9. Tagung Zahnriemengetriebe am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

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1 am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke Linearachsen im Vergleich 1. Einleitung 2. Vergleich von NC-Linearachsen 3. Versuchsergebnisse und Praxisempfehlungen 4. Kostenaspekt für Beschaffung und Betrieb 5. Zusammenfassung der Vergleichsergebnisse von NC-Linearachsen 6. Vergleich von pneumatischen Endlagenachsen mit Linarmotor-Achsen 7. Zusammenfassung

2 1. Einleitung 9. Tagung Zahnriemengetriebe Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 1) Im Bereich der Montageautomation besteht ein großer Informationsbedarf über die Stärken und Schwächen der Antriebsarten von NC- Linearachsen. Zum einen, um die Automationsaufgabe optimal zu lösen, und zum anderen, um eine fundierte Planungs- und Entscheidungsbasis zu erhalten, die auch bei künftigen Vorhaben die notwendige Sicherheit bietet. Dabei gilt es, neben produktspezifischen Merkmalen wie Einbausituation, Kraft, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Lebensdauer, vor allem die Beschaffungs- und die Betriebskosten mit in die Entscheidungsfindung einzubeziehen, um so die geeigneten Linearachsen unter ganzheitlichen Gesichtspunkten gezielt auswählen zu können. 2. Vergleich von NC-Linearachsen Wegen ihrer hohen Dynamik und Genauigkeit werden NC-Linearachsen in der Montageautomation vorwiegend mit folgenden Antriebsarten eingesetzt: servopneumatischer, kolbenstangenloser Zylinderantrieb mit Servoventilen, servoelektrischer Zahnriemenantrieb mit Getriebe und AC-Motor (rotativ), servoelektrischer Spindelantrieb mit Getriebe und AC-Motor (rotativ), servoelektrischer Linearmotorantrieb mit AC-Motor (linear). Gemeinsames Merkmal dieser Antriebe ist das Führungssystem, das aus einem Aluminium- Profil mit vier geschliffenen Führungsbahnen und einem in der Regel auf acht hochdynamischen Stahlrollen gleitenden Schlitten aus Aluminium besteht. Um die Vergleichbarkeit der Antriebe zu gewährleisten, wurden für die Versuchsreihen Achsen mit annähernd gleicher Nennkraft am Schlitten und einem Hub von 400 mm ausgewählt (Bild 1). Alle Achsen mussten eine Nutzlast von 3,5 kg bewegen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die elektrischen Achsen im Gegensatz zu den pneumatischen kurzfristig Maximalkräfte aufbringen können, die ein Mehrfaches ihrer Nennkräfte betragen. Dieses charakteristische Merkmal der elektrischen Linearachsen ist bei kurzen Beschleunigungs- und Bremsphasen sehr von Vorteil. Durch die unterschiedlichen Messsysteme, die Übersetzungsverhältnisse und die Teilungsfaktoren in den Servoreglern ergeben sich auch

3 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 2) verschieden hohe Auflösungen an den Achsschlitten. Die höchste Auflösung bietet die Linearmotorachse mit 0,03 µm (Tabelle1). Bild 1: Probanten der Versuchsreihe Achssysteme im Vergleich ( von links nach rechts): pneumatische Zylinderachse (SP), elektrische Zahnriemenachse (ZR), Spindelachse (SM) und Linearmotorachse ()

4 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 3) Antriebsarten Voraussetzungen Dim. Pneumatikachse (SP) Zahnriemenachse (ZR) Spindelachse (SM) Linearmotorachse () Antriebsprinzip Pneumatischer Zylinder, Kolben, Zugband AC-Servomotor, Getriebe, Zahnrad, Zahnriemen AC-Servomotor, Spindel, Mutter AC-Linearmotor am Schlitten, Sekundärteil auf Führung Bauvolumen komplett dm 3 5,0 11,6 10,6 6,6 Masse des kompletten Schlittens kg 1,2 1,5 2 4,6 Masse der kompletten Führung Antriebsgewicht komplett kg 5,3 16,4 11,0 6,4 kg 6,5 17, Nennkraft am Schlitten N max. zulässige Geschwindigkeit Meßprinzip Auflösung des Meßsystems (auf den Schlitten bezogen) Einbaulage Aufspannung m/s 4,0 4,9 2,4 4,0 inkremental, optisch am Schlitten Multiturn-Resolver im Motor Multiturn-Resolver im Motor inkremental, magnetisch am Schlitten µm 5 2,1 0,8 0,03 horizontale Bewegungsrichtung Schlitten oder Führungsprofil bewegt Maximalhub Nutzlast mm kg 400 3,5 Tabelle 1: Technische Daten der im Vergleich verwendeten Antriebsarten Bei den Versuchsreihen wurden alle Achsen nur horizontal bewegt. Zur Beurteilung ihres für Positionieraufgaben in der Montageautomation entscheidenden Bewegungsverhaltens wurden die Ergebnisse für ein fest eingespanntes Führungsprofil mit bewegtem Schlitten sowie für einen fest eingespannten Schlitten mit bewegtem Führungsprofil getrennt untersucht.

5 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 4) Position s [mm] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 SM ZR SP Zeit t [ms] Bild 2: Bewegungsprofil bei bewegtem Schlitten mit 0,2 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast Achskonfigurationen mit Schlittenbewegungen in X-Richtung sind bei Linienportalen, Flächenauslegern, Flächenportalen sowie Kreuztischen zu finden. Die Positionierzeiten wurden bei Erreichen des Sollwertes (Toleranz +/- 0,02 mm) ermittelt. Auffällig ist das unruhige Positionierverhalten der servopneumatischen Achse (SP) bei kurzen Wegen (Bild 2). Hier führt das Stick-Slip-Verhalten zu unkontrollierbaren Bewegungen mit längeren Stillstandszeiten und damit zu einer Gesamtpositionierzeit von 93 ms. Die Zahnriemen- (ZR) und Spindelachse (SM) benötigt aufgrund der sich schneller aufbauenden Verfahrkräfte mit 0,2 s eine kurze Anfahrzeit zur Zielposition. Wegen der langen Einregelzeiten ergeben sich trotzdem Positionierzeiten von 75 ms und 85 ms. Dagegen zeigt die Linearmotorachse () einen sehr harmonischen Verlauf und erreicht aufgrund der geringen Reibung und Elastizität mit 65 ms die kürzeste Positionierzeit. Als Folge der geringen Positionsauflösung des Wegmesssystems ist der Geschwindigkeitsverlauf der Pneumatikachse (SP) sehr unruhig (Bild 3). Auch der Verlauf der Zahnriemen- (ZR) und Spindelachse (SM) erweist sich gegenüber der Linearmotorachse () als unruhig (Bild 3).

6 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 5) Geschwindigkeit v [m/s] 0,025 0,02 0,015 0,01 0, ,005-0,01 SM ZR SP -0, Zeit t [ms] Bild 3: Geschwindigkeitverläufe bei bewegten Schlitten mit 0,2 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast Position s [mm] ZR SM SP Zeit t [ms] Bild 4: Positionierverläufe bei bewegten Schlitten mit 200 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast Wird der Positionierhub auf 200 mm erhöht, benötigt die Zahnriemenachse mit 140 ms die kürzeste Positionierzeit, gefolgt von der Linearmotorachse mit 150 ms, der Spindelachse mit 210 ms und der Pneumatikachse mit 240 ms (Bild 4). Keine großen Veränderungen ergeben

7 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 6) sich bei der Betriebsart Bewegtes Führungsprofil, fest eingespannter Schlitten im Hinblick auf die Positionsverläufe. Dagegen unterscheiden sich die Positionierzeiten deutlich. Die Linearmotorachse benötigt mit 200 ms die kürzeste Zeit, gefolgt von der Spindel- und Zahnriemenachse mit 210 ms und 220 ms sowie der Pneumatikachse mit 300 ms. 3. Versuchsergebnisse und Praxisempfehlungen Die Versuchsergebnisse unterstreichen bei bewegten Führungsprofilen die Überlegenheit der Linearmotorachsen in der Positionierqualität, sowohl bei extrem kurzen Hüben von 0,2 mm als auch bei Hüben bis 400 mm (Tabelle 2). Antriebsarten Messungen Dim. Pneumatikachse (SP) Zahnriemenachse (ZR) Spindelachse (SM) Linearmotorachse () Positionsgenauigkeit mm 0,01 0,15 0,01 < 0,001 Geschwindigkeitsgenauigkeit bei 1 m/s Maximalgeschwindigkeiten Minimalgeschwindigkeiten Maximalbeschleunigungen mm/s ,5 2,5 m/s 3 3,4 2,7 3,3 mm/s 3 1 0,2 0,3 m/s Zykluszeiten s 0,76 0,38 0,59 0,42 Geräuschentwicklung dba Tabelle 2: Versuchsergebnisse bei bewegten Schlitten, 400 mm Hub und 3,5 kg Nutzlast Bei der Linearmotorachse liegt die Positionier- und Wiederholgenauigkeit unter 1 µm. Ihre Geschwindigkeitsgenauigkeit entlang des Gesamthubes ist selbst bei diffizilen Montagevorgängen ausreichend, und auch die Minimal- und Maximalgeschwindigkeiten liegen im Spitzenfeld der Prüflinge. Bei der Geräuschentwicklung überzeugt die Pneumatikachse mit dem geringsten Geräuschpegel. Berücksichtigt man außerdem die wenigen Verschleißteile der Linearmotorachse, so muss ihr Langzeitverhalten zwangsläufig besser als das der anderen Achsen bewertet werden. Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Linearmotorachse

8 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 7) hinsichtlich Genauigkeit, Geschwindigkeit, Regelbarkeit, Langzeitverhalten und Kompaktheit gegenüber allen anderen Linearachsen deutliche Vorteile aufweist. 4. Kostenaspekt für Beschaffung und Betrieb Um eine fundierte Vergleichsbasis zu erhalten, wurden die Investitionskosten der Achsen auf das Kostenniveau der Pneumatikachse bezogen (Tabelle 3). Zeile 1 zeigt, dass die Investition für eine elektrische Achse durchschnittlich 50% höher liegt, wobei die Linearmotorachse bei dieser Antriebsart die günstigste ist. Antriebsarten Kostenberechnung Pneumatikachse (SP) Zahnriemenachse (ZR) Spindelachse (SM) Linearmotorachse () 1 rel. Investitionskosten 100% 155% 156% 138% 2 3 Zykluszeit bei 2x400mm Hub Zyklen in 5 Jahren und 2 Schichten 4 Leistungsbedarf 5 6 Energiekosten in 5 Jahren und 2 Schichten Energiekosten auf 0,76 s Zykluszeit bezogen 0,76 s 0,38 s 0,59 s 0,42 s 91 Mio 182 Mio 117 Mio 165 Mio 200 Nl/min bei 6 bar 400 W 380 W 500 W rel. Energiekosten 100% 2% 3% 3% 8 rel. Inbetriebnahmekosten 100% 293% 293% 286% 9 rel. Servicekosten 100% 38% 35% 33% 10 rel. Gesamtkosten 100% 45% 44% 40% Tabelle 3: Kenndaten zur Beurteilung der Investitions- und Betriebskosten der NC- Linearachsen Aus den Zykluszeiten (Zeile 2) und den Zyklen von fünf Jahren bei 2-Schicht-Betrieb (Zeile 3) lassen sich die vom Leistungsbedarf (Zeile 4) abhängigen Energiekosten (Zeile 5) errechnen. Dabei wird deutlich, dass die elektrischen Achsen erheblich weniger Kosten verursachen als die pneumatischen. In der Versuchsreihe wurden alle Antriebe im Dreiecksbetrieb, ohne wirkende Geschwindigkeitsbegrenzung und ohne Unterbrechungen,

9 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 8) betrieben. Diese Betriebsart hat eine hohe Erwärmung der Motoren zur Folge und ist für den Dauerbetrieb unzulässig. Werden dagegen die elektrischen Achsen mit der längeren Zykluszeit der Pneumatikachse betrieben, so ergeben sich die Energiekosten aller Achsen gemäß Zeile 6. Bezieht man diese Kosten wieder auf die Pneumatikachse (Zeile 7), so beeindruckt die Linearmotorachse mit nur 3% der Energiekosten der Pneumatikachse. Die Kosten für die Inbetriebnahme (Zeile 8) der elektrischen Achsen sind aufgrund der aufwändigen Absicherungen und Verkabelungen deutlich höher als bei der pneumatischen Achse. Dagegen liegen die Servicekosten (Zeile 9) dieser Achse wegen der größeren Zahl an Verschleißteilen höher. Schließlich wird aus Zeile 10 deutlich, dass die Gesamtkosten der elektrischen Achsen im Mittel nur 43% der Kosten der pneumatischen Achsen betragen. 5. Zusammenfassung der Vergleichsergebnisse von NC-Linearachsen Beim Vergleich der handelsüblichen NC-Linearachsen mit unterschiedlichen Antrieben erweist sich, was die Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Daten anbelangt, die Linearmotorachse als eindeutig besser. Die herausragenden und ergebnisbestimmenden Eckdaten sind dabei die Investitions- und Energiekosten. Erstere liegen bei den elektrischen Achsen um 50% höher als die der pneumatischen Achsen. Dagegen sind bei den Energiekosten der elektrischen Achsen aufgrund des besseren Wirkungsgrades nur 3% der pneumatischen Achsen aufzuwenden. Bei den Gesamtkosten schlagen die elektrischen Achsen mit nur 43% der Kosten der pneumatischen Achsen zu Buche. 6. Vergleich von pneumatischen Endlagenachsen mit Linarmotor-Achsen Aus Abschnitt 4 geht hervor, daß erst die Betrachtung der Gesamtkosten einen echten Vergleich zwischen der Wirtschaftlichkeit pneumatischer und elektrischer Achsen gestattet. Es wurde auch deutlich, dass die höheren Investitionskosten der elektrischen Antriebe durch die hohen Betriebskosten der pneumatischen Achsen überkompensiert wurden. Insbesondere gilt, dass größere zu belüftende Volumina und niedrige Zykluszeiten die Betriebskosten pneumatischer Achsen stark erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit der Linearmotorachsen begründen.

10 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 9) Andererseits wäre es interessant festzustellen, wo die Grenze der Wirtschaftlichkeit von Linearmotor-Achsen im Vergleich zu kleineren Pneumatikachsen liegt. Es wurden deshalb endlagengesteuerte Pneumatikachsen mit den Zylinderdurchmessern 16 mm und 32 mm mit ensprechenden Linearmotorachsen ähnlicher Vorschubkräfte verglichen. Bild 5 zeigt den Baukasten der pneumatischen Endlagenachsen, aus dem die beiden kleineren Achsen ausgewählt wurden. Bild 5: Pneumatische Endlagenachsen

11 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 10) Entsprechend sind in Bild 6 die Linearmotorachsen dargestellt, von denen die Achsen 2 und 4 (von links gezählt) untersucht wurden. Bild 6: Linearmotor-Achsen Für alle untersuchten Achsen wurde ein Hub von 100 mm und wiederum die Zykluszeit von 0,76 s gewählt. Ähnlich wie in Tabelle 3 zeigt Tabelle 4 die Ergebnisse des Achsverlgeichs. Auffällig sind die hohen Investitionskosten der Linearmotor-Achsen von durchschnittlich 266% gegenüber den Endlagenachsen (Zeile 1). Der wesentliche Grund sind die kostenintensiven Regelverstärker der Linearmotor-Achsen. Die relativen Energiekosten in Zeile 2 sind bei den Linearmotor-Achsen erwartungsgemäß niedriger aber aufgrund der geringeren Zylindervolumina höher als in Tabelle 3. Die Inbetriebnahme- und Servicekosten (Zeilen 3 und 4) sind ähnlich zu denen in Tabelle 3. Aus Zeile 5 geht das Gesamtergebnis hervor. Es zeigt sich, daß die Linearmotor-Achsen auch gegenüber pneumatischen Endlagenachsen nicht nur wirtschaftlicher sind, sondern durch die freie Positionierbarkeit auch deutliche technische Vorteile besitzen.

12 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 11) Linearachsen Kostenberechnung pneum. Endlagen-Achse PE 32/250/100 Linearmotor- Achse 0/200/100 pneum. Endlagen-Achse PE 16/120/100 Linearmotor- Achse 0/100/100 1 rel. Investitionskosten 100% 248% 100% 285% 2 rel. Energiekosten 100% 13% 100% 29% 3 rel. Inbetriebnahmekosten 100% 202% 100% 202% 4 rel. Servicekosten 100% 36% 100% 36% 5 rel. Gesamtkosten 100% 77,4% 100% 98,4% Tabelle 4: Wirtschaftlichkeitsvergleich von pneumatischen Endlagenachsen und Linearmotorachsen 7. Zusammenfassung Im Diagramm in Bild 7 sind alle untersuchten Achsen (Servopneumatik-, Endlagenpneumatik- und Linearmotor-Achsen bezuglich Ihrer Wirtschaftlichkeit zusammengestellt. Es wird nochmals deutlich, dass die Linearmotor-Achse bezüglich der Gesamtkosten deutlich niedriger liegt als die servopneumatische Achse. Auch zeigt es sich, dass Linearmotor-Achsen sogar wirtschaftlicher sind als vergleichbare pneumatische Endlagenachsen. Der Schnittpunkt der Wirtschaftlichkeit liegt bei pneumatischen Endlagenachsen bei einem Zylinderdurchmesser von 8 mm und einem Hub von 100 mm.

13 Prof. Dr.-Ing. habil. W.-D. Goedecke: Linearachsen im Vergleich (Seite 12) Gesamtkostenvergleich von Linearachsen relative Gesamtkosten % SP 210/ /400 PE 250/ /100 PE 120/ /100 Bild 7: Relative Gesamtkosten für alle untersuchten Achsen Aufgrund der rasanten technischen Entwicklung der Linearmotor-Achsen sind in absehbarer Zeit Ergebnisse zu erwarten, die den Forderungen nach höherer Dynamik, Genauigkeit, Verfügbarkeit und Wirschaftlichkeit noch stärker nachkommen. Damit werden zukünftig Linearmotor-Achsen immer stärker auch in jene Bereiche vordringen, in denen heute pneumatische Endlagenachsen eingeführt sind. Literatur: W.-D. Goedecke, Volker Langguth: Vergleich servopneumatischer und servoelektrischer Linearachsen, O + P, Zeitschrift für Fluidtechnik, Nr. 4/2004.