Designtechniken für eine effiziente Kraftübertragung

Unter Kraftübertragung versteht man die Übertragung mechanischer Kraft von einer Komponente oder Maschine auf eine andere. Dies ist in Fertigungs- und Produktionsumgebungen von entscheidender Bedeutung, in denen verschiedene Maschinen und Geräte zusammenarbeiten müssen, um Waren effizient zu produzieren. Die Kraftübertragung in der modernen industriellen Automatisierung erfolgt, wenn Elektromotoren die Kraft über verschiedene mechanische Systeme übertragen, darunter Zahnräder, Riemen, Ketten und Kupplungen.

In einer Produktionsanlage kann ein Motor ein Förderband antreiben, das Materialien von einer Maschine zur anderen transportiert. Die vom Motor übertragene Kraft wird über ein Getriebesystem auf das Förderband übertragen, was eine reibungslose und effiziente Kraftübertragung ermöglicht. In diesem Artikel werden typische Anwendungen zur Kraftübertragung sowie die häufig verwendeten Motor- und Antriebsarten beleuchtet.

Zu den typischen Kraftübertragungsanwendungen gehören:

Fördersysteme: Werden häufig in Fertigungs- und Materialtransportanwendungen eingesetzt, um Produkte oder Materialien von einem Ort zum anderen zu transportieren. Die Kraftübertragung treibt die Förderbänder, Rollen und andere Komponenten des Fördersystems an.

Industrieroboter: Werden in einer Vielzahl von Automatisierungsanwendungen eingesetzt, darunter Materialhandhabung, Montage und Schweißen. Die Kraftübertragung überträgt mechanische Kraft von den Motoren des Roboters auf die Gelenke und Endeffektoren.

Werkzeugmaschinen: Kraftübertragung treibt die Spindeln von Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Schleifmaschinen an, die Metallteile formen und bearbeiten.

Verpackungsmaschinen: Verpackt Produkte für den Vertrieb und Verkauf. Die Kraftübertragung betreibt die Förderbänder, Füller, Verschließer und andere Komponenten der Verpackungsmaschine.

Druckmaschinen: Kraftübertragung treibt die Walzen und andere Komponenten der Maschinen an, die Etiketten, Verpackungen, Veröffentlichungen und andere Materialien drucken.

Materialtransportgeräte: Kräne, Hebezeuge und Aufzüge bewegen schwere Materialien oder Produkte.

Abhängig von der spezifischen Anwendung und den Anforderungen gibt es verschiedene gängige Arten von Motor- und Antriebssystemen, die bei der Kraftübertragung zum Einsatz kommen.

Wechselstrom-Induktionsmotoren sind der am häufigsten verwendete Motortyp für Kraftübertragungsanwendungen. Sie sind einfach, zuverlässig und effizient und eignen sich daher für ein breites Anwendungsspektrum. Der typische Drehzahlbereich eines Wechselstrom-Induktionsmotors variiert je nach Design und Anwendung des Motors. Die meisten Wechselstrom-Induktionsmotoren haben jedoch einen Drehzahlbereich von 900 bis 3.600 Umdrehungen pro Minute (U/min) bei Volllast.

Im Allgemeinen arbeiten Wechselstrom-Induktionsmotoren mit einer konstanten Drehzahl, die durch die Frequenz der Stromversorgung und die Anzahl der Pole im Motor bestimmt wird. Beispielsweise würde eine 60-Hz-Stromversorgung und ein vierpoliger Motor eine Synchrondrehzahl von 1800 U/min ergeben. Die tatsächliche Betriebsdrehzahl des Motors kann jedoch aufgrund von Schlupf, also der Differenz zwischen der Synchrondrehzahl und der tatsächlichen Rotordrehzahl, geringfügig niedriger sein als die Synchrondrehzahl.

Die Drehzahl eines Wechselstrom-Induktionsmotors kann durch Variation der Frequenz der Stromversorgung gesteuert werden, typischerweise mithilfe eines Frequenzumrichters (VFD). Dadurch kann der Motor mit Drehzahlen unterhalb und oberhalb seiner Synchrondrehzahl betrieben werden, was eine größere Flexibilität bei der Steuerung von Motordrehzahl und Drehmoment bietet.

Die typische Drehzahlregelung eines Wechselstrom-Induktionsmotors hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Konstruktion des Motors, den Lasteigenschaften und der verwendeten Steuermethode. Im Allgemeinen können Wechselstrom-Induktionsmotoren die Drehzahl innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes ihrer Nenndrehzahl halten, typischerweise im Bereich von ±0,1 Prozent bis ±10 Prozent der Nenndrehzahl, abhängig vom verwendeten Steuerungssystem. Einige spezielle Wechselstrom-Induktionsmotoren, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsmotoren, die in Radialkompressoren oder Ventilatoren verwendet werden, können einen anderen Drehzahlbereich haben. Diese Motoren können mit Drehzahlen von bis zu 15.000 U/min oder mehr betrieben werden.

Gleichstrommotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Drehzahlregelung erfordern oder wenn bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erforderlich ist. Der Antrieb erfolgt über eine Gleichstromquelle (DC), die eine konstante Spannung an die Motorklemmen liefert. Durch die Spannung fließt Strom durch die Wicklungen des Motors und erzeugt ein Magnetfeld, das mit den Permanentmagneten im Motor interagiert. Durch die Wechselwirkung der Magnetfelder dreht sich der Anker (Rotor) des Motors.

Die Drehrichtung wird durch die Richtung des durch die Wicklungen fließenden Stroms bestimmt, der über eine Gleichstrommotorsteuerung gesteuert werden kann. Der Gleichstrommotor-Controller kann die dem Motor zugeführte Spannung variieren, was sich auf die Drehzahl und das Drehmoment des Motors auswirkt. Durch Anpassen der Spannung kann der Controller auch die Drehrichtung des Motors manipulieren. Im Allgemeinen können Gleichstrommotoren mit Drehzahlen von nahezu Null bis zu mehreren Zehntausend Umdrehungen pro Minute betrieben werden.

Es gibt zwei Grundtypen von Gleichstrommotoren: bürstenbehaftete und bürstenlose Motoren. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren verfügen über einen Kommutator und Bürsten, die elektrischen Strom auf die Wicklungen des Motors übertragen, während bürstenlose Gleichstrommotoren ein elektronisches Kommutierungssystem verwenden, das den Strom in einer präzisen Reihenfolge auf die Wicklungen des Motors umschaltet. Bürstenlose Gleichstrommotoren erfreuen sich aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihres geringen Wartungsaufwands und ihrer präzisen Steuerungsmöglichkeiten immer größerer Beliebtheit in industriellen Automatisierungsanwendungen.

Servomotoren und Schrittmotoren sind zwei Beispiele für bürstenlose Gleichstrommotoren. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die neben einer effizienten Kraftübertragung auch eine präzise Bewegungssteuerung erfordern. Der Begriff Kraftübertragung bezieht sich im Allgemeinen auf die Übertragung mechanischer Kraft von einer Komponente oder Maschine auf eine andere und nicht auf die präzise Steuerung der Position. Bei der Bewegungssteuerung hingegen werden spezielle Komponenten und Systeme eingesetzt, um die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Maschine oder des Systems präzise zu steuern.

Zu Bewegungssteuerungssystemen gehören typischerweise bürstenlose Gleichstrommotoren, Encoder und spezielle Steuerungen, die zusammenarbeiten, um eine hochpräzise und genaue Positionierung zu erreichen. Bewegungssteuerung wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hochpräzise Positionierung erfordern, wie etwa Robotik, CNC-Maschinen und andere Präzisionsfertigungsgeräte. Im Gegensatz dazu wird die Kraftübertragung häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Positionierung weniger wichtig ist, beispielsweise bei Materialhandhabungs- und Fördersystemen.

Servomotoren bieten eine höhere Präzision und Genauigkeit als Schrittmotoren, da Feedbacksysteme mit geschlossenem Regelkreis kontinuierlich die Position, Geschwindigkeit und das Drehmoment des Servomotors überwachen und anpassen, um die gewünschte Leistung aufrechtzuerhalten. Schrittmotoren hingegen arbeiten oft in einem System mit offenem Regelkreis, bei dem es aufgrund fehlender Schritte oder anderer Faktoren zu Positionierungsfehlern kommen kann. Servomotoren können höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erreichen als Schrittmotoren, da der Servomotor bei höheren Frequenzen arbeiten kann.

Servomotoren bieten eine bessere Steuerung bei hohen Lasten als Schrittmotoren. Dies liegt daran, dass Servomotoren über ein höheres Drehmoment verfügen, wodurch sie ihre Position und Geschwindigkeit auch unter hoher Belastung beibehalten können. Andererseits kosten Servomotorsysteme im Allgemeinen mehr als Schrittmotorsysteme. Aus diesem Grund werden Schrittmotoren häufig in Anwendungen mit geringerer Geschwindigkeit und geringerer Leistung eingesetzt, beispielsweise beim Ersatz pneumatischer Aktuatoren.

Ein Beispiel für eine Anwendung, die sowohl eine effiziente Kraftübertragung als auch eine präzise Bewegungssteuerung aufweist, ist eine Servopresse. Eine Servopresse ist eine Art Industriemaschine, die einen Servomotor verwendet, um die Position und Geschwindigkeit einer Stahlstange zu steuern, während sie eine hohe Kraft auf ein Material oder Teil ausübt, an dem gearbeitet wird. Die Stange der Servopresse ist über eine Präzisions-Kugelumlaufspindel und Mutternbaugruppe mechanisch mit dem Servomotor verbunden.

Wenn der Servomotor die Kugelumlaufspindel dreht, fahren Mutter und Stange mit hoher Positionsgenauigkeit und hoher Kraft aus (oder ein). Die von der Servopresse erzeugte Kraft kann von einigen hundert Newton bei kleineren Servopressen bis zu hunderttausend oder mehr Newton bei größeren Servopressen reichen. Bei jeder Servopresse ist am Ende der Stange ein Kraftaufnehmer angebracht. Der Kraftaufnehmer misst genau die von der Servopresse erzeugte Kraft und gibt eine Rückmeldung an die Pressensteuerung. Die Pressensteuerung nutzt das Force-Feedback, um die erforderliche Kraft wiederholt und präzise zu erzeugen. Auf diese Weise übernimmt die Servopresse auch eine Qualitätskontrollfunktion.

Servopressen, wie der YJKP-Servopressenbausatz von Festo, werden in einer Vielzahl von Montage- und Fertigungsprozessen eingesetzt, z. B. beim Zusammenklemmen von Teilen, beim Einsetzen eines Teils in ein anderes, beim Stanzen eines Lochs in ein Teil, beim Nieten, Biegen oder Stanzen von Teilen. und vieles mehr. Das Herzstück des Servopressen-Bausatzes ist ein Linearantrieb mit Kugelumlaufspindel, der die Kraft effizient vom Servomotor auf das Werkstück überträgt, während die Pressensteuerung und der Servomotor die Position und Geschwindigkeit des Stangenendes präzise steuern.

Die Kraftübertragung ist in der industriellen Automatisierung von entscheidender Bedeutung, da sie eine nahtlose Zusammenarbeit der Maschinen ermöglicht, Ausfallzeiten reduziert und die Produktivität maximiert. Ohne ordnungsgemäße Kraftübertragung funktionieren Maschinen möglicherweise nicht richtig, was zu Produktionsverzögerungen und anderen betrieblichen Ineffizienzen führt. Es ermöglicht die effiziente Übertragung mechanischer Leistung von einer Maschine oder Komponente auf eine andere und spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung des reibungslosen Funktionierens von Fertigungs- und Produktionsprozessen.

Bewegungssteuerung ist eine Form der Kraftübertragung, die zusätzlich zur effizienten Kraftübertragung vom Motor auf das mechanische System eine präzise Positionierung des Systems ermöglicht.

Dieser Artikel wurde von Eric Rice, Product Market Manager – Electric Automation, Festo (Islandia, NY) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Motion Design Magazine.

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