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In der Welt der Automatisierung gibt es vier Dimensionen: Höhe, Breite, Tiefe und Zeit. Wenn das Gerät ein Objekt präzise an einer bestimmten Position platzieren soll, ist dafür eine Bewegungssteuerung erforderlich – die Steuerung von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Bei der Fertigung von spezialisierten Bauteilen sind Präzision und Zuverlässigkeit der Bewegungssteuerung so wichtig wie in kaum einem anderen Bereich.
Durch die Umwandlung digitaler Informationen in präzise mechanische Bewegungen werden Anwendungsfälle möglich, die bisher nicht realisierbar waren. Diese Verbesserung brachte Industrie 4.0 für Anwendungsbereiche wie fortschrittliche Robotik, Internet of Things (IoT) und Industrial Internet of Things (IIoT), batteriebetriebene medizinische Geräte, additive Fertigung und Prothetik. Jede dieser Anwendungen stellt hohe Anforderungen an die Präzision bei der Steuerung der Fertigungsanlagen. Daher umfasst die Umsetzung digitaler Informationen in physische Bewegung und die genaue Platzierung von Bauteilen für diese Anwendungen mehr als nur die Übertragung von Daten in Bewegung.
Im Folgenden befassen wir uns mit der präzisen Bewegungssteuerung, geben einen Überblick über die Anforderungen von Anwendungen in der Medizintechnik und der Industrieautomatisierung und stellen leistungsstarke Produktempfehlungen von Trinamic für die einzelnen Bereiche vor.
Präzise Bewegungssteuerung
Bei der präzisen Bewegungssteuerung kommen Schrittmotoren zum Einsatz, um die Position der aktiven Maschinenkomponenten zu steuern. Open-Loop-Systeme verwenden einen Schrittmotor, der das elektrische Steuersignal in eine präzise Rotationsposition für die Welle umwandelt. Für hochpräzise Anwendungen bauen die Ingenieure eine Kontrollfunktion ein, um die Position der Welle zu bestimmen. Das Messgerät sendet die Messdaten an die Steuerung zurück. Diese vergleicht sie mit dem Sollwert und ermöglicht so eine entsprechende Soll-Ist-Korrektur. Diese Zwei-Wege-Kommunikation wird als „Closed Loop“ bezeichnet.
Eine der bekanntesten Anwendungen, in denen eine hochpräzise Bewegungssteuerung zum Einsatz kommt, ist die CNC-Bearbeitung. Aber auch der 3D-Druck und die Desktop-Fertigung nutzen die engeren Toleranzen. Zu den weiteren Anwendungsbereichen, bei denen eine hochpräzise Bewegungssteuerung genutzt wird, zählen Prüfgeräte, die Informationen an die Steuerung zurücksenden, Bestückungsautomaten und automatisierte Montagelinien.
Mit präziser Bewegungssteuerung laufen Labore reibungsloser und in Lagern wird die betriebliche Effizienz zusätzlich gesteigert. Gleichzeitig reduziert diese Steuerung die Produktkosten, die durch ineffiziente Prozesse entstehen, wie z. B.:
Die Architektur der Trinamic-Bewegungssteuerung besteht aus funktionalen Bausteinen. Die Motorsteuerung (oder Motion Controller) empfängt Befehle über eine vorgegebene Schnittstelle in einem definierten Protokoll. Die Aufgaben werden in Signale für den Motorsteuerungs- und Treiberteil übersetzt. Zur einfachen Integration in die Firmware der Anwendung wird der Code im Trinamic-Format oder in C exportiert. Lesen Sie weiter, um mehr über die von Trimanic empfohlenen Produkte für medizinische und industrielle Automatisierungsanwendungen zu erfahren.
Hochpräzise Anwendungen
Trinamic hat Produkte entwickelt, die die Leistungsanforderungen in der medizinischen und industriellen Automatisierung erfüllen.
Medizintechnik
Medizinische Geräte, wie z. B. Pumpen und augenoptische Geräte, verlangen eine präzise Steuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten. Anwendungen von der Gewebeanalyse über die Blutzentrifuge bis hin zur Flüssigkeitsverarbeitung benötigen ebenfalls eine Präzisionslösung für niedrige Geschwindigkeiten und minimale Vibrationen. Die Trinamic-Technologie nutzt Stromschleifen, die nahezu perfekte Sinuskurven darstellen, um übermäßige Vibrationen zu vermeiden. Dadurch reduzieren die gleichmäßigen Kurven Vibrationen, die sich ansonsten negativ auf die Toleranzen auswirken würden. Denn eine ineffiziente Energieumwandlung im Motor kann zu einem Temperaturanstieg in diesem Bauteil führen und einen Systemausfall oder eine automatische Abschaltung verursachen. Durch die Anpassung des Beschleunigungsprofils kann der Anlagenbetreiber außerdem die Präzision verbessern und die Bewegungen der Maschinenkomponenten glätten.
Nachfolgend finden Sie Produktvorschläge von Trinamic, die sich ideal für die jeweiligen medizinischen Anwendungen eignen:
Abbildung 1: Der TMCM-3110 ist ein Dreiachs-Schrittmotor-Controller/Treiber-Modul für die sensorlose, lastabhängige Stromregelung (Quelle: Mouser Electronics)
Präzision, niedrige Geschwindigkeiten und ein reibungsloser Betrieb sind bei der Bewegungssteuerung in der Automatisierung medizinischer Geräte von entscheidender Bedeutung. Die Bewegungssteuerungen von Trinamic umfassen ein breites Spektrum an Lösungen, die von hochentwickelten Chips bis hin zu intelligenten Motoren reichen. Sie sind anpassbar und flexibel für Anwendungen in diesem Bereich.
Industrie
Produktivität und Durchsatz sind die wichtigsten Faktoren bei der Produktentwicklung für industrielle Anwendungen. Durch die Verbesserung der Bewegungssteuerung leisten die fortschrittliche Diagnose und die vernetzten Antriebe von Trinamic einen wichtigen Beitrag zu einer intelligenten Fertigung. Die Technologie ist so robust, dass sie sowohl für Einzelanwendungen als auch für Netzwerke eingesetzt werden kann. Dabei entstehen Bausteine, mit denen Systementwickler die jeweils optimale, kundenspezifische Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall erstellen können.
3D-Druck, Robotik und Fabrikautomation sind drei Anwendungsbereiche, in denen eine präzise Automatisierung gefordert ist. Trinamic-Produkte, die diese Anwendungsszenarien unterstützen, sind:
Abbildung 2 Die TMC5160 kombiniert einen flexiblen Rampengenerator für die automatische Zielpositionierung mit dem branchenweit modernsten Schrittmotortreiber. (Quelle: Mouser Electronics)
Die oben genannten Produkte lösen bedeutende Herausforderungen bei industriellen Anwendungen. 3D-Druck ist bekanntermaßen laut und beeinträchtigt die Aktivitäten in der Nähe der Anlage. Der TMC2209 glättet die Sinuswellen und ermöglicht eine leise Teilefertigung bei höherer Maßgenauigkeit. Der TMC5160 arbeitet ähnlich leise und erzeugt schnell hochpräzise Roboterteile. Er ist hoch integriert und skalierbar, optimiert die Betriebseffizienz und steigert den Durchsatz ohne Verschwendung von Energie oder Zeit. Der TMC262 bietet einen Gatestrom von 40 mA und eignet sich damit ideal für Anwendungen in der Labor- und Fabrikautomation.
Fazit
Die Präzisionssteuerung hat zwei wichtige Makroindustrien verändert – die Medizintechnik und die Industrieautomatisierung. Präzise Bewegungssteuerung ist der Enabler für beide Bereiche. Sie verbessert das Vibrationsverhalten, die Energieeffizienz, die Geräuschentwicklung und die Gleichmäßigkeit der Bewegung, reduziert die Toleranz der automatischen Bewegung erheblich und steigert deren Präzision.
Die Industrieautomatisierung ist ein wichtiger Treiber für Industrie 4.0 und bringt intelligente Fertigungstechnologien auf den Markt. Durch den Einsatz von präziser Bewegungssteuerung können 3D-Druck, CNC-Bearbeitung, Bestückungsautomaten, Inspektions-, Qualitäts- und Testgeräte, automatisierte Montagelinien und Förderbänder sowie kollaborative Roboter (Cobots) wesentlich effizienter genutzt werden. Fahrerlose Transportsysteme (AGV) und autonome mobile Roboter (AMR) erhöhen die Produktivität, steigern die Produktionsgeschwindigkeit und ermöglichen einen Just-in-Time-Produktfluss in der Lieferkette.
Adam Kimmel ist seit fast 20 Jahren als praktizierender Ingenieur, F&E-Manager und Verfasser von technischen Inhalten tätig. Er erstellt Whitepapers, Website-Texte, Fallstudien und Blog-Posts in vertikalen Märkten, darunter die Bereich Automotive, Industrie/Fertigung, Technologie und Elektronik. Adam Kimmel hat Abschlüsse in Chemie und Maschinenbau und ist der Gründer und Leiter der ASK Consulting Solutions LLC, einer Firma, die technische und technologische Inhalte verfasst.