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#Produkttrends
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5 mechanische Überlegungen für Elektroingenieure
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Der Versuch, die elektrischen Komponenten vor der Definition der Mechanik zu dimensionieren und zu platzieren, kann zu Zeitverlust und Nacharbeit führen.
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Leistungsstarke mechatronische Systeme erfordern ein komplexes Zusammenspiel von elektrischen und mechanischen Systemen, um immer anspruchsvollere Aufgaben zu erfüllen. Das Problem? Maschinenbauer und Elektroingenieure sind oft in ihrem Fachgebiet ausgebildet und kommunizieren einfach nicht so viel wie sie sollten, wenn sie elektromechanische Systeme entwerfen - eine Überwachung, die zu höheren Kosten und weniger zuverlässiger Leistung führen kann.
Die meisten Ingenieure, die sich mit der Auslegung, Auswahl und Inbetriebnahme mechatronischer Systeme befassen, werden sowohl in der Entwurfsphase als auch im Feld mit diesen Problemen konfrontiert. Um die Lücke zwischen Elektrotechnikern und Maschinenbauern zu schließen, sind hier fünf wichtige Dinge, die Elektrotechniker bei der Entwicklung mechatronischer Systeme berücksichtigen sollten.
Erwägung #1: Die Total Cost of Ownership ist alles
Es versteht sich von selbst, dass mechatronische Systeme so konzipiert sein sollten, dass sie langfristig die bestmögliche Leistung bei geringsten Kosten erbringen. Die Notwendigkeit, Kosteneinsparungen jährlich (und nicht über die Lebensdauer des Systems) zu dokumentieren, kann jedoch eine starke Motivation für Ingenieure sein, nach kostengünstigeren Komponenten zu suchen, um die Vorlaufkosten des mechatronischen Systems niedrig zu halten.
Tatsächlich können scheinbar einfache Komponenten, die zu diesem Zeitpunkt wie Entscheidungen ohne Verstand erscheinen, später schmerzhafte Kopfschmerzen verursachen. So ist beispielsweise der Einsatz von kostengünstigeren Faltenbalgkupplungen zwischen Motor oder Getriebe und Antriebswelle des Stellglieds in vielen schrittmotorgetriebenen Anwendungen eine perfekt geeignete Wahl. Tatsächlich kann eine etwas schwammigere Kupplung bei Pick-and-Place-Anwendungen, die schwerere Lasten bewegen, eine gewisse Dämpfung bewirken. Das Opfer ist natürlich die Präzision, und in vielen mechatronischen Systemen, die typischerweise servomotorisch angetrieben werden, ist es am besten, steifere Elastomerkupplungen einzusetzen.
Der Einsatz kostengünstigerer Kupplungen kann kurzfristig Geld sparen, aber wenn die erforderliche Steifigkeit nicht erreicht wird, kann die Neugestaltung und Nachrüstung des Motorlagersystems leicht das Dreifache oder Mehr an Geld kosten, das Sie mit der Economy-Kupplung ursprünglich eingespart haben. Außerdem haben Sie die zusätzlichen Kosten für Ausfallzeiten und Produktionsausfälle, was kein guter Kompromiss ist. Die Total Cost of Ownership (TCO) ist in der Tat die wichtigste Einzelüberlegung bei der Entwicklung mechatronischer Systeme, und die vier verbleibenden Punkte werden letztlich auch zu einer Senkung der TCO beitragen.
Erwägung #2: Betrachten Sie immer zuerst die Mechanik
Für Elektroingenieure ist es sehr wichtig, sich an der mechanischen Konstruktion eines mechatronischen Systems zu beteiligen oder zumindest zu verstehen, bevor sie mit der elektrischen Konstruktion und Steuerung fortfahren. Der Versuch, die elektrischen Komponenten vor der Definition der Mechanik zu dimensionieren und zu spezifizieren, kann zu Zeitverlust und Nacharbeit führen, da Parameter wie Trägheit und Drehmoment durch die Wahl der mechanischen Komponenten stark beeinflusst werden.
Die Ingenieure von Bosch Rexroth verwenden ein System namens LOSTPED, um die mechanischen Komponenten zu dimensionieren und auszuwählen, die am besten auf die Leistungsanforderungen der Anwendung abgestimmt sind. LOSTPED ist einfach ein Akronym, das für Load, Orientation, Speed, Travel, Precision, Environment und Duty Cycle steht. Kurz gesagt, es ist eine systematische Überprüfung aller zu berücksichtigenden Leistungs- und Designattribute, wobei das Endziel das optimale Systemdesign für jede Anwendung ist.
Die Nichtbeachtung dieses Prozesses kann zu größeren oder teureren mechanischen Systemen führen, als benötigt werden. Wenn beispielsweise der OEM oder der Endverbraucher die Konstruktion zwingt, einen bestimmten Motor aufzunehmen, ohne die LOSTPED-Kriterien zu berücksichtigen, können größere mechanische Komponenten erforderlich sein, um das Motordrehmoment oder die Trägheit des Motors zu beherrschen, als für die Anwendung tatsächlich erforderlich ist. Gleiches gilt für die Steuerungssysteme. Wenn ein kugelgetriebenes Stellglied eine Wiederholgenauigkeit von 0,01 mm erreichen kann, müssen Sie sicherstellen, dass der Geber diese Spezifikation erfüllen oder übertreffen kann, da Sie sonst die Präzision des Kugelgewindetriebs nicht nutzen können.
Es liegt in der Natur des Menschen, Komponenten verwenden zu wollen, die auf Lager sind oder mit denen der Anwender vertraut ist, wie z.B. Motoren, Antriebe und Steuerungen, die auf anderen Maschinen eingesetzt wurden - aber jedes System verdient eine eigene Überprüfung, um sicherzustellen, dass die Komponenten und das Gesamtsystem hinsichtlich Kosten und Leistung optimiert sind. Andernfalls können Sie Geld auf dem Tisch liegen lassen oder die benötigte Systemleistung nicht erreichen.
Erwägung #3: Versuchen Sie nicht, einen quadratischen Stift in ein rundes Loch zu stecken
Das letzte Beispiel ist so verbreitet, dass es sich lohnt, es als eine wichtige eigene Überlegung hervorzuheben: Versuchen Sie nicht, einen quadratischen Zapfen in ein rundes Loch zu stecken. Viele Elektroingenieure sind mit bestimmten Motoren und Antrieben vertraut oder werden unter Druck gesetzt, durch den Einsatz bereits vorhandener Komponenten Geld zu sparen. Die Verwendung eines physisch zu großen Motors kann jedoch zu Montageproblemen führen. Es könnte zu viel Drehmoment für das Linearmodul liefern (was zu mechanischem Versagen oder Bruch führen kann), oder es könnte Trägheit und Probleme bei der Abrechnung verursachen.
Unvorhersehbares Absetzen kann ein besonderes Problem in Präzisionsanwendungen sein, wie z.B. beim Dosieren, Einsetzen von Stiften oder bei der Präzisionsmontage in Halbleiter- und medizinischen Anwendungen. Wenn der Motor überdimensioniert ist und zu viel Trägheit aufweist, kann es schwierig sein, die gewünschte Position zu erreichen, was zu längeren Gesamtzykluszeiten als erforderlich führt.
Insbesondere bei Präzisionsanwendungen sollten Sie versuchen, die mechanischen und elektrischen Komponenten so zu dimensionieren, dass eine größtmögliche 1:1-Trägheitsmessung erreicht wird. Die Minimierung des Stromverbrauchs auf das für die Anwendung erforderliche Minimum ist auch für Kunden wichtig, die ihre Umweltbelastung reduzieren und ihre Produktion umweltfreundlicher gestalten wollen.
Erwägung #4: Vergiss nicht "Ruck"
"Ruck" ist die Änderungsrate der Beschleunigung oder der Aufbau der Beschleunigung der Achse. Denken Sie an das Gefühl, das Sie spüren, wenn Sie mit einer Achterbahn den nächsten Hügel hinauffahren. Es ist die Begrenzung des Ruckparameters (wie schnell Sie beschleunigen), mit der Sie die Beschleunigung der Achterbahn erleben können, ohne Schleudertrauma zu entwickeln.
In mechatronischen Anwendungen ist die Beschleunigung wichtig, um die gewünschte Bewegung in der erforderlichen Zeit zu erreichen, aber wenn der Ruck (wie schnell das System beschleunigt) zu hoch ist, können Vibrationen auftreten und zu einem Verlust der Positionierung oder vorzeitigem Verschleiß der Komponenten führen. Wenn die Konstrukteure von elektrischen Systemen hingegen die für die Anwendung erforderliche Ruckgröße nicht berücksichtigen, kann der Motor unterdimensioniert sein und die erforderliche Leistung nicht erreichen.
Erwägung #5: Kabel müssen verwaltet werden
Kabelmanagement ist eines der am häufigsten übersehenen Attribute in mechatronischen Systemen. Machen Sie diesen Fehler nicht - er kann kostspielig sein. Kabel und Kabelbahnen benötigen physischen Platz, und schnelle, mehrachsige Bewegungen erfordern oft Kabel, die enge Biegungen und hohe Arbeitszyklen bewältigen können.
Insbesondere bei der Auslegung des Kabelmanagementsystems können sich der theoretische Betrieb und der Platzbedarf stark von den Anforderungen der realen Welt unterscheiden. Nach der Installation in der Maschine oder Fabrik kann die aktive Umgebung des Systems benachbarte Maschinen, Werkswände, Pfosten oder Träger und andere Teile oder Werkzeuge umfassen, die Störungen des Kabelmanagementsystems verursachen. Die richtige Zugentlastung von Kabeln ist auch deshalb von entscheidender Bedeutung, weil Kabel, die über ihre Spezifikationen hinaus gebogen und verdreht werden, ein Sicherheitsrisiko in Form von Feuer oder Kurzschlüssen darstellen.
Alles zusammen ergibt die TCO
Das oberste Ziel bei der Entwicklung eines elektromechanischen Systems sollte es sein, die optimale mechanische und elektrische Leistung zu erreichen, um die Arbeit mit den niedrigsten Gesamtkosten zu erledigen. In der Praxis werden viele dieser Systeme von Teams aus Ingenieuren beider Fachrichtungen gemeinsam entwickelt.
Dies ist das ideale Modell, aber da die Disziplin der Mechatronik relativ jung ist, treten die hier beschriebenen Probleme allzu oft auf, da nur wenige Maschinen- oder Elektroingenieure die Erfahrung oder das Verständnis ihres Gegenübers in der anderen Disziplin haben. Die fünf oben genannten Tipps sollen helfen, diese Lücke zu schließen und kostspielige, unwillkommene und zeitraubende Überraschungen zu vermeiden. Und Tausende von Dollar an langfristigen Einsparungen durch Reduzierung der Gesamtbetriebskosten? Wer kann dagegen sein?