Aktorik und Antriebstechnik

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1 Identifizierungs- und Automatisierungstechnik Aktorik und Antriebstechnik Prof. Dr. Michael ten Hompel Sascha Feldhorst Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen TU Dortmund 1

2 Aktorik und Antriebstechnik Gliederung Einführung Bewegung Antriebe Szenarien Verzweigungen Fahrerlose Transportsysteme RBG Zusammenfassung Ansteuerung elektrischer Antriebe 2

3 Einführung: Einordnung und Lernziele Aufgaben von Aktoren verstehen Relevante Bewegungsarten und zugehörige Aktoren kennenlernen Wandlung elektrischer in physikalische Größen anhand einfacher Beispiele nachvollziehen Typische logistische Einsatzszenarien kennenlernen Eigenschaften verschiedener Aktorklassen benennen können 3

4 Einführung: Beteiligte Komponenten (Wdh.) 4

5 Einführung: Beispielsystem Aufgabe: Weinflasche mit 0,75 l Bier zu füllen Komponenten: Sensor: Durchflusssensor ( l/sec.) Aktor: Ventil mit zwei Zuständen (AUF, ZU) Steuerungsgerät mit Spannungseingang (12V) und Spannungsausgang (12V) Funktionsweise: Prozessgröße ist Liter Steuerung versteht nur Spannungen (0-12V) Sensor wandelt Fluss in l/sec. in proportionale Spannung um, z.b. 1l/sec. = 5V Ventil reagiert abhängig von anliegender Spannung (0V = ZU, 12V = AUF) Sobald Ventil AUF misst die Steuerung den Fluss und kann dann die zur Füllung nötige Zeit berechnen 5

6 Einführung: Begriffliches Definition: Ein Aktor (lat.: Treiber/Vollzieher) wandelt eine vorzugsweise elektrische Größe in eine physikalische Größe unter Leistungsverstärkung um. Gegenstück zum Sensor, der eine physikalische Größe in eine elektrische umwandelt Hauptaufgaben: Eingriff in den Prozess Beeinflussung von Stoff- oder Energieströmen Realisierung von rotatorischen (drehend) oder translatorischen (geradlinig) Bewegungsformen 6

7 Einführung: Bewegungsarten Im Rahmen dieser Vorlesung werden zwei Bewegungsarten unterschieden Translation oder lineare Bewegung Alle Punkte des Körpers bewegen sich in gleicher Richtung Beschreibt eine geradlinige Bewegung Rotation oder drehende Bewegung Alle Punkte des Körpers bewegen sich auf einer kreisförmigen Bahn Beschreibt eine drehende Bewegung Zusätzlich kann eine Bewegung kontinuierlich und diskontinuierlich erfolgen Bildquelle: Vetmeduni Wien 7

8 Einführung: Beispiel Translation Doppeltwirkender Differentialzylinder Pumpe Flüssigkeit oder Luft Beweglicher Kolben mit einseitiger Kolbenstange Diskontinuierliche Bewegung 8

9 Einführung: Beispiel Rotation Ventilator Drehbarer Rotor Energie am Netzanschluss abgenommen Kontinuierliche Bewegung 9

10 Einführung: Arten der Bewegungsübertragung Rotation Rotation EHB-Fahrantrieb Walzantrieb Rotation Translation Hubwerk Regalbediengerät Vertikalförderer (Aufzug) Translation Translation Stellantrieb Bildquelle :TU Dresden 10

11 Antriebe: Klassifizierung Klassifizierung erfolgt i.d.r. anhand des geforderten Bewegungsablaufes Bewegungsantriebe für kontinuierliche Bewegungen, z.b. von Kranen, Fördertechnik, Fahrzeugen Stellantriebe für diskontinuierliche Bewegungen; fahren eine fest definierte Position an, z.b. Hubeinrichtungen Positionierantriebe für diskontinuierliche Bewegungen; fahren definierte Positionen in einem definierten Bereich an, z.b. Antrieb eines Regalbediengeräts oder einer EHB Bildquelle: wiki-hilfe.de 11

12 Antriebe: Antriebsarten Handantriebe Hydraulische Antriebe Pneumatische Antriebe Verbrennungsmotorische Antriebe Elektromotorische Antriebe Druckzylinder und Kolben Druckzylinder und Kolben Ottomotor Gleichstrommotor Hydromotor Pneumatikmotor Dieselmotor Drehstrom Asynchronmotor Treibgasmotor Getriebemotor Dieselelektrisch Linearmotor Benzinhydraulisch Schrittmotor Servomotor Quelle: Vorlesung Fördertechnik 12

13 Antriebe: Charakterisierende Eigenschaften Bewegung Translation oder Rotation Kontinuierlich oder Diskontinuierlich Leistungsindikatoren Reaktionszeit Genauigkeit Moment Randbedingungen Baugröße Arbeitsumgebung Elektrische Charakteristik (AC/DC, Leistungsaufnahme, ) 13

14 Szenario: Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) 14

15 Szenario: FTF Beschreibung Ort: An einem Fahrerlosen Transportfahrzeug Aufgabe: Unstetiger Transport von Paletten und Gitterboxen innerhalb eines logistischen Systems Antriebsaufgaben: Bewegungsantrieb der Fahrzeuge Hubvorrichtung der Gabel Bildquelle: psb 15

16 Szenario: FTF Beispiel FTF am IML Das IML betreibt ein fahrerloses Transportfahrzeug im OpenID-Center Merkmale: Ausgelegt für den Transport von Paletten Navigation mit einem Laserscanner Verbaute Aktoren: Aufgabe Bewegungsantrieb Gabelhubvorrichtung Aktortyp Gleichstrommotor Hydraulik 16

17 Szenario: FTF Fluidische Aktorik Elemente fluidischer Antriebssysteme: Druckerzeuger Pumpe (Hydraulik) Kompressor und Druckluftbehälter (Pneumatik) Druckstromverbraucher (Antriebe) Hubzylinder Kolbenmotoren Stellglieder Ventile zum Steuern des Fluidstroms Leitungen zur Übertragung des Mediums Bildquelle: 17

18 Szenario: FTF Hydraulische Aktoren Ausführung: Stellglied: elektro-hydraulisches Steuerventil Antrieb: Hubzylinder, Axial-, Radialkolbenmotoren Geschlossener Stromkreis (Ölkreislauf) Einsatzbeispiele: Hubvorrichtungen an Aufzügen Schubmaststaplern Hub-Scheren-Tische Radnabenmotoren als Fahrantrieb von Staplern Bildquelle: Tisch (Indulab) 18

19 Szenario: FTF Merkmale hydraulischer Aktorik Vorteile Hohe Energiedichte, große Kräfte bei kleinen Abmessungen F = p x A (A-Fläche, p-druck, F-Kraft) Typische Druckbereiche 200 bis 500 Bar Kräfte von einigen 10 kn auf kleinstem Raum übertragbar Gut steuerbar und grundsätzlich regelbar Einfache Umkehrung der Bewegungsrichtung Kleinbauende Antriebsaggregate mit höchsten Wirkungsgraden Nachteile Niedrige Elastizität des Mediums Öl und der Leitungen Rückführung erforderlich Temperatur- und druckabhängiges Verhalten Leckageanfälligkeit durch hohe Drücke Filterung des Öls durch Zusatzaggregate Geringe Übertragungsentfernungen 19

20 Szenario: FTF Arten elektrischer Antriebe Gleichstrommotoren Wechselfeldmaschinen Drehstrommotoren (synchron, asynchron) Wechselstrommotoren Sonderbauformen Schrittmotoren Linearmotoren 20

21 Szenario: FTF Aufbau eines Elektromotors Ein Elektromotor* besteht im Grunde aus 3 Teilen: Ständer: Feststehender elektromechanischer Teil Läufer: Rotierender elektromechanischer Teil Gehäuse inkl. Lager und Kühlung Die Baugröße eines Motors = Abstand (mm) von der Welle zur Auflage (*) Ausnahme: Linearmotor 21

22 Szenario: FTF Exkurs Elektromagnetismus 1/2 Stromdurchflossene Leiter und Magnetfelder Stromdurchflossene Leiter umgibt ein Magnetfeld Auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zum Leiter (Lorentzkraft) Richtung der Ablenkkräfte hängt von der Richtung des Polfeldes und der Stromrichtung ab Bildquelle: Fachkunde Elektrotechnik, Europa Lehrmittel (alle Bilder) 22

23 Szenario: FTF Exkurs Elektromagnetismus 2/2 Stromdurchflossene Spulen und Magnetfelder In Leiterschleifen bilden sich Nord- und Südpol aus Stromdurchflossene Spulen sind Elektromagnete Auf stromdurchflossene Spule im Magnetfeld wirkt eine Rotationskraft abhängig von Polfeld und Stromrichtung Bildquelle: Fachkunde Elektrotechnik, Europa Lehrmittel (alle Bilder) 23

24 Szenario: FTF Funktionsprinzip Gleichstrommotor Kohlen sind an Plus- bzw. Minuspol angeschlossen Kollektor dreht die Stromrichtung in der Läuferwicklung Umkehrung der Drehrichtung durch Umpolung möglich Versuchen Sie es selbst unter: Bildquelle: Walter Fendt 24

25 Szenario: FTF Gleichstrommotoren Wandelt Gleichstrom in mechanische Energie um Aufbau: Elektro- oder Permanentmagnet im Ständer Läufer Läuferwicklungen Kollektor/Stromwender Kohlen Einsatzbeispiele: Fahrerlose Transportsysteme Fensterheber Scheibenwischer Quelle: 25

26 Anlaufverhalten - Gleichstrommotor Motor muss beim Hochlaufen gegen die Momente der Maschine beschleunigen Deshalb muss Anlaufmoment höher als das Lastmoment sein. Beschleunigungsmoment: M B = M A -M L M [N m] M A M B M M Nennbetriebspunkt M L n [1/min] M L : M B : M M : M A : Lastmoment eines Hebezeuges Beschleunigungsmoment Motorkennlinie Gleichstrom Reihenschlussmotor Anlaufmoment = Motorkennlinie links des Nennbetriebspunktes Quelle: Vorlesung Fördertechnik 26

27 Szenario: FTF Merkmale von Gleichstrommotoren Vorteile Nachteile Stufenlose Drehzahlsteuerung Auch hohe Drehzahlen möglich Guter Gleichlauf (Drehzahlkonstanz) Hohe Dynamik (Beschleunigungsvermögen) Verschleiß: Abgriff der Ankerspannung Spannungsabnahme an Segmenten Spannung begrenzt (Spg. zwischen zwei Kollektorlamellen < 30V) Gut gleichgerichtete Eingangsspannung nötig Rucken bei sehr niedrigen Drehzahlen Kein Notbetrieb bei Stromrichterausfall Funkenbildung möglich Quelle: 27

28 Szenario: Verzweigungen 28

29 Szenario: Verzweigungen Beschreibung Ort: Verzweigungselemente in Stetigförderanlagen Aufgabe: Pakete kommen an und müssen entsprechend ihrem Ziel geleitet werden Antriebsaufgaben: Antrieb in Hauptförderrichtung Antrieb in Nebenförderrichtung Heben und senken des Transfers 29

30 Szenario: Verzweigungen Beispiel Energieeffizienzanlage Fördertechnik: Geraden: Rollenbahnen, Gurtförderer Verzweigungselemente: Rollentransfer, Kettentransfer, Gurttransfer Verbaute Aktoren: Aufgabe Gurtantrieb Rollenbahnantrieb Anheben des Rollentransfers Anheben des Gurttransfers Transferantrieb Aktortyp Drehstrommotor Gleichstrommotor Pneumatik Pneumatik Drehstrommotor 30

31 Szenario: Verzweigungen Pneumatische Aktorik Ausführung: Stellglied: elektro-pneumatisches Steuerventil Ähnliche Ausführung wie in der Hydraulik Oft keine Leitungsrückführung erforderlich (Kompressibilität) Luft wird am Aktor in die Atmosphäre ausgeblasen Einsatzbeispiele: Verzweigungen in Stetigförderanlagen Schwenkeinrichtungen (z.b. Bandabweiser) Ausschleuseinrichtung (z.b. Pusher) Realisierung einer Staufunktion bei Stetigfördertechnik (z. B. Staurollenförderer) Quelle: 31

32 Szenario: Verzweigungen Merkmale pneumatischer Aktorik Vorteile Hohe Zuverlässigkeit Keine Verschmutzung oder Gefährdung bei Leitungsbruch Große Übertragungsentfernungen möglich Einfache Steuerung durch elektrisch betätigte Wegeventile Für explosionsgefährdete Bereiche geeignet Keine Funkenbildung Keine starke Aufheizung wie bei Öl Nachteile Nichtlineare Elemente, Kompressibilität des Mediums Luft Verzögerungen, Übertragungsgeschwindigkeit durch Schallgeschw. begrenzt Leitungsführung ist zu beachten (Leitungsgefälle wg. Kondensat) Nur geringe Kraftübertragung möglich (Druckbereich 6 bis 10 bar) Geräuschentwicklung 32

33 Szenario: Verzweigungen Arten elektrischer Antriebe Gleichstrommotoren Wechselfeldmaschinen Drehstrommotoren (synchron, asynchron) Wechselstrommotoren Sonderbauformen Schrittmotoren Linearmotoren 33

34 Szenario: Verzweigungen Exkurs Dreiphasenwechselstrom Jede Phase um 120 phasenverschoben Erzeugt durch drei um 120 verschobene Spulen und Polrad Spannung zwischen einem Außen- und Neutralleiter 230V Spannung zwischen zwei Außenleitern: 400V Bildquelle: Fachkunde Elektrotechnik, Europa Lehrmittel (alle Bilder) 34

35 Szenario: Verzweigungen Drehstrommotor (vereinfacht) Spulen im Ständer bauen wechselndes Magnetfeld auf (Drehfeld) Drehfeld wirkt auf magnetisierten Läufer Umkehrung der Drehrichtung durch Vertauschen von zwei Außenleitern Drehzahl abhängig von Frequenz des Drehstroms (z.b. 50 Hz) Bildquelle: Frei nach A. Wendt 35

36 Szenario: Verzweigungen Drehstromasynchronmotor (DAM) Magnetisierter Läufer wird asynchron vom magnetischen Drehfeld des Ständers mitgenommen Aufbau: Ständerwicklungen (Spulen) Läufer in verschiedenen Ausführungen Kurzschlussläufer (Käfigläufermaschinen) Schleifringläufer (Schleifringläufermaschinen) Einsatzbeispiele: Rollenförderer Bandförderer Antriebe für Flurförderzeuge Bildquelle: Fachkunde Elektrotechnik, Europa Lehrmittel (Bild unten) 36

37 Szenario: Verzweigungen Anlaufverhalten eines DAM Motor muss beim hochlaufen gegen die Momente der Maschine beschleunigen Deshalb muss der Anlaufstrom 4 8 mal höher sein als der Laststrom Anlaufstrombegrenzung M [N m] M L : Lastmoment eines Hebezeuges M M M B : Beschleunigungsmoment M M : Motorkennlinie Drehstrom - Asynchronmotor M B M L Möglichkeiten der Anlaufstrombegrenzung Erhöhung des Läuferwiderstands Verminderung der Ständerspannung Nennbetriebspunkt n [1/min] Quelle: Vorlesung Fördertechnik 37

38 Szenario: Verzweigungen Kennlinie eines DAM Im stabilen Arbeitspunkt: M M - M L = 0 dm L / dn > dm M / dn (e) Legende: M K : Kippmoment = max. Moment n s : synchrone Drehzahl 38

39 Szenario: Verzweigungen Merkmale von DAM Vorteile Lange Lebensdauer Notbetrieb (50/60Hz) möglich Einfach installierbar Robust und betriebssicher bei Kurzschlussläufern (kein Abgriff am Läufer nötig) Nachteile Geringes Anlaufmoment Feste Drehzahl, an Frequenz des Energienetzes gebunden Polpaarzahl verstellen Polumschaltung ermöglicht ganzzahlige Teilung der Drehzahl Einsatz Frequenzumformer variable Frequenz variable Drehzahl 39

40 Szenario: Regalbediengerät 40

41 Szenario: Regalbediengerät Beschreibung Ort: Regalbediengerät in Hochregal Aufgabe: Paletten ein-, um- oder auslagern Antriebsaufgaben: Fahrbewegung des RBG (x-achse) Hubbewegung des RBG (y-achse) Lastaufnahmemittel ausfahren Lastaufnahmemittel anheben bzw. absenken 41

42 Szenario: Regalbediengerät Beispiel Hochregal des FLW FLW betreibt in seiner Versuchshalle Hochregal samt automatisierten RBG Verbaute Aktoren: Aufgabe Fahrantrieb Hubantrieb Lastaufnahmemittel ausfahren Lastaufnahmemittel heben/senken Aktortyp Servoantrieb Fahrt Servoantrieb Hub Drehstrommotor Servoantrieb Hub 42

43 Szenario: Regalbediengerät Servoantriebe Bei Servoantrieben handelt es sich um elektronisch geregelte Antriebssysteme Aufbau: Servomotor Ausführung nicht festgelegt, z.b. Gleichstrom oder Wechselstrom Regler zur Lage-, Moment- oder Geschwindigkeitsregelung Einsatzbeispiele: Roboter Werkzeugmaschinen Regalbediengeräte 43

44 Szenario: Regalbediengerät Merkmale von Servoantrieben Vorteile Hohe Dynamik Hohe Genauigkeit durch Regelungssystem Hohe Zuverlässigkeit Nachteile Preis Komplexität (Parametrierung, Ansteuerung, ) 44

45 Zusammenfassung: Vor- und Nachteile der Antriebsarten 45

46 Zusammenfassung: Tendenzielle Auswahlhilfe Hydraulik bei Hohem Kraftbedarf Keinen hohen zeitlichen Anforderungen Pneumatik bei Geringem Kraftbedarf Geringer Genauigkeit Servomotor bei Hoher Dynamik Hoher Genauigkeit 46

47 Ansteuerung elektrischer Antriebe: Allgemeines Damit ein Antrieb den Prozess im gewünschten Maße beeinflusst, wird eine Ansteuerung benötigt Typische Aufgaben einer Antriebsansteuerung Hoher Wirkungsgrad der Energieumformung Umsetzung von Prozesssollwerten durch Kräfte, Momente, Drehzahlen und Wege Einhaltung von Toleranzbereichen der Prozessgrößen Schutz vor Überlastung Umgang mit Störeinflüssen 47

48 Ansteuerung elektrischer Antriebe: Relais Umschaltrelais Elektromechanischer Schalter Früher Standard bei der Motoransteuerung Heute in logistischen Anwendungen zunehmend durch Halbleitertechnik verdrängt Anwendungen: Große Arbeitsspannung mit kleiner Steuerspannung schalten Mehrere Aktoren mit einem Steuerungssignal schalten Bildquelle: Wikipedia 48

49 Ansteuerung elektrischer Antriebe: Stromrichter und Frequenzumformer Stromrichter Gleichrichter (AC/DC) Wechselrichter (DC/AC) Gleichstrom-Umrichter (DC/DC) Wechselstrom-Umrichter (AC/AC) Frequenzumformer Spezieller Wechselstrom-Umrichter Ändert Spannung und Frequenz eines Wechselstromsignals (AC/AC) Umwandlung erfolgt intern über Gleichspannung (AC/DC/AC) Arbeitet auf Basis von Halbleiterbauteilen Ansteuerung über integrierte Schnittstellen Bildquelle: [Eur09] (oben) Frei nach [Kie07, S.77] (unten) 49

50 Ansteuerung elektrischer Antriebe: Pulsweitenmodulation (PWM) Erzeugt Signal zur Ansteuerung eines Aktors PWM benutzt eine Rechteck-Puls-Folge Signal wechselt zwischen Zuständen ON und OFF PWM variiert die Zeit im Zustand ON (t 1 ) relativ zur Zykluszeit (T) Beispiel: 25% im Zustand ON bei 50 Hz (t 1 =5ms, T=20ms) Einsatzbeispiele: Ansteuerung von Gleichstrommotoren (zusammen mit Leistungsstufe) Dimmerschaltungen 5 ms ON, 15 ms OFF Bildquelle: Wikipedia (MatthiasDD) 50

51 Literatur [tfb08] ten Hompel, M.; Büchter, H.; Franzke, U. (2008): Identifikationssysteme und Automatisierung, Springer Verlag Berlin Heidelberg. [Eur09] Bastian, Peter et al. (2009): Fachkunde Elektrotechnik, 27. Aufl., Verlag Europa- Lehrmittel. [Kie07] Kiel, Edwin (2007): Antriebslösungen. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 51

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 52

53 Ansprechpartner Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen LogistikCampus Joseph-von-Fraunhofer-Str Dortmund Telefon: Fax: Prof. Dr. Michael ten Hompel Dipl.-Inform. Sascha Feldhorst Telefon: Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen Technische Universität Dortmund Prof. Dr. Michael ten Hompel 53