Der FH-Rapid der FH Stralsund

Hochdynamischer 2-Achsen-Antrieb

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Motivation

Antriebstechnik erfahren – Was leisten elektrische Antriebe?
Elektrische Antriebe verbrauchen heute fast 80 % der erzeugten elektrischen Energie. Es gibt keinen Bereich im täglichen Leben, wo nicht mindestens ein elektrischer Antrieb für rotatorische oder translatorische Bewegung sorgt. Diese Antriebe bleiben für die meisten Menschen oft unbemerkt, da ihre Arbeit nicht unmittelbar auf sie einwirkt. Die Wirkung elektrischer Antriebe kann man z.B. bei Aufzügen und Fahrtreppen erleben – die meisten anderen Anwendungen elektrischer Antriebe entziehen sich aber dem Erlebnisbereich des Menschen.
Durch den Bau eines hochmodernen, hochdynamischen elektrischen 2-Achsen-Antriebes sollen die heute machbaren antriebstechnischen Möglichkeiten geregelter, elektrischer Maschinen am eigenen Leib erfahrbar werden. Das unmittelbare Umsetzen eines gegebenen Verfahrbefehls in eine Bewegung mit einer ausserordentlich hohen Dynamik sollen dem Probanden das beeindruckende Gefühl für die Möglichkeiten der heutigen elektrischen Antriebstechnik in Verbindung mit modernster Informationstechnik geben.

Ziel

Es soll ein hochdynamischer 2-Achsen-Antrieb projektiert, konstruiert und realisiert werden. Dieser Antrieb soll in der Lage sein, eine Person in eine gewünschte x-y-Position zu bewegen. Bei einer angenommenen bewegten Masse von 400 kg beträgt die maximale Verfahrgeschwindigkeit ca. 3 m/s. Bei einer x-Länge von 6 m ist der Antrieb somit in der Lage, die Person innerhalb von 2 s über 6 m zu transportieren. Die dabei auftretende maximale Nenn-Beschleunigung beträgt 3,4 m/s². Der Verfahrweg in y-Richtung soll 2 m betragen.

Realisierung

Das Verfahren der Person in x-Richtung wird durch einen Linearantrieb realisiert. Ausgesucht wurde dafür ein Synchronmotor der Firma Siemens mit einer Nennkraft von 675 N und einer Nennverfahrgeschwindigkeit von 277 m/min. Dieser Motor liefert eine Spitzenkraft von 1650 N bei einer maximalen elektrischen Leistung von 9,16 kW.
Angetrieben wird die Lineareinheit von einem geregelten Stromrichter der Firma Siemens.
Das Verfahren in y-Richtung soll durch einen Servomotor der Firma Siemens in Verbindung mit einem Spindelantrieb realisiert werden.
Die Befehlsverarbeitung zum Verfahren in die gewünschte Richtung erfolgt sprachgesteuert durch ein Spracherkennungsmodul VD 364 der Firma sensory mit übergeordneter SPS.

Funktion (Leuchtfeld)

Um ein sinnvolles Verfahren zu gewährleisten, soll der 2-Achsen-Antrieb mit einem Reaktionsspiel kombiniert werden.
Dazu befindet sich in Blickrichtung des Probanden auf der gesamten x-Länge von 6 m ein tischähnliches Leuchtfeld, in dem nach einem programmierbaren Ablauf nacheinander an räumlich unterschiedlichen Positionen Leuchtspots angesteuert werden. Diese Spots bleiben für eine bestimmte Zeit leuchtend und müssen von dem Probanden angefahren werden – je zügiger und je exakter, desto besser. Erkennt ein an der Fahrkabine montierter optischer Sensor die Position des angefahrenen Spots, dann wird dieses von der übergeordneten Steuerung als Treffer gewertet und gespeichert.
Nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (5 min) werden die Anzahl der Treffer und der Name des Probanden angezeigt und in eine aktuelle Highscore-Liste eingeordnet. Gewonnen hat der Fahrer, der in der vorgegebenen Zeit die meisten Treffer erreicht hat.

Funktion (Wegverfolgung)

Um ein sinnvolles Verfahren zu gewährleisten, soll der 2-Achsen-Antrieb mit einem Reaktionsspiel kombiniert werden.
Dazu befindet sich in Blickrichtung des Probanden auf der gesamten x-Länge von 6 m ein programmiertes Leuchtfeld an der Wand, welches über einen pc-gesteuerten Beamer an die Wand projeziert wird. Nach einem programmierten Ablauf werden nacheinander an unterschiedlichen x-y-Positionen Leuchtspots angesteuert. Diese Spots bleiben für eine bestimmte Zeit leuchtend und müssen von dem Probanden angefahren werden – je zügiger und je exakter, desto besser. Erkennt ein zu programmierendes PC-Programm mittels x-y-Wegaufnehmer die Position des angefahrenen Spots, dann wird dieses von der übergeordneten Steuerung als Treffer gewertet und gespeichert. Auf der projezieren Wandfläche wird der Verfahrweg just-in-time dargestellt (ähnlich einer Mausspur) so das der Proband und die Zuschauer den gesamten Verfahrweg zum Anfahren einer jeweiligen Position nachvollziehen können.
Nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (5 min) werden die Anzahl der Treffer und der Name des Probanden angezeigt und in eine aktuelle Highscore-Liste eingeordnet. Gewonnen hat der Fahrer, der in der vorgegebenen Zeit die meisten Treffer erreicht hat.

Nutzungsmöglichkeiten

1. In der Phase der Entwicklung, des Aufbaus und der Inbetriebnahme
Planung, Projektierung, Konstruktion und Fertigung aller tragenden und nichttragenden, führenden und nichtführenden, aktiven und inaktiven mechanischen Komponenten wie Rahmen, Abdeckungen, Lagerungen, Führungsschienen, Führungswagen, Spindeleinheiten, Bremssysteme, Fahrkabine usw.
Ausführende: Studenten und Mitarbeiter des FB Maschinenbau, Werkstatt FB MB, FB ETI
Planung, Projektierung, Konstruktion und Fertigung aller antriebstechnischen Komponenten wie Einspeisung, Schaltanlagen, Antriebsmotoren, Stromrichter, Drehzahl- und Positionserfassungssysteme, Bremssysteme, Sicherheitssysteme usw.
Ausführende: Studenten und Mitarbeiter des FB Elektrotechnik und Informatik, Werkstatt ETI
Planung, Projektierung, Konstruktion, Fertigung und Programmierung des Leuchtfeldes, des Steuerungssystems, des Sensorsystems, der Spracherkennung und -verarbeitung usw.
Ausführende: Studenten und Mitarbeiter des FB Elektrotechnik und Informatik, Werkstatt ETI
Planung, Projektierung, Konstruktion, Fertigung und Programmierung des Highscore-Liste incl. Eingabe- und Ausgabeeinheit
Ausführende: Studenten und Mitarbeiter des FB Elektrotechnik und Informatik, Werkstatt ETI
Fertigung der Teilkomponenten und deren Inbetriebnahme, Zusammenfügen der einzelnen Module, Inbetriebnahme und Erprobung der Gesamtanlage
Ausführende: Verantwortliche Studenten und Mitarbeiter aus den Fachbereichen und insbesonde die Mitarbeiter der FB-Werkstätten
TÜV-Abnahme
Ausführende: Mitarbeiter des TÜV Nord
Multimediale Aufbereitung des fertigen Projektes zu Schulungs- und Werbezwecken innerhalb und ausserhalb der FH Stralsund; eventuelle Anbindung an das Controlnet24-Projekt
Ausführende: Studenten und Mitarbeiter des FB Elektrotechnik und Informatik
Alle diese Phasen können im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten realisiert werden.

2. In der Betriebsphase

a) praktische Übungen für Studenten des Maschinenbaus und der Elektrotechnik bezüglich der Projektierung und Konstruktion von einzelnen Komponenten bis hin zum Gesamtprojekt und Erprobung am realen Objekt
b) praktische Übungen für Studenten der Elektrotechnik/Automatisierungstechnik bezüglich der Vernetzung der Befehls- und Antriebskomponenten mit der übergeordneten Steuerung und deren Programmierung
c) praktische Übungen für Studenten der FH Stralsund bezüglich Bewegungsvorgänge innerhalb von physikalischen Lehrveranstaltungen
d) Ermitteln von Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofilen mittels geeigneter Sensoren, Bestimmen von angenehmen und unangenehmen Fahrkurven, Eleminieren von störenden Rucks, Optimieren der Anfahr- und Bremsvorgänge
e) Programmieren von Demo-Verfahrwegen, Ausnutzen der maximalen Beschleunigungen beim Verfahren (Anfahren und Bremsen) ohne Person zur Demonstration der hohen Dynamik der Anlage
f) Untersuchungen in der Netzeinspeisung bezüglich leistungselektronischer Netzrückwirkungen und Energieoptimierung
g) Anbindung des Prokektes an das WWW (Steuern und Beobachten)
h) Nutzung am Tag der offenen Tür für Besucher, Studenten und Mitarbeiter
i) Ankuppeln eines Werkzeugaufsatzen zum Fräsen grosser Teile

Modifikationen

Stand: 20.02.2004

1. Es wurde sich für das System mit Wegverfolgung entschieden.
Dabei soll eine optische Zielvorgabe windowsbasiert programmiert und mittels PC und Beamer an eine Projektionsfläche in X-Richtung des Linearantriebs projeziert werden. Der Proband („Jäger“) hat die Aufgabe das dargestellte (feste oder bewegliche) Ziel („Hase“) in möglichst kurzer Zeit durch aktives Verfahren der Fahrkabine in X- und Y-Richtung zu „schnappen“. Die aktuelle Position der Fahrkabine wird dabei ebenfalls dargestellt, so dass der Fahrer und die Zuschauer in der Lage sind, die Positionsdifferenz zwischen „Hase“ und „Jäger“ zu erkennen. Der vom „Jäger“ zurückgelegte Weg kann dabei ebenfalls dargestellt werden.

2. Die Standortfrage wurde aus finanziellen Gründen modifiziert. Da eine notwendige Umgestaltung des ursprünglichen Aufbauortes (Raum 009/Haus 4) bzw. des Alternativraumes 010/Haus 4 nicht möglich ist, wurde sich für den Raum 117/Haus 4 als endgültiger Aufbauort für den 2-Achsen-Linearantrieb entschieden. Dieser Raum bietet nach einer (mit minimalen finanziellen und personellen Aufwand) entsprechenden räumlichen Umgestaltung alle Voraussetzungen für einen ordnungsgemäßen örtlichen und elektrischen Aufbau des Linearantriebs.

3. Für die 7 m lange X-Achse wurde als Primärteil ein Asynchronlinearmotor Typ DLM 6719/b Doppelstator der Firma EAAT GmbH Chemnitz ausgewählt. Dieser Motor liefert eine Dauerschubkraft von 900 N und eine Spitzenschubkraft bei v = 0 m/s von 2700 N. Bestromt wird dieser Motor von einem Frequenzumrichter Typ UD 7045 mit RS232 der Firma Berges GmbH. Als Sekundärteil dient eine segmentierte Aluminiumschiene mit den Abmaßen 6500 x 500 x 6 mm (L x H x B). Als lineares Längenmeßsystem kommt das magnetische Meßsystem SIKO, Typ LE100 zum Einsatz. Für die 2 m lange Y-Achse soll ein Synchronlinearmotor der Firma EAAT GmbH angeschafft werden.

4. Der mechanische Unterbau, die Fahrkabine und die Auswahl des elektromechanischen Bremssystems ist beim FB Maschinenbau in Arbeit. Dazu sind bereits 2 Projektarbeiten durchgeführt und durch Prof. Volkmar Schwanitz betreut und bewertet worden. Um diese Arbeit zu forcieren und auf ein höheres Qualitätsniveau zu heben, soll dieser Bereich durch eine oder mehrere Diplomarbeiten weiter bearbeitet werden.

5. Ebenfalls im Rahmen einer Diplomarbeit (Abgabetermin: Februar/2004) wurden die ersten notwendigen grundlegenden Betrachtungen zu den vorgesehenen Verfahrprofilen und den sich daraus ergebenen Kraft- und Momentenanforderungen an die einzelnen Achsen durchgeführt. Es wurde ein Excel-Programm erstellt welches es erlaubt, auf Grund von Nutzervorgaben die für die vorgesehenen Verfahraufgaben notwendigen Motoren und Stromrichter aus einer Datenbank auszuwählen. Desweiteren wurde für eine konkrete Anlage der elektrische Stromlauf- und Anschlussplan mit allen notwendigen elektrischen Komponenten projektiert. Auf dieser ersten Diplomarbeit werden alle weiter folgenden Arbeiten aufbauen.

Konkrete Inhalte für Diplomarbeiten

•Auswahl aller tragenden und nichttragenden, führenden und nichtführenden, aktiven und inaktiven mechanischen Komponenten wie Rahmen, Abdeckungen, Lagerungen, Führungsschienen, Führungswagen, Spindeleinheiten, Bremssysteme, Fahrkabine usw. auf der Grundlage einer spezifischen Studienarbeit durch Studenten des FB Maschinenbau

•Planung, Auswahl, Projektierung und CAD-Konstruktion (EPLAN) aller energie- und antriebstechnischen Komponenten wie Einspeisung, Schaltanlagen, Antriebsmotoren, Stromrichter, Drehzahl- und Positionserfassungssysteme, Bremssysteme, Sicherheitssysteme usw.

•Planung, Projektierung, CAD-Konstruktion (EPLAN) und Programmierung (Step 7) der Antriebe, des Leuchtfeldes, des Steuerungssystems, des Sensorsystems, der Spracherkennung und -verarbeitung usw.

•Programmierung der Projektionsfläche zur Darstellung der aktuellen Verfahrposition in Realtime

•Aufbau und Einbindung von Bussystemen ProfiNet

•Programmierung von Bedien- und Beobachtungsoberflächen (WinCC) sowie von Soft-SPS

•Planung, Projektierung, CAD-Konstruktion (Ariadne) und Programmierung (Step 7) des Highscore-Liste incl. Eingabe- und Ausgabeeinheit

•Erstellen der Frontplattenlayouts und Übergabe der Daten in ein plotterfähiges Format

•Multimediale Aufbereitung des fertigen Projektes zu Schulungs- und Werbezwecken innerhalb und ausserhalb der FH Stralsund; eventuelle Anbindung an das Controlnet24-Projekt

Dipl.-Ing. Mathias Last

Im Folgenden einige Einzelheiten zum mechanischen Aufbau der
x-Achse