Edwin Kiel (Hrsg.) Antriebslösungen

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1 Edwin Kiel (Hrsg.) Antriebslösungen

2 Edwin Kiel (Hrsg.) Antriebslösungen Mechatronik für Produktion und Logistik Mit 310 Abbildungen und 51 Tabellen 123

3 Herausgeber Dr. Edwin Kiel Lenze AG Hans-Lenze-Str Aerzen, Deutschland Kiele@Lenze.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Text und Abbildungen wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Verlag und Autor können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig Einbandgestaltung: estudiocalamar S.L., F. Steinen-Broo, Pau/Girona, Spanien SPIN: /3180/YL Gedruckt auf säurefreiem Papier

4 Für Elisabeth Belling unserer Wegbegleiterin seit 60 Jahren

5 Vorwort Dieses Buch soll eine Lücke schließen. Es gibt viele Fachbücher, die E- lektromotoren und die Antriebsregelung beschreiben [z. B. GiHaVo03, Le97, Sch98, SchHo05b]. Es gibt allerdings bislang kein Buch, das die Anwendung von elektronisch geregelten Antrieben in Produktions- und Logistiksystemen darstellt. Nur für die Werkzeugmaschinen existiert eine entsprechende Fachliteratur [insbesondere We01a, We01b]. Die Basis dieses Buchs ist das umfangreiche Anwendungswissen, über das die Firma Lenze verfügt. Der Ausgangspunkt liegt im Jahr 2003, als wir begannen, die große Menge der Anwendungen, die mit unseren Produkten gelöst werden, zu klassifizieren. Bislang galt die Meinung, dass jede Anwendung speziell ist und einer individuellen Lösung bedarf. Dieses verhindert aber ein industrielles Arbeiten im Engineering-Prozess. Mit fortschreitender Analyse konnten wir dann 12 Klassen von Antriebsfunktionen finden und beschreiben, die in vielen Branchen des Maschinenbaus verwendet werden. Aus dieser Klassifikation entstand 2005 zunächst eine werbliche Druckschrift Antriebslösungen, die diese 12 Anwendungsgruppen jeweils auf einer Doppelseite plakativ darstellt [Le06]. Diese Druckschrift wurde sehr populär, weil sie eine Orientierung in der Anwendung der Antriebstechnik im Maschinenbau bietet. Ausgehend von diesen 12 Antriebslösungen entstand dann die Überlegung, diese mit deutlich mehr fachlicher Tiefe darzustellen. Da es hierfür noch keine Fachliteratur gibt, lag auch der Gedanke nahe, dieses in die Form eines Fachbuchs zu bringen. Das Ergebnis liegt hiermit vor. Nun ist das Schreiben eines Fachbuchs von über 500 Seiten keine Arbeit, die nebenher erfolgen kann. Es bedurfte eines Anlasses, dieses Projekt in die Tat umzusetzen. Das 60-jährige Jubiläum der Firma Lenze im Jahr 2007 bot diesen Anlass. Lenze hat seinen Kunden neben den Produkten immer auch kompetente Anwendungsberatung geboten, und so lag es nahe, das Thema Antriebslösungen zum Titel des Buchs zu wählen. Weiterhin haben wir in 2006 begonnen, das Wort Mechatronik, das das Zusammenspiel von Maschinenbau, Elektronik und Informatik beschreibt, für unsere Lösungen zu benutzen. Mechatronische Antriebslösungen werden in Produktionen und zunehmend auch in Logistikzentren eingesetzt, um dort einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen.

6 viii Vorwort Ich möchte an dieser Stelle zunächst Dr. Erhard Tellbüscher, dem Vorstandsvorsitzenden der Lenze AG, danken, der die Anregung gab und den Freiraum schuf, der notwendig ist, dieses Vorhaben umzusetzen. Der Inhalt ist das Gemeinschaftswerk von insgesamt 26 Autoren. Ihnen gilt mein Dank, da diese außerhalb ihrer Arbeitszeit ihre Themengebiete strukturiert und dann dargestellt haben. Im einzelnen sind dieses neben meiner Person die Kollegen Volker Bockskopf, Andreas Diekmann, Sabine Driehaus, Martin Ehlich, Frank Erbs, Dr. Carsten Fräger, Thorsten Gaubisch, Olaf Götz, Ralf-Torsten Guhl, Martin Harms, Torsten Heß, Dr. Sven Hilfert, Markus Kiele-Dunsche, Detlef Kohlmeier, Karsten Lüchtefeld, Sebastian Lülsdorf, Ralf Scharrenbach, Rolf Sievers, Matthias Stöwer, Uwe Tielker, Markus Toeberg, Johann Peter Vogt, Karl-Heinz Weber, Hans-Joachim Wendt und Stefan Witte. Zu einem guten Fachbuch gehört eine hohe Anzahl an Abbildungen. Hieran haben Michael Hartung, Andreas Mletzko, Stephan Riese und Jutta Stuckenbrock gearbeitet. Jörg Baldig und Sandra Schindler haben daneben Abbildungen von anderen Unternehmen beschafft. Weitere Unterstützung für dieses Buch gaben Volker Arlt, Jörg Baldig, Nicole Funck, Harald Hilgers, Josef Lackhove, Cristian M. Popa und Andreas Tolksdorf. Die intensive fachliche Durchsicht übernahmen Dr. Jörn Steinbrink von der Leibniz-Universität Hannover und Prof. Dr. Karl-Dieter Tieste von der Fachhochschule Braunschweig-Wolfenbüttel. Insbesondere unser ehemaliger Kollege Prof. Tieste hat sich sehr intensiv in das Konzept hineingedacht und viele wertvolle Hinweise zur Verbesserung des Inhalts geliefert. Dem Springer-Verlag und namentlich Eva Hestermann-Beyerle und Monika Lempe sowie Steffi Hohensee von der Fa. Le-Tex danken wir für die gute Zusammenarbeit. Zum Schluss möchte ich noch drei Kollegen herausstellen, ohne die dieses Buch nicht fertig geworden wäre. Das ist zunächst Stephan Riese, der neu in das Unternehmen kam und dann sehr geduldig einen großen Teil der Organisationsarbeit übernahm. Karl-Heinz Weber ist der Kollege, der das umfassendste Anwendungswissen hat und der damit auch der führende Kopf hinter den Antriebslösungen und den zahlreichen Einsatzbeispielen ist. Er hat selber an vier Kapiteln gearbeitet und die Kollegen, die die anderen Anwendungskapitel verfasst haben, umfassend unterstützt. Zum Abschluss gilt mein ganz besonderer Dank meinem Kollegen Hans-Joachim Wendt, der das ganze Projekt intensiv begleitet und maßgeblich mitgestaltet hat. Nur mit seiner Mithilfe konnte das Buch diese Reife und Form gewinnen. Hameln, Juli 2007 Edwin Kiel

7 Autorenverzeichnis Volker Bockskopf. Studium des Maschinenbaus an der Universität Paderborn. Aufbaustudium "Qualitäts- und Umweltmanagement" an der Akademie Fresenius, Dortmund : Implementierung von Qualitäts- und Umweltmanagementsystemen. Implementierung von Prozessmanagementsystemen. Seit 2001 bei Lenze: Internationales Prozessmanagement, Fachgebiet Umwelt- und Arbeitsschutz. Andreas Diekmann. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Energietechnik, an der FH Bielefeld : Elektrokonstruktion, SPS-Programmierung. Seit 2004 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe, Produktschulungen, Softwareerstellung von standardisierten Applikationen. Sabine Driehaus. Studium der Elektrotechnik an der FH Osnabrück und University of the West of England, Bristol. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support, Großkundenbetreuung, Service- und Applikationsunterstützung in den USA, Anwendungsentwicklung für Frequenzumrichter. Martin Ehlich. Studium der Elektrotechnik an der Ruhr-Universität- Bochum : Projektleitung Antriebstechnik bei einem Werkzeugmaschinenhersteller und seit 2001 bei Lenze: Softwareentwicklung für digitale Umrichter. Projektleitung für die Entwicklung digitaler Servo-Umrichter. Systemintegration bei Neuentwicklungen, Vorentwicklung von Umrichtern, Systementwurf und Systemarchitektur. Frank Erbs. Studium der Elektrotechnik an der HTWK Leipzig : Steuerungstechnik, Schaltschrankprojektierung in einem Ingenieurbüro für innovative Wassertechnik. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe, Produktschulungen, Großkundenbetreuung.

8 x Autorenverzeichnis Dr. Carsten Fräger. Studium der Elektrotechnik an der Universität Paderborn und Universität Hannover Promotion zum Dr.-Ing. an der Universität Hannover. Seit 1989 bei Lenze: Applikation Servotechnik. Leitung Motorenentwicklung. Leitung Produktmanagement Servotechnik. Thorsten Gaubisch. Studium der Informationstechnik, Fachrichtung Prozess- und Automatisierungstechnik, an der FH Hannover. Seit 2003 bei Lenze: Technischer Produkt Support Frequenzumrichtertechnik, Produktschulungen. Olaf Götz. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Automatisierungstechnik, an der Gesamthochschule Paderborn. Seit 1998 bei Lenze: Technischer Produkt Support, Antriebsauslegung und Produktkonfiguration. Entwicklung PC-basierter Werkzeuge für die Auslegung von Antriebssystemen. Ralf-Torsten Guhl. Studium des Maschinenbaus, Fachrichtung Antriebstechnik, an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg : Maschinenbauingenieur bei einem Konstruktionsbüro für Getriebe. Seit 1999 bei Lenze: Leitung Getriebeentwicklung. Martin Harms. Studium der Elektrotechnik, Schwerpunkt Energietechnik, an der Universität Hannover : Vertrieb und Applikation elektrischer Antriebstechnik. Planung, Projektierung, Inbetriebnahme von Antriebs- und Automatisierungssystemen. Seit 1999 bei Lenze: Applikationsingenieuer für elektrische Antriebstechnik. Technischer Produkt Support Servoantriebe mit Schwerpunkt Kurvenantriebe. Torsten Heß. Industriemeister Elektrotechnik (Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik) an der Fachschule des Heeres für Technik, Aachen. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Prozessinformatik, Automatisierungstechnik, an der FH Hannover : Leitung einer Instandsetzungsgruppe für Waffenanlagen bei der Bundeswehr. Seit 1999 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe. Dr. Sven Hilfert. Studium der Elektrotechnik an der Otto-von-Guericke- Universität Magdeburg, Spezialisierung auf Elektroantriebs- und Elektroautomatisierungstechnik Promotion zum Dr.-Ing. an der Gesamthochschule Essen. Seit 1999 bei Lenze: Entwicklung Servomotoren. Leitung der Drehstrommotorenentwicklung.

9 xi Dr. Edwin Kiel. Studium der Elektrotechnik an der TU Braunschweig Promotion zum Dr.-Ing. an der TU Braunschweig Institut für angewandte Mikroelektronik (IAM), Braunschweig, zuletzt technische Leitung : Technischer Leiter bei einem Antriebshersteller. Seit 1998 bei Lenze: Entwicklungsleitung. Leitung Innovationsmanagement. Markus Kiele-Dunsche. Studium der Elektrotechnik an der Universität Paderborn : Entwicklung von Antriebslösungen für Pumpen bei einem Pumpenhersteller. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support Frequenzumrichtertechnik, Entwicklung PC-basierter Werkzeuge für die Auslegung von Antriebssystemen. Detlef Kohlmeier. Studium der Elektrotechnik an der FH Hannover. Seit 1993 bei Lenze: Projektierung und Inbetriebnahme von Testsystemen. Aufbau bzw. Weiterentwicklungen von Zuverlässigkeitsstrategien und Prozessmanagement. Leitung Managementsysteme. Karsten Lüchtefeld. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Automatisierungstechnik, an der FH Osnabrück. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe, Softwareerstellung von standardisierten Applikationen. Sebastian Lülsdorf. Studium der Elektrotechnik und Automatisierungstechnik an der TU München : Software-Produktentwicklung bei einem Hersteller von Werkzeugmaschinensteuerungen. Technisches Projektmanagement, Software- Produktentwicklung, Internet Security bei einem Computerhersteller. Seit 2001 bei Lenze: Entwicklung von Engineering-Software für antriebsund steuerungsbasierte Systeme, Spezifikation, Usability. Ralf Scharrenbach. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Automatisierungstechnik, an der Berufsakademie Mannheim : Service für elektrische Antriebstechnik, Applikation Feldbustechnik und PC-Software. Innovationsmanagement Engineering, Feldbusse, Antriebstechnik bei einem Antriebshersteller. Seit 2001 bei Lenze: Projektleitung für Kundenlösungen, Key-Account- Management. Leitung Robotics & Handling. Rolf Sievers. Studium zum staatlich geprüften Techniker, Stadthagen. Seit 1974 bei Lenze: Service und Entwicklung DC-Stromrichter. Entwicklung Frequenzumrichtertechnik. Technischer Produkt Support, Anwendungssupport Frequenzumrichtertechnik.

10 xii Autorenverzeichnis Mathias Stöwer. Studium der Elektrotechnik, Schwerpunkt Informationstechnik, an FH Hannover. Seit 1992 bei Lenze: Entwicklung DC-Stromrichter, Servo-Umrichter und steuerungsbasierte Servotechnik. Entwicklung von Engineering-Software für antriebs- und steuerungsbasierte Systeme, Spezifikation, Usability. Uwe Tielker. Studium der Elektrotechnik an der FH Lippe, Lemgo : Inbetriebnahme Weitverkehrstechnik bei einem Elektrokonzern. Entwicklung Fahrtreppensteuerungen bei einem Aufzugshersteller. Seit 1989 bei Lenze: Kundenspezifische Entwicklung/Applikation analoger DC-Stromrichter und Zusatzhardware. Entwicklung digitaler DC- Stromrichter. Applikation, Projektierung, Inbetriebnahmen von DC- und Servo-Antriebssystemen. Technische Betreuung von Großkunden bei der Entwicklung neuer Maschinen. Leitung Technischer Produkt Support. Markus Toeberg. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Antriebstechnik, an der FH Lippe, Lemgo. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe, Produktschulungen, Großkundenbetreuung. Johann Peter Vogt. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Elektrische Maschinen und Antriebe, an der Universität Hannover : Entwicklung Torquemotoren bei einem Hersteller von Lüftungs- und Antriebstechnik. Seit 2001 bei Lenze: Technischer Produkt Support Servoantriebe mit Schwerpunkt Kurvenantriebe, Entwicklung PC-basierter Werkzeuge für die Auslegung von Antriebssystemen. Karl-Heinz Weber. Studium der Elektrotechnik, Schwerpunkt Leistungselektronik, an der FH Lippe, Lemgo. Seit 1978 bei Lenze: Applikation, Projektierung, Inbetriebnahmen, Service von Antriebssystemen und Anlagen. Projektleitung Applikationen, kundenspezifische Entwicklungen, Produktspezifikationen. Leitung Anlagenbau. Aufbau des Bereichs für Kundenschulungen und Applikationslabor. Leitung Technische Anwendungsgrundlagen von Antriebssystemen. Hans-Joachim Wendt. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Energietechnik, an der FH Bielefeld. Seit 1988 bei Lenze: Entwicklung Frequenzumrichter. Produktmanagement und Marketing. Produktprogrammmanagement, Innovationsmanagement. Stefan Witte. Studium der Elektrotechnik, Fachrichtung Energietechnik, an der FH Hannover. Seit 2003 bei Lenze: Technischer Produkt Support Sicherheitstechnik, Produktschulungen, Großkundenbetreuung.

11 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Industrielle Produktion und Automatisierung Struktur von Produktions- und Logistiksystemen Produzierte Waren Produktionsmengen Produktionsabläufe Warenverteilung Maschinen in Produktion und Logistik Produktionseinrichtungen Materialflusssysteme Aufbau von Automatisierungssystemen Steuerungen Aktuatoren Sensoren Visualisierung und Bedienung Kommunikationssysteme Sicherheitstechnik Das Antriebssystem und seine Komponenten Dimensionierung von Antrieben Translatorische und rotatorische Bewegung Arbeit, Leistung und Energie Massenträgheiten Getriebeeinsatz und Lastabstimmung Reibung Prozesskräfte Drehzahl und Drehmoment eines Bewegungsablaufs Elastische Kopplung der Last Einsatzbedingungen von Antrieben Netzspannungen und Netzformen Umgebungsbedingungen Motoren Wirkungsweise von Drehstrommotoren...100

12 xiv Inhaltsverzeichnis Standard-Drehstrommotoren Asynchron- und Synchron-Servomotoren Linearmotoren und Direktantriebe Betriebsgrenzen von Motoren Winkel- und Drehzahlmesssysteme Motorbremsen Umrichter Leistungsumsetzung Mechanischer Aufbau Steuerelektronik und Software Antriebsregelung Bewegungsführung Kommunikationssysteme in Umrichtern Sicherheitsfunktionen in Umrichtern Elektromagnetische Verträglichkeit Getriebe Einsatzbereiche und Ausführungen Stirnradgetriebe Planetengetriebe Kegelradgetriebe Schneckengetriebe Kombination von Getrieben mit Motoren Antriebselemente Schaltbare Kupplungen Nichtschaltbare Kupplungen Welle-Nabe-Verbindungen Lager Zugmittelgetriebe Lineare Übertragungselemente Nichtlineare Mechaniken Führungssysteme Gesamtabstimmung des Antriebssystems Auswahl der Komponenten Auslegung der Antriebskomponenten Optimierung von Bewegungsprofilen Schwingungsfähige Lasten Zuverlässigkeit von Antriebssystemen Lebensdauerkurve Berechnungsgrundlagen Zuverlässigkeit von mechatronischer Antriebstechnik Zuverlässigkeitskonzepte bei der Produktentstehung..261

13 4 Mechatronische Antriebslösungen Förderantriebe Förderprozess Mechanischer Aufbau von Förderanlagen Antriebssysteme für Förderanlagen Fahrantriebe Prozess des Fahrens Materialflusssysteme mit Fahrantrieben Antriebssysteme für Fahrantriebe Hubantriebe Prozess des Hebens Mechanischer Aufbau von Hubwerken Antriebssysteme von Hubwerken Positionierantriebe Prozess des Positionierens Mechanischer Aufbau von Positioniersystemen Antriebssysteme zum Positionieren Koordinierte Antriebe für Roboter Technologischer Prozess des Handhabens Anwendungsbereiche von Robotern Mechanischer Aufbau von Robotern Antriebssysteme für Roboter Gleichlaufantriebe Technologische Prozesse Maschinentypen in Prozesslinien Mechanische Übertragungselemente in Prozesslinien Antriebssysteme für Gleichlaufantriebe Wickelantriebe Anwendungsprozesse für Wickelantriebe Maschinentypen und Antriebselemente für Wickler Antriebssysteme für Wickelantriebe Taktantriebe für Querschneider und Fliegende Sägen Anwendung von Querschneidern und Fliegenden Sägen Aufbau von Querschneidern und Fliegenden Sägen Antriebssysteme für Querschneider und Fliegende Sägen Antriebe für elektronische Kurvenscheiben Anwendungen mit Kurvenantrieben Funktionsweise von Kurvengetrieben Antriebssysteme für elektronische Kurvenscheiben Antriebe für Umformprozesse Umformprozesse xv

14 xvi Inhaltsverzeichnis Maschinentypen für Umformprozesse Antriebssysteme für Umformprozesse Haupt- und Werkzeugantriebe Anwendungen für Haupt- und Werkzeugantriebe Maschinen mit Haupt- und Werkzeugantrieben Antriebssysteme für Haupt- und Werkzeugantriebe Antriebe für Pumpen und Ventilatoren Fördern und Verdichten von Flüssigkeiten und Gasen Aufbau von Pumpen und Ventilatoren Antriebssysteme für Pumpen und Ventilatoren Anwendungsbeispiele aus Produktion und Logistik Zeitungsproduktion Herstellung von Laminatfußboden Fruchtsaftherstellung und -abfüllung Logistikzentrum einer Supermarktkette Automobilproduktion Verteilung der Antriebslösungen Entwicklungstrends Engineering und Lebenszykluskosten von Antrieben Engineering von Antriebssystemen Auswahl und Auslegung von Antrieben Projektierung Inbetriebnahme Diagnose und Wartung Lebenszykluskosten in der Antriebstechnik Definition von LCC und TCO Übersicht über die LCC Prognosemodelle Optimierung der Lebenszykluskosten durch Antriebe Energiesparende Antriebskonzepte Ganzheitliche Bewertung von Antriebssystemen Glossar Symbolverzeichnis Literaturverzeichnis Bildnachweis Sachverzeichnis...547

15 1 Einleitung Hochautomatisierte Fabriken, die nur noch wenig manuelle Arbeit von Menschen erfordern, sind eine wesentliche Grundlage unseres heutigen Lebensstils. Sie haben dafür gesorgt, dass die Versorgung mit den Gütern des täglichen Lebens nur noch einen geringen Teil der menschlichen Arbeitsleistung erfordert. Dieses Buch handelt davon, wie geregelte Antriebe in diesen Fabriken sowie in Logistiksystemen dafür sorgen, dass Produkte sehr effizient in großer Menge hergestellt und zum Endverbraucher gebracht werden. Hochautomatisierte Produktion und Logistik. Für fast alle Menschen in den Industrieländern ist der Besitz von Autos, Büchern, Computern und Geräten der Unterhaltungselektronik und Kommunikation eine Selbstverständlichkeit. Gleichzeitig hat sich der Arbeitsort für die meisten Menschen von Bauernhöfen und Fabrikfluren in Büros und Geschäfte verlagert. Dieses ist ein immenser Fortschritt zur vorindustriellen Zeit, in der der größte Teil der menschlichen Arbeitsleistung ausschließlich für die Ernährung eingesetzt werden musste. Erreicht wurde dieser industrielle Wandel dadurch, dass immer mehr Prozesse zur Warenproduktion und zum Warentransport mechanisiert und automatisiert wurden, d. h., dass der direkte Einsatz menschlicher Arbeitskraft hierfür nicht mehr erforderlich ist und von Maschinen übernommen wird. In modernen Fabriken konzentriert sich die menschliche Arbeitsleistung im Wesentlichen auf das Planen und Überwachen von Prozessen; immer weniger Arbeitsschritte werden manuell ausgeführt. Fabriken produzieren ihre Produkte in sehr großer Stückzahl, weil die Bedürfnisse der Menschen nicht so unterschiedlich sind. Viele Menschen essen den gleichen Joghurt, lesen die gleiche Zeitung oder das gleiche Buch und fahren das gleiche Auto (mit nur kleinen individuellen Anpassungen). Je mehr Verbraucher eine Fabrik mit ihren Produkten erreichen kann, umso höher kann ihre Produktionsleistung sein, und umso wirtschaftlicher ist sie auch in der Regel. Wirtschaftliche Grenzen ergeben sich nur durch die Größe des erreichbaren Marktes (die Anzahl der Verbraucher), den individuellen Bedarf (wie oft kaufe ich einen Joghurt, eine Zeitung, ein Buch oder ein Auto) und die Bereitschaft der Menschen, gleiche Produkte zu kaufen.

16 2 Einleitung Heute kann eine Fabrik ihre Produkte in den industrialisierten Wirtschaftsräumen (Westeuropa, USA, Japan) und zunehmend auch in den sich entwickelnden Regionen an häufig mehr als 100 Mio. Menschen absetzen, ohne dabei durch politische Grenzen oder ineffiziente Verkehrswege behindert zu werden. Wenn von 100 Mio. Menschen nur 1 Prozent den Wunsch hat, ein Auto mit einer Lebenszeit von 15 Jahren zu besitzen, das auf einer Produktionslinie in einem zweischichtigen Betrieb hergestellt wird, dann muss diese Produktionslinie bereits alle 2,7 Minuten dieses Auto produzieren (der VW Golf wird in Wolfsburg mit einem Takt von ca. 0,3 Minuten produziert). Die gleiche Rechnung bezogen auf einen Joghurt, der von der gleichen Anzahl von Menschen täglich zum Frühstück gegessen wird, führt bei einem Dreischichtbetrieb schon zu einem Produktionstakt von 14 Stück pro Sekunde oder Einheiten pro Stunde (Hochgeschwindigkeitslinien erreichen heute Becher pro Stunde). Diese Beispiele zeigen, warum heute viele Ge- und Verbrauchsgüter in hochautomatisierten Fabriken im Minuten- oder Sekundentakt hergestellt werden. Wie erfolgt diese Herstellung? Schon in den Manufakturen war bekannt, dass es deutlich effizienter ist, den gleichen Arbeitsgang wiederholt auszuführen, als mehrere Arbeitsgänge zusammenzufassen, bevor auf das nächste Produkt übergegangen wird. Dieses Prinzip der Arbeitsteilung ist effizient, für Menschen allerdings schnell monoton und langweilig. Anders sieht es bei Maschinen aus. Es ist wesentlich einfacher, eine für einen Arbeitsgang spezialisierte Maschine zu bauen als eine Universalmaschine für viele unterschiedliche Aufgaben. Die meisten Produktionsmaschinen arbeiten deshalb arbeitsteilig und segmentieren den gesamten Arbeitsprozess in viele Einzelschritte auf, die von einzelnen Arbeitsstationen ausgeführt werden. Der Arbeitstakt dieser Arbeitsstationen entspricht dabei der Produktionsleistung der Anlage. Dieses Grundprinzip der automatisierten Massenproduktion bestimmt das Erscheinungsbild moderner Fabriken: ein kontinuierlicher Strom von Produkten, die wie von Geisterhand über mehrere Stationen ihrer Vollendung zustreben, bis sie am Ende des Produktionsvorgangs verschickt werden. Auch die weitere Logistik, d. h. der Weg der Waren von der Produktion zum Endverbraucher, ist ohne Automatisierung nicht mehr effizient beherrschbar. Schon längst wird der größte Teil der innerbetrieblichen Transport- und Lagervorgänge nicht mehr von Menschen, sondern von Förderbändern und Regalbediengeräten ausgeführt. Auch das Zusammenstellen von Sendungen (das Kommissionieren) wird mittlerweile zunehmend automatisiert. Im Endeffekt werden heute fast alle Gebrauchs- und Verbrauchsgüter in hochautomatisierten Fabriken in großen Mengen erzeugt und dann über ebenso hoch automatisierte Logistik- und Verteilzentren zum Verbraucher gebracht. Viele Verbrauchsgüter des täglichen Lebens (z. B. Lebensmittel) werden in dem Moment, in dem der Endver-

17 3 braucher sie aus dem Regal im Supermarkt nimmt, zum ersten Mal von einem Menschen bewegt. Vorher sind sie von hunderten geregelter Antriebe bewegt worden: bei der Herstellung, bei der Verpackung, beim Stapeln auf Transportpaletten und beim Ein- und Auslagern. Geregelte Antriebe in hochautomatisierten Maschinen und Produktionen. Einer der wichtigsten Funktionsträger in hochautomatisierten Maschinen und Anlagen sind geregelte Antriebe, die als Aktuatoren arbeiten und deren Bewegungsablauf von einer Steuerung bestimmt wird. Solche automatisierten Antriebe bilden das nach, was ein Mensch bei einem manuellen Prozess macht. Das Zusammenspiel von Gehirn und Muskel wird ersetzt durch das Zusammenspiel von Software und einer von dieser gesteuerten Energieumsetzung, in der Regel von elektrischer in mechanische Energie. Wie wichtig Antriebe für Fabriken und Maschinen sind, lässt sich daran erkennen, dass die ersten Fabriken erst durch die zentrale Bereitstellung von Antriebsenergie durch Wasserkraft oder eine Dampfmaschine ( Kraftmaschine ) möglich wurden; diese Antriebsenergie wurde dann mechanisch über die Transmission auf die Arbeitsmaschinen verteilt. Diese Transmission übernehmen heute dezentrale elektrische Antriebsmotoren. Es gibt im Maschinenbau verschiedene Antriebsprinzipien. Im vorliegenden Buch soll nur die elektromechanische Energieumsetzung durch geregelte Elektromotoren behandelt werden. Der Hauptgrund liegt darin, dass sich Elektromotoren sehr gut regeln lassen. Damit lassen sie sich hervorragend für Aufgaben einsetzen, die eine präzise Bewegungsführung erfordern. Für solche Aufgaben werden heute fast nur noch Drehstrommotoren verwendet, die daher ausschließlich behandelt werden. Die Aufgabe, den Energiefluss zum Elektromotor zu steuern, damit dieser die gewünschte Funktion ausführt, übernehmen Umrichter. Diese bestehen aus zwei wesentlichen Elementen: der Leistungselektronik, die die elektrische Energiewandlung vornimmt, und der Steuerelektronik mit der Software, die diese Energiewandlung steuert. Die Software muss dabei zwei Aufgaben erfüllen: 1. Das Bewegungsverhalten des Antriebs wird vorgegeben (Antriebsfunktionen, Bewegungsführung). 2. Der Motor und sein momentanes Verhalten muss entsprechend dem Sollverhalten geregelt werden (Antriebsregelung). Die Software für die Antriebsregelung befindet sich in der Regel im Umrichter, die für die Bewegungsführung kann entweder im Umrichter oder in einer übergeordneten Steuerung enthalten sein. Während viele Positionierbewegungen direkt im Umrichter realisiert werden, führt bei koordinierten Mehrachsbewegungen eine spezielle Bewegungssteuerung diese Softwarefunktionen aus.

18 4 Einleitung In vielen Anwendungsfällen passt der optimale Arbeitspunkt eines Elektromotors nicht zu den Anforderungen der Arbeitsmaschine. In solchen Fällen nehmen Getriebe die Anpassung des mechanischen Arbeitspunktes vor. Zusätzlich werden Antriebselemente (Wellen, Kupplungen, Spindeln, Zahnriemen, Zahnstangen) eingesetzt, um die Drehbewegung des Motors oder Getriebes optimal an die Wirkstelle im Arbeitsprozess zu koppeln. Einige der Antriebselemente führen dabei auch die Umsetzung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung aus. Mechatronische Antriebslösungen. Geregelte Antriebe verbinden die Steuerungen der Automatisierung, die heute mit Mitteln der Informationstechnik (Computer, Software) realisiert werden, mit der Maschine und damit der Mechanik. Die Verbindung von Informationstechnik, Elektronik und Mechanik wird Mechatronik genannt, ein Kunstwort, das 1969 geprägt wurde. Einen geregelten Antrieb, der in einer Maschine oder Anlage eine Funktion ausführt, bezeichnen wir daher als mechatronische Antriebslösung. In diesem Buch wird beschrieben, wie diese mechatronischen Antriebslösungen aufgebaut sind und dadurch ihre Aufgabe in den Maschinen erfüllen. So vielfältig wie die Produkte, die hochautomatisiert hergestellt werden, sind auch die Maschinen hierfür. Durch die Fokussierung auf Produktbereiche und Produktionsprozesse sind Maschinenhersteller häufig sehr spezialisiert, und die hohe Produktionsleistung ihrer Maschinen sorgt dafür, dass ihr Markt begrenzt ist. Ein Beispiel: Wenn eine Produktionslinie 1% des Bedarfs von 100 Millionen Menschen abdecken kann, der gesamte Weltmarkt sich auf 1 Milliarde Menschen beläuft (in den entwickelten Ländern) und eine Maschine 10 Jahre arbeitet, dann werden für die gesamte Weltproduktion nur 100 Maschinen pro Jahr neu benötigt. Teilt der Markt sich auf zwei gleichgroße Anbieter auf (um keine Monopole entstehen zu lassen), dann kann jeder 50 Maschinen oder Anlagen pro Jahr absetzen, um damit den gesamten Weltbedarf zu befriedigen. Eine Steigerung ist nur dadurch möglich, dass der Weltbedarf sich erhöht, d. h., dass mehr Menschen in entwickelten Ländern leben. Trotz dieser Vielfalt bei den Maschinen und ihren begrenzten Stückzahlen gibt es eine Ebene, durch die Gemeinsamkeiten zwischen Antrieben in verschiedenen Maschinen gefunden werden können, ohne den konkreten Bezug zur Antriebsaufgabe in den Maschinen zu verlieren. Diese Ebene sprechen die mechatronischen Antriebslösungen an. Diese sind definiert durch die prinzipielle Aufgabe, die ein Antrieb in einer Maschine ausführt, und nicht durch die konkrete technische Realisierung, die vom individuellen Einsatzfall abhängt. Die Aufgaben (z. B. Fördern, Heben, Positionieren, Wickeln) lassen sich klassifizieren und branchenübergreifend beschreiben. Aus diesen Aufgaben leiten sich dann Anforderungen an die Zusammenstellung der Komponenten (Motor,

19 5 Umrichter, Getriebe) für den Antrieb ab, aber auch an die Softwarefunktionen im Antrieb. Darüber hinaus können bei Kenntnis dieser Antriebsaufgaben die Komponenten und Softwarefunktionen wiederum so entwickelt und vorbereitet werden, dass der konkrete Anwendungsfall schnell und sicher gelöst werden kann. In diesem Buch sollen diese mechatronischen Antriebslösungen für die hochautomatisierte Produktion und Logistik umfassend dargestellt werden. Hierzu werden zunächst ihre Einsatzbedingungen beschrieben. Wie sind Fabriken und Logistikzentren aufgebaut, welche Grundtypen von Maschinen gibt es dort, und wie werden diese automatisiert (Kap. 2)? Es folgt der prinzipielle Aufbau eines Antriebs und seiner Komponenten (Kap. 3): Welche Motoren gibt es und wie sind deren Haupteigenschaften? Wie ist ein Umrichter aufgebaut? Mit welchen Elementen (Getriebe, Antriebselemente) wird die mechanische Energie an die Arbeitsmaschine gebracht? Dabei werden auch Aspekte der Antriebsauslegung sowie der Zuverlässigkeit von Antriebssystemen behandelt. Anschließend werden in Kapitel 4 beide Ebenen miteinander verbunden. Das gesamte Anwendungsfeld wird eingeteilt in zwölf mechatronische Antriebslösungen. Die mehreren 100 oder 1000 Antriebe in hochautomatisierten Fabriken verschiedenster Branchen können nach diesem Schema klassifiziert werden, auf der anderen Seite finden sich in fast allen Fabriken auch häufig zehn dieser zwölf Antriebslösungen. Welche Aufgaben diese Antriebslösungen erfüllen, wie deren Einsatzbedingungen sind und wie dann eine konkrete Lösung aussieht, wird in Kapitel 4 dargestellt. Kapitel 5 behandelt abschließend den Engineering-Prozess. Wie eine konkrete Lösung entsteht und wie sich hierbei sehr effizient Werkzeuge zur Auslegung, zur Produktwahl, zur Konfiguration der Software sowie zur Inbetriebnahme und Optimierung des Antriebsverhaltens einsetzen lassen, wird an dieser Stelle dargestellt. Auch der gesamte Lebenszyklus und die damit verbundenen Kosten werden zusammenfassend betrachtet. Das Buch konzentriert sich auf die grundsätzlichen Zusammenhänge, die durch konkrete Einsatzbeispiele verdeutlicht werden. Es richtet sich an Ingenieure des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Mechatronik, die bei einem Maschinen- oder Anlagenbauer oder einem System Integrator vor der Aufgabe stehen, eine dieser hochautomatisierten Maschinen oder Produktionen zu entwerfen und in Betrieb nehmen zu müssen. Die Ingenieure, die beim Einsatz der Maschinen in der Verantwortung stehen, dass diese eine optimale Effizienz haben, verstehen durch dieses Buch besser, wie die Antriebstechnik in ihren Anlagen funktioniert. Insgesamt lernen Ingenieure und Studierende der Mechatronik und Automatisierungs-

20 6 Einleitung technik, für Antriebsaufgaben schnell und sicher die optimale Lösung zu finden, damit die hierdurch entstehenden Maschinen und Anlagen ihre Aufgabe bestmöglich erfüllen.