Mechanismen

Angenommen, Sie sind Ingenieur und wollen eine verlässliche Bewegungssteuerung mit möglichst hoher Performance entwickeln. Beispielsweise für eine Verpackungsmaschine oder eine Montageanlage oder eine Abfüllanlage. Die soll einfach schnell und kostengünstig sein.

Wie würden Sie es anstellen?

Mit Pneumatik?
Viel zu langsam! Außerdem ist Druckluft teuer.

Mit einer NC-Steuerung?
Auch viel zu langsam! Bei NC-Steuerungen können Sie Bewegungsprofile nur sehr eingeschränkt gestalten. Bewegungsüberschneidungen sind nicht möglich.

Mit Servoantrieben?
Auch zu langsam.
Servos müssen sich immer selbst mitbeschleunigen, und das Getriebe noch dazu.
Das ist so, als müsse ein Stabhochspringer auch noch den Stab über die Latte tragen.

Nein! Denn ...

Nach wie vor sind mechanische Lösungen unübertroffen in puncto Tempo und Prozess-Sicherheit:

• Kurvengetriebe
• Koppelgetriebe
• Schrittgetriebe
• Rädergetriebe (auch Unrundräder)
• Riemen (auch Unrundriemen) und Ketten

Mit Mechanik kann der Stabhochspringer quasi während des gesamten Anlaufs Energie sammeln und genau im Moment des Absprungs freigeben.

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Gute mechanische Bewegungssteuerungen sind Wunderwerke, die das Spiel der kinetischen und potenziellen Energien und der Massenkräfte so ausnutzen, dass der Antrieb minimal belastet wird und die Massenkräfte sich gegenseitig weitgehend aufheben.

Servoantriebe sind flexibel im Hinblick auf die Bewegungsabläufe und damit die Produktformate, aber längst nicht so performant wie eine gut ausgelegte mechanische Bewegungssteuerung.

Nicht dass hier ein falscher Eindruck entsteht: Wir reden nicht gegen Servoantriebe!
Im Gegenteil:
Wir optimieren seit 25 Jahren auch Bewegungssteuerungen mit Servoantrieben und erstellen SPS-Programme und Koeffizientendateien für die Servotechnik.
Die Forderung nach Flexibilität ist verbreitet und vielfach berechtigt, und wir folgen ihr gerne.

Aber ist Flexibilität immer vernünftig?
Vernünftig ist ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis, eine niedrige TCO (Total Cost of Ownership).

Wenn Sie eine Maschine bauen, die während ihrer Lebensdauer nur wenige und eventuell noch ähnliche Produktformate verarbeitet, was spricht dann gegen eine mechanische Bewegungssteuerung?
Servoantriebe werden heute oft auch für Bewegungen verwendet, die in der Praxis nie oder nur sehr selten verändert werden.
Dafür sind Servomotoren mit Getrieben, Umrichtern, Drehgebern, Software, Inbetriebnahmeprogrammierung usw. aber zu teuer.

Mechanismen, also mechanische Bewegungssteuerungen mit Kurven, Zahnrädern, Unrundrädern, Riemen, Ketten, Schrittgetrieben und Gelenkgetrieben, haben viele spezifische Vorteile:

• Mechanische Bewegungssteuerungen sind in der Regel im Vergleich günstig in der Anschaffung.
• Sie ziehen geringe indirekte Kosten nach sich, z.B. Energiekosten.
• Zusammengenommen ergibt sich eine niedrige TCO (Total Cost of Ownership).
• Mechanik ist unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Schmutz.
• Mechanische Lösungen arbeiten zuverlässig und sicher im Bewegungsablauf.
• Sie sind sogar eingeschränkt flexibel durch manuelle oder motorische Verstellungen, z.B. indem Drehpunkte oder Lenkerlängen verändert werden.
• Mechanik ist wartungsarm herstellbar.
• Sie ist bedienerfreundlich.
• Mechanik ist leicht zu reparieren, notfalls auch mal mit einem Behelf, der die Maschine für die dringend zu erledigenden Aufträge am Laufen hält.
• Fallen Kurven oder andere mechanische Komponenten nach etlichen Jahren einmal aus, wird man immer Ersatz beschaffen können. Wie lange sind demgegenüber elektronische Ersatzteile verfügbar? Wenn nach 10 Jahren ein Steuerungstyp nicht mehr hergestellt wird, was machen Sie dann bei einem Ausfall der Steuerung?
• Mechanik ist leicht in Betrieb zu nehmen. Zusammenschrauben und los geht's. Keine Konfiguration, keine Programmierung.
• Mechanische Bewegungssteuerungen laufen immer synchronisiert, ohne Referenzfahrten, auch nach einem Notstopp.
• Störungen und Ausfälle sind sehr selten.
• Treten plötzlich Fehler auf, sind sie einfach zu finden und zu beheben.
• Sie benötigen keine Softwareupdates, weil Mechanik keine Software hat.
• Kurvengetriebe sind in den Haltepunkten automatisch selbsthemmend, so dass der Antrieb kein Haltemoment aufbringen muss.
• Mehrere Arbeitsorgane und Teilmechanismen können ihre Bewegungsenergie untereinander mechanisch austauschen, so dass der Antrieb nur ein kleines Restmoment bzw. eine kleine Rest-Leistung aufbringen muss. Ein elektrischer Energieaustausch über Zwischenkreise hingegen bewirkt immer Ströme, Wärme und damit Energieverluste.
• Mit Mechanik können Sie enorm an Energie sparen. Das ist im Sinne des Umweltschutzes und eines nachhaltigen Umgangs mit Ressourcen.
• Mechanische Bewegungssteuerungen, insbesondere bei mehreren Bewegungen, sind sehr kompakt.
• Sie haben eine hohe Energiedichte.
• Mechanische Kurven kommen meistens mit einem günstigen Drehstrommotor aus.
• Schwungmassen dienen in mechanischen Lösungen als Energiepuffer, so dass kleinere Spitzenmomente vom Antrieb gefordert werden.
• Kurven können im Durchlaufbetrieb von mehreren Rolle abgetastet werden. Dieser Mehrfachnutzen multipliziert den Durchsatz auf einfache Weise.

Um Baugruppen oder ganze Maschinen auf hohe Taktzahlen zu bringen, ist besonders das Spiel der Energien interessant.

Zwei Anwendungen dieser energetischen Optimierung sind besonders wichtig:

1.) Leistungsausgleich bzw. Momentenausgleich

Wenige zusätzliche Massen und eventuell Federn, geschickt platziert, können den Energiebedarf des Gesamtsystems drastisch verringern.

Mit zusätzlichen Ausgleichsmechanismen kann die Antriebsleistung bzw. das Antriebsmoment auf Reib- und Nutzleistung begrenzt werden, also auf das unvermeidliche Minimum. Dafür optimieren wir die dynamischen Parameter der Mechanik auch mit speziellen numerischen Optimierern.

2.) Massenkraftausgleich

Die wechselnden Beschleunigungen der bewegten Teile bringen Vibration ins Maschinengestell. In krassen Fällen "läuft die Maschine quasi aus der Halle", die Massenkräfte wirken also so stark auf das Gestell, dass es merklich schwankt oder sich verwindet. Dabei sind oft die horizontal wirkenden Kräfte besonders unangenehm.

Durch geschickte Anordnung von Massen oder Ausgleichsmechanismen kann die Rückwirkung der Massen auf das Gestell kompensiert werden, theoretisch auch vollständig. Die Mechanik ist dann insgesamt jederzeit komplett ausbalanciert.

Bei einer Thermoformmaschine mit Doppelkniehebel haben wir so beispielsweise die horizontale Massenkraft mit Hilfe von 2 Zusatzmassen auf ca. 1 % des ursprünglichen Wertes gebracht und damit fast vollständig kompensiert.

Mechanismenentwurf und energetische Optimierung in Maschinen sind unsere Spezialgebiete.

Profitieren Sie von unserer Erfahrung aus 45 Jahren Praxis!

Wir unterstützen Sie durch

• Bewegungsdesign
• Servoantriebsauslegung
• Kollisionsoptimierung
• Mechanismenentwurf
• Energetische Optimierung

Mit Bewegungsdesign werden die Bewegungen in Maschinen auf hohe Performance, geringe Schwingungsanregung, niedrigen Energieverbrauch und hohe Lebensdauer optimiert. Maschinen mit gutem Bewegungsdesign sind nicht aufwändiger herzustellen, funktionieren aber erheblich besser! In unserer Software OPTIMUS MOTUS haben wir ein breites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten für Bewegungen.

Bei der Servoantriebsauslegung wählen wir die passende Motor-/Getriebekombination für Ihre Anwendung. Besonders heikel ist diese Auswahl, wenn der Servo ein nichtlinear übersetzendes Getriebe bewegt, wie z.B. die verbreitete Schubkurbel. Die aus Eigenträgheit und Fremdlast resultierenden Antriebsmomente sind dann überhaupt nicht proportional zueinander. Wo die verbreiteten Cam Designer und Sizer aufhören, fangen wir erst richtig an!

Kollisionsoptimierung ist eine einfache und wirksame Methode, Maschinen mit mehreren synchronisierten Bewegungen schnell zu machen. Bewegungen werden optimal auf der Zeitachse verteilt, um die dynamischen Lasten zu senken, während mit grafischen Simulationen sichergestellt wird, dass keine Kollisionen zwischen konkurrierenden Achsen auftreten.

Der Entwurf von Mechanismen, also mechanischen Bewegungssteuerungen, ist leider nicht ganz simpel. Wir suchen nach einfachen, kompakten kinematischen Strukturen für Ihre Bewegungsaufgabe und optimieren die kinematischen Abmessungen (Hebellängen, Winkel, Drehpunkte usw.) mit numerischen Methoden (Getriebesynthese).

Die energetische Optimierung senkt den Energieverbrauch von Mechanismen, minimiert Antriebsmomente und Antriebsleistung und auch die dynamischen Kräfte, die an der Maschinenaufstellung rütteln. Für sehr schnell laufende Baugruppen ist die energetische Optimierung eine sehr wichtige Komponente des Mechanismendesigns.

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