Die Bedeutung von Servoantrieben hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Ursprünglich wurden Servomotoren als Stell- oder Hilfsantriebe in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Heute kommen sie dagegen in zahlreichen hochdynamischen Applikationen zum Einsatz – wobei permanenterregte Synchronmotoren am häufigsten zur Anwendung kommen. Aufgrund ihrer guten physikalischen Eigenschaften stellen sie eine Alternative zu Drehstrom-Asynchronmotoren dar. Dazu gehören ihre hohe Leistungsdichte, große Drehmomente – bereits ab Drehzahl Null – sowie eine hohe Überlastfähigkeit. Diese Motorenart hat nur geringe Rotorverluste, da bei Permanentmagneten keine Rotorströme fließen. Geringe Rotorträgheit und sehr hohe Dynamik sind weitere kennzeichnende Merkmale permanenterregter Servomotoren.

Konstruktion von Synchronmotoren

Das Arbeitsprinzip von permanenterregten Synchronmotoren besteht in der Wechselwirkung zwischen dem sinusförmigen Drehfeld, das in den Stator der Maschine eingespeist wird und dem Magnetfeld des Rotors. Hierfür werden Permanentmagnete aus Seltenen Erden wie NeFeB (Neodym-Eisen-Bor) verwendet. Eine Legierung, aus der die derzeit stärksten Dauermagnete hergestellt werden.

Ein Rotor besteht grundsätzlich aus der Rotorwelle und dem Blechpaket. Im Querschnitt hat er die Form eines Vielecks mit geraden Außenflächen, auf welche die Magnete aufgeklebt und nach der Montage auf dem Rotor magnetisiert werden. Wie die meisten industriellen Prozesse erfolgt auch die Montage von Synchronmotoren heutzutage weitgehend automatisch. Ein zentraler Prozessschritt ist das Aufkleben der Permanentmagnete auf den Rotor. Bei dieser Technologie arbeitet SEW-Eurodrive schon seit längerem mit dem Automatisierungsspezialist IEF-Werner aus Furtwangen zusammen. Bereits in der Vergangenheit hatte das Unternehmen aus dem mittleren Schwarzwald Bestückungsanlagen für den Antriebsspezialisten aus Bruchsal gebaut.

Automatisierungsbaukasten Movi-C

Die aktuelle Rotorbestückungsanlage wurde mit neuester Antriebs- und Automatisierungstechnik von SEW-Eurodrive gebaut – mit dem Automatisierungsbaukasten Movi-C. Diese neue Anlage kommt am SEW-Standort Graben-Neudorf zum Einsatz.
Kernstück der Maschine ist ein Rundschalttisch mit vier Positionen, die jeweils um 90° versetzt sind. An der ersten Position wird der Rotor in eine bewegliche Aufnahme mit zwei Dornen eingespannt. Er steht unten auf dem Wellenbund und wird oben, am Wellenspiegel, gehalten. Das Einspannen kann per Hand erfolgen oder mithilfe eines Handlingroboters. Im anschließenden Takt wird der Rotor gereinigt. Dazu verfährt ein Plasma-Laser zur Oberflächenbehandlung am Rotor entlang. Eventuell anhaftende Öl- oder Schmutzschichten entfernt er schonend und umweltfreundlich – nur durch gebündeltes Licht. Der Laser ermöglicht eine genaue und homogene Bearbeitung mit hoher Produktivität.

Im nächsten Schritt positioniert ein Zweiachs-Linearhandling die Klebedüse am senkrecht gehaltenen Rotor. Das Blechpaket hat einen vieleckigen Querschnitt, an dessen Außenflächen der Kleber als glatte Kleberaupe aufgetragen wird. Um Lufteinschlüsse sicher auszuschließen, wird diese Raupe fortlaufend durch einen Scanner überwacht. Die Magnete aus Seltenen Erden werden in Blistern zur Anlage geführt.

Ein Portal saugt die Magnete an und legt sie aneinandergereiht auf ein kleines Förderband. Je nach Länge und Umfang der Rotoren erfasst ein Greifer von oben die benötigte Anzahl Magnete, dreht sie um 90° und drückt sie mit einem definierten Anpressdruck auf den Kleber. Nach abgeschlossener Bestückung werden die Rotoren in einem Härteofen behandelt, um die Klebung dauerhaft zu festigen. Die jeweilige Aushärtezeit variiert je nach Größe der Rotoren. Kurz bevor der Rotor im Montageprozess auf den Stator trifft, werden die Magnete auf dem Rotor in einer Magnetisierspule aufmagnetisiert.

Auf der Bestückungsanlage können alle Rotoren für Synchronmotoren mit Permanentmagneten bearbeitet werden – von der kleinsten Baugröße 1 des mechatronischen Antriebssystems Movigear bis zum CMP 112E, dem größten Motor dieser Baureihe.

Blick in Schaltschrank, Bild: SEW-Eurodrive
Ein kompakter Aufbau durch Doppelachsmodule reduziert den benötigten Platz im Schaltschrank. Bild: SEW-Eurodrive

Die Technik dahinter

Das Movi-C-Multiachs-Umrichtersystem Movidrive modular stellt die benötigten Antriebskräfte für die Bestückungsanlage zur Verfügung. Eine 10-kW-Einspeisung Movidrive modular MDP versorgt insgesamt 18 Achsen in der Anlage: acht Doppelachs- und zwei Einachsmodule.

Sie sind über einen gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis verbunden. Ein Vorteil des Automatisierungsbaukastens Movi-C ist die Platzeinsparung aufgrund der kompakten Bauweise und integrierten Sicherheitstechnik. In einem Doppelachsmodul kommen beispielsweise auf gleichem Bauraum wie bei einem Einzelachsmodul zwei Antriebsarten unter. Sämtliche Prozesse in der Bestückungsanlage werden durch den Movi-C Controller power gesteuert. Mit den ausgereiften Funktionen des IEC-Programmiersystem Codesys 3.5 lassen sich seine Motion-Control- und Visualisierungsfunktionen bequem programmieren. Das erleichtert die Arbeit des Maschinenbauers erheblich.

Für den Automatisierungsbaukasten wurde das intuitive Engineeringtool Movisuite entwickelt. Es trägt zur deutlichen Vereinfachung und Beschleunigung der Inbetriebnahme bei. Antriebslösungen in Maschinen können sehr vielfältig sein – von der einfachen Drehzahlvorgabe über Positionierung und synchronisierte Achsbewegungen bis zur Robotik, wo mehrere Achsen einer genau definierten Raumkurve folgen müssen.

Die Motion-Control-Softwareplattform Movikit MultiMotion hilft dem Anwender, diese Vielfalt zu beherrschen und mit effizientem Engineering schnell ans Ziel zu kommen. Das bedeutet: So viel wie möglich Parametrierung und so wenig wie nötig Programmierung sowie Unterstützung durch grafische Oberflächen für die geführte Parametrierung der Standardfunktionen und eine komfortable Diagnose. Die Serie der Digitalen Operator Panel DOP11C von SEW-Eurodrive ermöglicht eine realitätsnahe und leistungsstarke Maschinenvisualisierung. In der Rotorbestückungsanlage kommen die Panel DOP11C 150 für die Bedienung und DOP11C 100 zur Justierung der Klebeeinheit zum Einsatz.

Alle Arbeitsschritte in der Magnetbestückungsmaschine erfolgen automatisch. Movi-C erfüllt darüber hinaus alle Anforderungen, die an ein Industrie-4.0-Produkt gemäß der Definition des ZVEI gestellt werden. Somit lässt sich die Rotorbestückungsanlage nahtlos in Industrie-4.0-Fertigungskonzepte integrieren. Die Zuführung und Entnahme der Rotoren können durch mobile Handlingsassistenten erfolgen. Im Zuge des schrittweisen Ausbaus der mechanischen Fertigung am Standort Graben-Neudorf wird SEW-Eurodrive die eigene Produktion nach Industrie-4.0-Aspekten umgestalten. jl