Der Parallel-Antrieb #####

Zwei kostengünstige Standardantriebe statt eines teuren Spezialantriebes – diese Idee steckt hinter einem neuen Konzept zur Realisierung hochpräziser Elektroantriebe.

Zwei kostengünstige Standardantriebe statt eines teuren Spezialantriebes – diese Idee steckt hinter einem neuen Konzept zur Realisierung hochpräziser Elektroantriebe.

Moderne Produktionsanlagen, etwa Druckmaschinen, fordern dem Antriebssystem vielfach nicht nur hohe Leistungen ab; gleichzeitig müssen die zu realisierenden Drehbewegungen hochpräzise erfolgen. Um die erforderlichen niedrigen Drehzahlen für die Arbeitsmaschine zur Verfügung zu stellen, kommen beispielsweise Motor-Getriebe-Kombinationen mit spielarmen Planetengetrieben zum Einsatz, die für die geforderten Genauigkeiten ausgelegt sind. Dort, wo die verbleibende Ungenauigkeit der Mechanik durch Getriebelose, Elastizität von Riemen oder Ketten zu groß ist, wird auf Direktantriebe gegangen.

Beiden Ansätzen ist gemein, dass der Antrieb für die volle Leistung und die geforderte Präzision auszulegen ist. Dies macht die Sache teuer, da zur Realisierung der mechanischen Präzision zum Teil aufwendige Maßnahmen zur Verbesserung der Genauigkeit zu treffen sind, also zum Beispiel:

  • Spielarme Getriebe durch eng tolerierte Verzahnungselemente und spielfreie Lamellen- oder Metallbalgkupplungen, die für geringe Winkelfehler sorgen.
  • Drehsteife Übertragungselemente und Getriebe wie zum Beispiel Planetengetriebe oder dickwandige Getriebegehäuse zur Erhöhung der Getriebesteifigkeit.

Besonders bei großen Leistungen über 20 kW sind derartige Antriebslösungen mit erheblichen Kosten verbunden. Ein weiteres Problem ist die prozesssichere Realisierung in der Fertigung. So ist beispielsweise die Selektion präziser Verzahnteile für ein spielarmes Getriebe bei großen Drehmomenten nur mit Einschränkungen möglich.

Vor diesem Hintergrund hat sich Lenze Gedanken über alternative Antriebskonzepte gemacht und als Ergebnis das Konzept des Parallel-Antriebes auf den Weg gebracht. Die Idee dahinter: Statt eines leistungsstarken und gleichzeitig hochpräzisen Antriebs nehme man zwei parallel arbeitende Teilantriebe – einen „großen“ Standard-Antrieb zur Erzeugung der geforderten Leistung und einen „kleinen“ Regelantrieb, der zur Korrektur der vom Leistungsantrieb produzierten Fehler dient. Die Antriebe werden so geregelt, dass das Verhalten des Doppelantriebs präzise und linear ist. Dieser Doppelantrieb wird in eine überlagerte Regelung und Steuerung eingebunden, zum Beispiel eine Winkelgleichlaufregelung mit Druckmarkensynchronisation.

Durch die Aufteilung in zwei Antriebe lässt sich der Leistungsantrieb kostenoptimal für die benötigte Antriebsleistung auslegen, während der Präzisionsantrieb nur eine kleine Leistung zur Korrektur der Fehler des Leistungsantriebs zur Verfügung stellen muss. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass das System mit Standardgetrieben arbeitet.

Beispiel Walzenantrieb

Zur näheren Erläuterung des Paralellantrieb-Konzeptes dient im Folgenden das Beispiel eines Walzenantriebes mit Getriebelose (Bild 1).

Für die Drehzahlregelung der beiden parallel arbeitenden Antriebe (Bild 3) gilt: Leistungs- und Regelantrieb sind Drehmomentsteller und erhalten einen Sollwert aus der Regelabweichung zum Drehzahlsollwert. Beide Antriebe sind jeweils drehelastisch über eine Welle mit der Last verbunden. Zur Beschreibung des Systems lassen sich fünf Gleichungen heranziehen: Zwei Gleichungen für Verstärkung und Übertragungsfunktion für Regel- und Leistungsantrieb, zwei Bewegungsgleichungen für Regel- und Leistungsantrieb sowie die Ausgangsgleichung mit der Zusammenschaltung der beiden Antriebe. Mit diesen fünf Gleichungen lässt sich die Übertragungsfunktion des Gesamtantriebs bestimmen, in der sich auch die Fehler des Leistungsantriebs finden.