Einachsige Bewegungssteuerung mit CMZ-Servoantrieben
Dieses Tutorial behandelt die Inbetriebnahme eines einachsigen Servoantriebssystems mit einem CMZ-SBD-Antrieb und umfasst den Hardwareaufbau, die Achsenskalierung, die Konfiguration der Referenzfah...
Bewegungssteuerung bleibt das Rückgrat moderner Automatisierung
Präzise Bewegungssteuerung ist zu einer entscheidenden Fähigkeit in fortschrittlichen Fertigungssystemen geworden. Von Verpackungslinien und der Halbleiterhandhabung bis hin zu robotergestützten Montagezellen wird heute von servogetriebenen Achsen erwartet, dass sie eine wiederholgenaue Positionierung mit Reaktionszeiten im Millisekundenbereich ermöglichen.
Während sich viele Automatisierungsingenieure auf SPS-Logik und Netzwerkintegration konzentrieren, beginnt eine erfolgreiche Bewegungssteuerung bereits deutlich früher – mit der ordnungsgemäßen Inbetriebnahme von Antrieb, Motor und mechanischer Achse selbst. Eine falsche Skalierung oder fehlerhafte Referenzfahrtkonfiguration kann schnell zu Positionierungsfehlern oder katastrophalen Kollisionen führen.
Dieses Projekt zeigt, wie eine einachsige Bewegungsplattform mit einem SBD-Servoantrieb von CMZ Sistemi Elettronici und integrierten Einrichtungstools in Betrieb genommen werden kann, bevor überhaupt mit der SPS-Programmierung begonnen wird.
Aufbau der mechanischen Achse vor der Softwarekonfiguration
Jedes Bewegungsprojekt beginnt mit der Mechanik. In diesem Aufbau verwendet die Linearachse eine Kugelgewindetrieb-Baugruppe mit einem Verfahrweg von etwa 8,5 mm pro Motorumdrehung und einem nutzbaren Hub von ungefähr 450 mm.
Die Abmessungen des Schlittens und die Verfahrgeometrie sind entscheidend, da Servosysteme physikalische Grenzen nicht automatisch verstehen. Ingenieure müssen diese Grenzen während der Einrichtung sorgfältig definieren.
Der physische Verfahrbereich der Achse muss stets überprüft werden, bevor automatisierte Bewegungsabläufe aktiviert werden.
Warum mechanische Messungen wichtig sind
Einer der am häufigsten übersehenen Schritte bei der Inbetriebnahme ist die Überprüfung des Verfahrwegs pro Umdrehung. Bewegungsingenieure übernehmen Skalierungswerte oft aus der Dokumentation, ohne das tatsächliche Übersetzungsverhältnis der Mechanik zu bestätigen.
Wenn der Motor abgekoppelt und die Kugelumlaufspindel manuell eine vollständige Umdrehung gedreht wird, ergibt sich eine zuverlässige Grundlage zur Bestimmung des tatsächlichen Verfahrwegs. Diese Messung wird später bei der Achsskalierung unverzichtbar.
Das Servosystem ist mehr als nur ein Motor
Die Bewegungsplattform von CMZ kombiniert drei wesentliche Komponenten: den SBD-Servoantrieb, den Servomotor mit Encoder-Rückführung sowie spezielle Leistungs- und Rückführungskabel.
Der Antrieb wird mit einer einphasigen Versorgung von 230 VAC betrieben und verfügt über konfigurierbare Digitaleingänge für Referenzfahrten und die Sicherheitsintegration. Während der Tests wurden die STO-Kanäle (Safe Torque Off) direkt mit 24 VDC überbrückt. In Produktionssystemen würden normalerweise jedoch Not-Aus-Schaltungen und Maßnahmen zur Maschinenrisikominderung integriert.
Servorückführungskabel und Encoderkommunikation sind entscheidend für eine präzise Positionierung im geschlossenen Regelkreis.
Die Sicherheitsarchitektur darf niemals nachträglich berücksichtigt werden
Servosysteme können selbst in kleinen Prüfaufbauten hohe Beschleunigungen und schnelle Drehmomentreaktionen erzeugen. Die STO-Funktion ist daher nicht einfach nur eine regulatorische Pflicht. Sie bildet eine entscheidende Ebene der Maschinensicherheit.
Viele industrielle Bewegungsplattformen integrieren die STO-Funktion in umfassendere Sicherheitsarchitekturen – zusammen mit industriellen Sicherheitsmodulen und dezentralen Maschinenverriegelungen.
Inbetriebnahmesoftware vereinfacht die Achskonfiguration
CMZ verwendet die SDSetup-Umgebung für die Servokonfiguration, Diagnose und integrierte SPS-Programmierung. Anders als viele Einsteigerantriebe ermöglicht die SBD-Plattform Ingenieuren, Programme in Structured Text direkt im Antrieb auszuführen.
Die Kommunikation während der Inbetriebnahme wird über eine einfache Micro-USB-Schnittstelle hergestellt, sodass keine sofortige EtherCAT- oder SPS-Integration erforderlich ist.
Die Inbetriebnahme über USB bietet eine schnelle Möglichkeit, den Antriebsbetrieb vor Beginn der Netzwerkintegration zu überprüfen.
Überprüfung des elektrischen Status vor den Bewegungstests
Vor der Ansteuerung einer Bewegung sollten Ingenieure die Zwischenkreisspannung, den STO-Status und die Funktion der Digitaleingänge in der Softwareumgebung überprüfen. Eine aktive STO-Anzeige und ein korrekt reagierendes Signal des Referenzschalters bestätigen, dass sowohl die Sicherheits- als auch die E/A-Subsysteme betriebsbereit sind.
Diese Validierungsschritte mögen einfach erscheinen, decken jedoch häufig Fehler bei der Verdrahtungspolarität oder der Erdung auf, bevor der erste Bewegungsbefehl ausgeführt wird.
Antriebsdiagnosen bieten während des Hochlaufs unmittelbare Einblicke in den Sicherheits- und Kommunikationsstatus.
Die Achsskalierung bestimmt die tatsächliche Bewegungsgenauigkeit
Der Bereich „Axis Scaling“ ist wohl die wichtigste Phase der Inbetriebnahme. Diese Konfiguration legt fest, wie Encoderinkremente in einen physischen Verfahrweg umgerechnet werden.
Im CMZ-Beispiel wird zum Testen der Standardwert von 8000 Inkrementen pro Umdrehung verwendet. Ingenieure können relative Bewegungen vorgeben und überprüfen, ob der tatsächliche Verfahrweg der erwarteten mechanischen Verschiebung entspricht.
Falsche Skalierungswerte können Positionierungsfehler verursachen, die groß genug sind, um Linearachsen zu beschädigen.
Die Referenzfahrstrategie bestimmt die Stabilität des Bezugspunkts
Die Referenzfahrtkonfiguration legt den Bezugsnullpunkt für alle zukünftigen Bewegungsbefehle fest. In diesem Projekt bewegt sich die Referenzfahrmethode -27 zum Schalter, fährt anschließend langsam zurück, bis der Schalter öffnet, und definiert dann die aktuelle Position als Nullpunkt.
Diese Strategie verbessert die Wiederholgenauigkeit, da der Referenzpunkt beim Loslassen des Schalters und nicht beim Auftreffen auf den Schalter festgelegt wird.
Eine ordnungsgemäße Referenzfahrtkonfiguration verhindert eine schrittweise Positionsabweichung während wiederholter Bewegungszyklen.
Servoantriebe werden zu eigenständigen Bewegungssteuerungen
Ein wichtiger Trend in der industriellen Automatisierung ist die zunehmende Intelligenz direkt in den Servoantrieben. Moderne Bewegungsplattformen vereinen immer häufiger Bewegungssteuerung, Diagnose, Sicherheit und integrierte SPS-Funktionalität in einem einzigen Gerät.
Diese Entwicklung reduziert die Komplexität im Schaltschrank und ermöglicht kompakte Architekturen für kleinere Maschinen. Bei der Bewertung zukünftiger Bewegungsplattformen vergleichen Ingenieure zunehmend auch die integrierten Logikfunktionen neben Drehmoment- und Leistungsdaten.
Anwendungen in den Bereichen Verpackung, Positioniersysteme und kompakte Automatisierungszellen setzen zunehmend auf integrierte Bewegungslösungen, wie sie in modernen Servoantriebssystemen zu finden sind.
Aus Sicht der Ingenieurpraxis
Die wichtigste Erkenntnis aus diesem Inbetriebnahmeprozess ist, dass die Zuverlässigkeit von Bewegungen lange vor Produktionsbeginn geschaffen wird. Ingenieure, die eine sorgfältige Validierung der Skalierung oder eine korrekte Referenzfahrtlogik überspringen, verbringen später oft deutlich mehr Zeit mit der Fehlersuche bei instabilem Verhalten.
Aus Sicht der Systemintegration sollte die Inbetriebnahme von Servos mit derselben Sorgfalt behandelt werden wie die Netzwerkarchitektur oder die SPS-Validierung. Präzise Mechanik und eine korrekte Softwarekonfiguration müssen als einheitliches System zusammenwirken.
Autor: Marcus Ellison | Analyst für Bewegungssysteme
Marcus Ellison verfügt über mehr als 12 Jahre Erfahrung in der industriellen Automatisierung und der Integration von Servobewegungssystemen. Zu seinem Hintergrund gehören Inbetriebnahmeprojekte mit Bewegungsplattformen von Siemens, Beckhoff-EtherCAT-Systemen und Rockwell-Servostrukturen in Anlagen für Verpackung, Materialhandhabung und Prozessfertigung.