Toleranz von +/- 50 N an – unabhängig davon, wie schwer eine Schweißzange konstruktiv wiegt. „Wir müssen deshalb sämtliche Einsatzgebiete von kleinen und schweren Zangen mit unterschiedlichen Übersetzungen und Hebelarmen in der Regelung des Servoumrichters berücksichtigen und entsprechend kompensieren“, erklärt der Leiter der Elektrokonstruktion und berichtet, dass Nimak eigene Steuerungs- und Regelalgorithmen entwickelt hat, um diese Genauigkeiten zu erreichen.

Die Präzision ist letztlich ausschlaggebend für die Schweißqualität und Standzeit der Werkzeuge. „Wenn das Schweißen beginnt, wird der Stahl teigig und weicht dem Druck aus. Bleibt die Zange in diesem Moment stehen, kommt es zum Funkenflug, weil die Elektroden den Kontakt verlieren“, erklärt Backst. „Wir drücken deshalb mit einem der Kraft entsprechenden Drehmoment und mit niedriger Drehzahl auf das Blech und bauen weiter Druck auf.“

Dank der ausgefeilten Positioniersteuerung in den dezentralen Servoreglern können die Zangen schnell schließen bis sie das Bauteil erreicht haben, um Zeit zu sparen. Dann ist auch noch gewährleisten, dass sie ohne abzubremsen an einer bestimmten Position mit exakter Drehzahl weiterfahren. „Das hat bisher nur AMK fertig gebracht. Bei allen anderen Herstellern mussten wir vorher abbremsen“, unterstreich Nimak-Geschäftsführer Paul Nickel. „Wir haben die Regelung speziell auf dem Prozess angepasst. Es herrscht enger Kontakt zwischen den Entwicklungsabteilungen beider Firmen“, berichtet Edgar Lange, Vertriebsingenieur bei AMK.

Um die Geräte leicht in bestehende Automatisierungsstrukturen einbinden zu können, bietet die dezentralen Servoumrichter zudem flexible Anschlussmöglichkeiten unterschiedlicher Geber- und Kommunikationssysteme. Ferner stehen digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung, mit denen sich die im Prozess anfallenden Signale einsammeln und auswerten lassen. Die Geräte verfügen bei der Sicherheitstechnik im Standard über die Funktion STO (sicher abgeschaltetes Moment). Safe Torque Off ist für den Betrieb der Schweißzangen generell erforderlich. In der Antriebs- und Automatisierungstechnik wird zudem damit gerechnet, dass STO mittelfristig zum Standardumfang eines Umrichters gehören wird.

Fazit

Mit einem kompakten dezentralen Servoumrichter, der sowohl das Leistungsteil, als auch den Regler selbst in einem robusten Gehäuse in Schutzart IP65 vereint, hat AMK Alleinstellungsmerkmale. „Bei den meisten Systemen anderer Hersteller handelt es sich um reine Regler“, erklärt Edgar Lange. Das AMK-Konzept sorgt in der Praxis dafür, dass lediglich die reine Stromversorgung aufzubauen ist. Besondere Schirmungen und Hybridkabel sind nicht erforderlich. Das Gerätekonzept der Amkasmart IC macht darüber hinaus den Weg frei, um weitere Servoregler direkt über den DC-Zwischenkreisverbund anzuschließen. Die AMK-Baureihe bietet dafür passende, kleinere Geräte ohne eigenes Leistungsteil. (ud)

Hannover Messe 2014: Halle 15, Stand D08

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