Frequenzumrichter in Rundtaktmaschinen

  • Der individuell angepasste Frequenzumrichter treibt in den Rundtaktmaschinen von Precitrame bis zu 54 Haupt-Bearbeitungsspindeln an.Der individuell angepasste Frequenzumrichter treibt in den Rundtaktmaschinen von Precitrame bis zu 54 Haupt-Bearbeitungsspindeln an.
  • Der individuell angepasste Frequenzumrichter treibt in den Rundtaktmaschinen von Precitrame bis zu 54 Haupt-Bearbeitungsspindeln an.
  • Seit 2016 liefert Sieb & Meyer den SD2 mit neuer Hard- und Software. Damit stehen dem Hersteller von Rundtaktmaschinen die Sicherheitsfunktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM) und „Sicherbegrenztes Drehfeld“ (SLOF) zur Verfügung.

Umrichter treiben die Haupt-Bearbeitungsspindeln in Rundtaktmaschinen an. Entsprechend hoch sind die Anforderungen, die die Maschinen-Hersteller an die Geräte haben. Dazu zählen eine kompakte Bauform, digitale Kommunikationsschnittstellen, Sicherheitsanforderungen sowie eine gute Regelung für den Betrieb bei hohen Drehzahlen. Nur maßgeschneiderte Lösungen bekommen diese Anforderungen unter einen Hut.

Der Schweizer Hersteller von Rundtakt- und Poliermaschinen Precitrame Machines suchte im Jahr 2011 im Rahmen der kontinuierlichen Weiterentwicklung nach neuen Umrichtern für den Einsatz in seinen Rundtaktmaschinen. Dafür hatte das Unternehmen ein konkretes Anforderungsprofil erstellt: Die Umrichter mussten in der passenden, sehr kompakten Baugröße erhältlich sowie mit geringem Aufwand installierbar sein und eine kundenspezifische Anpassung ermöglichen. Unentbehrlich waren zudem eine flexible, digitale Kommunikationsschnittstelle, eine sehr gute Regelung für den optimalen Betrieb von Motoren bei hohen Drehzahlen sowie die Möglichkeit zur Auswahl und Ansteuerung verschiedener Antriebsmotoren (Motorparameterauswahl). Auch eine Option für den späteren Betrieb von permanenterregten Synchronmotoren sollte gegeben sein. „Der Umrichter treibt die Haupt-Bearbeitungsspindeln der Rundtaktmaschinen an, dabei handelt es sich um 2-kW-Modelle mit Drehzahlen bis zu 40.000 1/min“, erklärt Daniel Kunz, Verantwortlicher Elektro-Entwicklung bei Precitrame. „Er dreht also die Motoren, die die Fräs- und Bohrwerkzeuge eingespannt haben und die Teile bearbeiten. Diese Werkzeuge müssen eine optimale Oberflächengüte und eine hohe Präzision gewährleisten sowie über eine lange Lebensdauer verfügen. Der verbaute Umrichter leistet dabei einen wesentlichen Beitrag.“

Lösungen basieren auf Standardkomponenten

Kein Problem für Sieb & Meyer: Das Unternehmen aus Lüneburg hat sich auf kundenspezifische Lösungen im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Frequenzumrichter sowie der intelligenten Antriebsverstärker spezialisiert. „Dazu zählen einfache Hardwareanpassungen bestehender Serienprodukte, aber auch komplett neu definierte Geräte und Funktionen“, erklärt Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei Sieb & Meyer.

Die Lösungen basieren auf bewährten Standardkomponenten – in diesem Fall auf dem digitalen Antriebssystem SD2, das speziell für Mehrachssysteme und hohe Leistungen konzipiert ist.
„Unsere SD2-Antriebsverstärker erfüllen die Anforderungen dieses Kunden“, so Blankenburg. „Sie sind kompakt, leicht und ermöglichen eine sensorlose Kontrolle sowohl von asynchronen als auch synchronen Spindeln.“ Bis zu 12 Antriebe werden von einem Netzteil versorgt, sodass jeweils nur ein Netzfilter und Bremswiderstand benötigt werden. In einem Profibus-Gateway sind bis zu 12 Antriebe gebündelt. Für den Einsatz in den Rundtaktmaschinen passte Sieb & Meyer den SD2 noch bezüglich einiger Merkmale an: Umgesetzt wurden eine Drehzahl-Null- beziehungsweise. Stillstandserkennung bei asynchronen und synchronen Motoren ohne Drehgebersystem sowie eine automatische Erkennung der eingesetzten Spindelmotoren. Zudem ermöglichten die Lüneburger Experten eine Anpassung der Motordaten über die Maschinensteuerung via Profibus. Nicht zuletzt konnten Sieb & Meyer auch den Wirkungsgrad des Systems optimieren: Das Antriebspaket nimmt insgesamt weniger Leistung auf, weil die Bremsenergie genutzt wird. „Die traditionelle Topologie der Antriebsstränge bewirkt, dass überschüssige Energie beim Abbremsen in Wärme umgesetzt wird“, erläutert Blankenburg. „Nicht so bei unserer Lösung – wenn hier ein Motor bremst, wird die entstehende Energie in den anderen Antrieben genutzt.“

Neu: Mehr Sicherheitsfunktionen

Die kundenspezifische Lösung bewährt sich seither in den Rundtaktmaschinen von Precitrame – bis die Zusammenarbeit im Sommer 2016 in eine neue Runde ging: Nach ausführlichen Tests liefert Sieb & Meyer nun den SD2 mit neuer Hard- und Software. Der Hintergrund: Mit den neuen Modellen stehen den Endkunden von Precitrame die vom TÜV zertifizierten Sicherheitsfunktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM – Safe Frequency Monitor) und „Sicher begrenztes Drehfeld“ (SLOF - Safe Limited Output Frequency) zur Verfügung, die speziell für rotierende Motoren ohne Drehzahlgeber konzipiert sind. „In den bestehenden Antriebsverstärkern waren bereits eine STO (Safe Torque Off)- sowie eine sensorlose SLS (Safely Limited Speed)-Funktionalität integriert“, berichtet Torsten Blankenburg. „Um den stetig steigenden Anforderungen an Produktivität und Personensicherheit gerecht zu werden, haben wir jedoch bei allen unseren SD2-Modellen zusätzlich die Funktionen SLOF und SFM implementiert.“
„Für uns kam dieses Update gerade zum rechten Zeitpunkt, denn die Funktion SFM ist mittlerweile gemäß den Sicherheitsnormen vorgeschrieben“, ergänzt Daniel Kunz von Precitrame. „Mit ihrer Hilfe kann der Bediener erkennen, ob eine geberlose Spindel nach dem Ausschalten eine sichere Drehzahl unterschritten hat.“ Mit der Funktion SLOF hingegen lässt sich gewährleisten, dass eine kritische Drehzahl nicht überschritten wird, zum Beispiel, weil ansonsten ein Werkzeug durch eine Überdrehzahl bersten könnte. Bei einer Überschreitung der parametrierten maximalen Drehfeldfrequenz durch eine Fehleingabe oder durch eine Fehlfunktion des Antriebsverstärkers wird die Endstufe mittels der Funktion STO freigeschaltet.

Platzsparend verkabelt

Für die Umsetzung der neuen geberlosen Sicherheitsfunktionen hat Sieb & Meyer die notwendige Hard- und Software in die Antriebsverstärker der SD2-Serie integriert. Externe Sicherheitsmodule sind somit unnötig. Das Ergebnis ist eine funktionale und kostengünstige Lösung für Maschinen-Hersteller, die sich für sensorlose Systeme eignet. Spindeln und Motoren müssen daher nicht mit Drehzahlgebern ausgestattet werden – das ist besonders relevant für alle Einsatzbereiche, bei denen eine Integration von Drehzahlgebern in Spindeln / Motoren aus technischen oder finanziellen Gründen nicht möglich ist. Die Daten der Sicherheitsfunktionen werden über die Profibus-Gateways gebündelt weitergegeben. Bis zu je 12 OSSD-Sicherheitsein- und ausgänge lassen sich in einem Gateway bündeln. „Das ermöglicht eine erhebliche Kostenreduktion aufgrund des geringeren Verdrahtungsaufwands, zudem steht im Schaltschrank mehr Platz zur Verfügung“, erläutert Kunz. „Diese Konstruktion in Kombination mit dem zertifizierten Profibus-Gateway machte uns die Integration der neuen SD2-Antriebsverstärker in das bestehende Maschinenkonzept einfach“. Eine Win-Win-Situation – sowohl für den Hersteller der Rundtaktmaschinen als auch für den Endkunden.

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