Montag, Dezember 18, 2017
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Fachpressetage2016 1Fachartikel

Die Entwicklung der integrierten Schrittmotorantriebe bis zur Industrie 4.0-Fähigkeit

Seit der Jahrhundertwende ist das eingetragene Warenzeichen „MDrive“ der Begriff für Integration von Steuerungen in Schrittmotoren. Als die Zeit reif war für die Integrationsidee, gab es zwar schon Parallelentwicklungen am Markt, doch IMS (Intelligent Motion Systems) Inc. hat mit MDrive als erstes Unternehmen Schrittmotoren mit direkt angebauter Steuerung und Controller in Serie angeboten. Heute blickt der Vertriebspartner KOCO MOTION zurück und präsentiert den aktuellen Entwicklungsstand der kleinen, netzwerkfähigen Schrittmotoren.


Obwohl heute schon die dritte Generation der integrierten Schrittmotorantriebe MDrive auf dem Markt ist, sind die meisten Varianten der ersten Generation immer noch Stand der Technik. In den vergangenen Jahren haben die Entwickler nicht nur ihre Variantenvielfalt für ein breiteres Anwendungsspektrum weiterentwickelt, sondern sie machten diese insbesondere fit für den Umbruch in der industriellen Produktion. Angefangen von der ursprünglich einfachen Takt-/Richtungs-Ansteuerung bis hin zum Hightech Motion Control System mit hochauflösendem Mikroschritt, Feldbussen und I/Os sind die MDrives heute Industrie 4.0 fähig und damit für die Zukunft bestens gerüstet. Doch zurück auf Anfang:

Wie alles begann


Es war einmal eine Garage in Connecticut, genauer gesagt die Garage des David Coutu, der als Ingenieur bei General Electric tätig war. Aufgabe war es, eine Steuerung für die GE-Roboterantriebe zu entwickeln. Als Ergebnis präsentierte der Entwickler ein miniaturisiertes Steuerungsmodul, das es so kompakt bisher am Markt nicht gab. Weil die Entwicklung so vielversprechend war, entschied sich der Ingenieur im Jahr 1986, diese Schrittmotorsteuerung selber zu vermarkten und gründete die IMS (Intelligent Motion Systems) Inc. Drei Jahre später war die Garage für die inzwischen sechs Mitarbeiter zu klein und das junge Unternehmen bezog neue Räume. Ebenfalls im Jahr 1989 lernte David Coutu seinen künftigen Partner Gerhard Kocherscheidt, heute Geschäftsführer der KOCO MOTION GmbH, kennen. Dieser hatte über einen amerikanischen Kollegen Steuerungsmodule von IMS gekauft. Das war der Beginn einer geschäftlichen Kooperation auf freundschaftlicher Basis, bevor David Coutu und Gerhard Kocherscheidt im Jahr 2001 mit der IMS Europe GmbH eine europäische Vertriebszentrale in Villingen-Schwenningen für die IMS-Produktegründeten.

MDrive: die erste Generation


Unter den zu vertreibenden Produkten befand sich auch die erste Generation der integrierten Schrittmotorantriebe „MDrive“ mit eigens entwickelten, anwendungsspezifisch integrierten Schaltungen, sogenannten ASICs (application-specific integrated circuit). Die MDrives, die im Partymode auf bis 64 Stück miteinander synchronisiert werden können, gestatteten den Bau sehr kompakter Maschinen und Apparate. Sie wurden seit ihrer Einführung zigtausend Mal in Deutschland eingesetzt.

In das frisch gebackene MDrive-Paket bekommt der Anwender bis heute so einiges hineingepackt: Neben einem starken Hybrid-Schrittmotor enthält der Antrieb einen leistungsstarken, voll programmierbaren Controller mit onboard Ein-/Ausgängen, eine leistungsstarke Mikroschritt-Ansteuerung mit bis zu 256 Mikroschritten/Vollschritt sowie einen integrierten Encoder für „Closed Loop“-Betrieb. Das Hardware-basierte System „hMTechnology“ (hMT) realisiert die „Closed-Loop“-Funktion. DieseservoähnlicheRegelungverhindert dasAußer-Tritt-FallendesSchrittmotorsdurchHerunterregelnder Drehzahl und beugtsodemunerwartetenBlockierenbei Überlastvor.DieKombinationausLeistungsfähigkeit undRobustheit gestattet eine großeAnzahlvon dezentralenAutomatisierungseinsätzen. Durch die Integration entfallen nicht nur die Probleme bei der Verkabelung von Motor und Steuerung, sondern auch die dazu erforderliche Hardware und der Montageaufwand. Reduzierte oder gänzlich eliminierte EMV-Probleme hinsichtlich Störempfindlichkeit und Störabstrahlung resultieren ebenfalls aus der Integration. Als Schnittstellen für gängige Industrie-Protokolle gab es damals die RS232 und RS485.

MDrive: die zweite Generation


Im Jahr 2006 kam die zweite Generation der integrierten Schrittmotorantriebe MDrive auf den Markt. Sie wurde mit einem neuen ASIC ausgestattet: Es enthielt sowohl die Grundbausteine der Mikroschrittansteuerung als auch den Motion-Controller und einen voll programmierbaren RISC- (Reduced Instruction Set Computer) Prozessor-Kern.

Durch den Abschluss dieser langjährigen strategischen ASIC-Entwicklung wurden die Ansteuerungen der integrierten MDrive-Antriebe verbessert und vereinfacht. Dies erlaubte eine sehr kleine Bauweise für das Gesamtsystem, eine große Variantenvielfalt mit einer überschaubaren Anzahl von Komponenten sowie eine einfache Fertigung und Montage für kurze Lieferzeiten. Die Baureihen wurden durch Varianten mit eingebauten Netzteilen zum direkten Betrieb vom 120 V/240 V AC-Netz ergänzt und standen damit für die Verpackungsindustrie und den Maschinenbau zur Verfügung.

Die Entwicklung der MDrives wurde permanent weiter betrieben: Funktionen wurden erweitert, Schnittstellen sowie analoge und digitale Ein- und Ausgänge integriert. Die Schrittmotorensysteme mit rotierenden Wellen wurden schon bald ergänzt durch integrierte Linearachsen.

Im Jahr 2008 hat die Schneider Gruppe die amerikanische IMS Inc. gekauft und firmiert seitdem unter Schneider Electric Motion USA. Die IMS Europe GmbH wurde umbenannt in KOCO MOTION GmbH. Alle Distributoren blieben als Verkaufs- und Beratungsdienstleister für die IMS Produkte erhalten.

MDrive heute: die dritte Generation


In den folgenden Jahren verlangten immer mehr Anwender netzwerkfähige Motoren, um die Produktion weiter zu automatisieren und der fortschreitenden Industrie 4.0 Umsetzung gerecht zu werden. So kam im Jahr 2013 die 3. Generation auf den Markt – erstmals unter dem Schneider Label „Lexium MDrive“ (LMD). Heute lassen die MDrive- und die Lexium MDrive-Antriebe kaum noch Wünsche offen, denn sie bieten tausende von Variationsmöglichkeiten:

Die integrierten Antriebe gibt es in sehr kompakter Form in den Flanschmaßen NEMA 14 bis NEMA 34. Die Ausführungen in NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 34 sind mit den besonders robusten M12-Schraubanschlüssen versehen. Damit werden sie der Schutzart IP65 gerecht. Auf diese Ausführungen haben die Maschinenbauer lange gewartet, denn für raue Umgebungsbedingungen gab es bislang keine Alternative.

Für die netzwerkfähigen Schrittmotorantriebe stehen heute Schnittstellen und Feldbussysteme zur Verfügung wie Takt/Richtung, RS-422/485 (ASCII-Befehlssatz MCode), CANopen (ASCII-Befehlssatz MCode) sowie Ethernet-basierende Protokolle: ASCII-Befehlssatz (MCode), MODBUS/TCP, Ethernet/IP und Profinet IO. Die seriellen Schnittstellen und die Ein-/Ausgänge wurden galvanisch getrennt, wodurch diese elektrisch sehr robust sind. Bis zu 8 Ein-/Ausgänge stehen zur Steuerung weiterer Funktionen zur Verfügung. Alle notwendigen Steuerungsarten sind realisierbar:  Geschwindigkeits-Mode, Positionier-Mode, Torque-Mode.

Die für CE, RoHS, REACH, ISO 9001 und ISO 14001 zertifizierten Antriebe bieten Drehmomente bis 7 Nm an der Motorwelle und sie sind optional auch mit Getriebe erhältlich. Schrittmotoren mit High-Torque-Option bieten bis zu 50 % mehr Drehmoment in der Baugröße NEMA 23. Dabei benötigen die High-Torque-Motoren den gleichen Bauraum wie Motoren ohne diese Option. Solche Torquemotoren finden beispielsweise Einsatz beim 3D Printer, wo sie präzise die drei Achsen bewegen. Oder es lassen sich genaue Zustellbewegungen in der Formatverstellung beispielsweise in Druckmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen sowie „pick and place“ Applikationen umsetzen.

Mit der benutzerfreundlichen „Lexium-Software-Suite“ lassen sich die Lexium MDrive Antriebe für alle elektrischen Schnittstellen einfach parametrieren oder programmieren. Selbstverständlich gibt es die Steuerungen und Controller auch separat in verschiedenen Bauformen für Anwender, die keinen Platz hinter dem Schrittmotor zur Verfügung haben. 

In der jüngsten Weiterentwicklung „Lexium Motion Modul“ findet der Anwender einen leistungsstarken, programmierbaren Controller mit H-Brückentreiber. Dieses ultra-kompakte Modul bietet die Flexibilität eines Chipsets mit der Leistung und den Spezifikationen der Lexium MDrives inklusive einer MCode Programmiersprache: Das umfasst ultra-kompaktes Design, bis zu 48 VDC, 1,5 A Dauerstrom  (2,1 A Spitze), I/O Anschlüsse 4 Eingänge, 3 Ausgänge + Encoder Eingang, voll programmierbare Bewegungsabläufe, einen Standard PCI Express Card Anschluss sowie ein  Entwicklungsbord für 1 bis 4 Achsen mit Starter Kit.

Mit all diesen Ausstattungsmerkmalen eignen sich die integrierten Schrittmotorantriebe mit separaten Steuerungen und Controllern u. a. für hunderte von verschiedenen Anwendungsfällen in den Branchen Medizintechnik, Verpackungstechnik, Geräte- und Apparatebau, Automatisierung, Maschinenbau – schnelle und kompetente Beratung inbegriffen. Für alle Ausführungen des Lexium MDrive gibt es 4 Jahre Gewährleistung.

Bilder:

Bild oben: MDrive Varianten: rotativ und linear

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Die Lexium MDrive Schrittmotorantriebe sind für die Industrie 4.0-Zukunft bestens gerüstet.

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Separate Schrittmotorsteuerungen in MDrive-Technologie

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Lexium Motion Modul     

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Entwicklungsboard 4-Achsen


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78083 Dauchingen                                                                     

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