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Integrierter Antriebseinheit für leichte Robotertechnik

08 Jan 2016
Rob Whitlock

Der Einsatz von Robotern in der Produktion ist derzeit eine Branche mit einem Jahresumsatz von 5 Milliarden USD. Es wird damit gerechnet, dass ihr Umfang noch auf 20 Milliarden USD anwächst (Quelle: A Roadmap for U.S. Robotics, From Internet To Robotics - 2013 Edition).

Ein wesentlicher Faktor für dieses prognostizierte Wachstum werden kleine bis mittlere Betriebe in einer Vielzahl von Branchen sein, die die Automobil- und Luftfahrtindustrie als bisherige Spitzenreiter bei der Nachfrage nach Roboterlösungen ablösen werden.

Unternehmen entwickeln für kleine bis mittelgroße Betriebe innovative leichte Roboter, die sich erheblich von den großen, lauten und kostspieligen Industrierobotern herkömmlicher Art unterscheiden. Diese kostengünstigen Roboter können leicht zwischen verschiedenen Arbeitsplätzen in einer Produktionsstätte transportiert werden und enthalten Software, die ihre schnelle Anpassung an neue Prozesse und somit ihre unverzügliche Nutzung erleichtert. Darüber hinaus werden Sicherheitsprotokolle geschaffen, die die enge Interaktion zwischen Robotern und Menschen ermöglichen. Es ist offensichtlich, dass sich Investitionen in diese transformative Technologie für kleine bis mittlere Produktionsstätten in der Zukunft mehr als auszahlen können. Wenn menschliche Arbeiter bei monotonen und gefährlichen Aktivitäten ersetzt werden können, verbessert dies den gesamten Arbeitsschutz und die Produktivität. Darüber hinaus werden angesichts des weltweiten Trends zu kleineren und komplexeren Produkten zukünftige Produktionsabläufe ein Maß an Anpassungsfähigkeit und Präzision erfordern, das menschliche Fähigkeiten unter Umständen übersteigt.

Embedded-Motion- oder Direktantriebsysteme, die als integrierte, gehäuse- und bürstenlose, direkt mit der Last gekoppelte Gleichstrom-Torquemotoren bezeichnet werden, bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber klassischen Servomotoren, die mit mechanischen Übertragungseinrichtungen wie Getrieben, Zahnriemen oder Kugelgewindetrieben gekoppelt sind. Zu den Vorteilen, die diese für die Robotertechnik (und viele andere Branchen) bringen, gehören Gewichtsersparnis, geringerer Platzbedarf, eine stabilere Konstruktion, höhere Zuverlässigkeit und geringere Gesamtkosten.

Torquemotoren sind durch ein hohes Außendurchmesser-Länge-Verhältnis und eine relativ große Anzahl von Polpaaren gekennzeichnet. Das Drehmoment des Motors ist direkt proportional zu seiner Länge, aber auch proportional zum Quadrat seines Durchmessers.

(Drehmoment ∝ D2L)

Eine Verdoppelung der Motorlänge verdoppelt daher das Drehmoment des Motors, wogegen eine Verdoppelung des Durchmessers das Drehmoment um den Faktor 4 erhöht. Es lohnt sich also, in Torquemotoren mit höchstmöglichem Außendurchmesser zu investieren.

Formfaktor von Torquemotoren Formfaktor von Servomotoren

Der Torquemotor bietet ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl und eine höhere Anzahl von Polpaaren verringert das Cogging, das den Gleichlauf und die Wiederholbarkeit beeinträchtigen kann.

Da keine Kupplungen und mechanischen Getriebe mehr benötigt werden, sind das Gewicht und damit die gesamte Systemträgheit stark reduziert. Die Form der Roboter wird hierdurch ebenfalls minimiert, da der Motor in der Gelenkstruktur des Roboters direkt oder in einigen Fällen über ein Harmonic Drive Getriebe an die Last gekoppelt ist. Die relativ große durchgehende Bohrung in der hohlen Rotorwelle ermöglicht eine weitere Platzeinsparung, wenn Elektroleitungen durch den Motor hindurch verlegt werden.

Weil jedes mechanische Gerät anfällig für Verschleiß und begrenzte Lebenserwartung ist, lassen sich logischerweise durch den Einsatz von Direktantrieben mit Embedded Motion Option die Gesamtkosten und die Zuverlässigkeit sowie die Lebensdauer des Roboters verbessern, da hierdurch Systemkomponenten wegfallen, die im Laufe der Zeit ersetzt oder gewartet werden müssten.

Die Familie der gehäuselosen KBM-ServomotorenFreilich erfordert die Implementierung von Direktantriebslösungen bei Roboteranwendungen ein tiefgreifendes Verständnis der entsprechenden Maschinenkonstruktions- und -montagerichtlinien. Die Komplexität und die Toleranzanforderungen übersteigen jedoch nicht diejenigen von Systemen mit konventioneller Antriebstechnik. (Sehen Sie sich diesen Artikel über die Montage gehäuseloser Motoren an.) Die durch höhere Genauigkeit, verbesserte Leistung, kompaktere Bauweise, höhere Zuverlässigkeit und geringere Gesamtkosten erzielten Vorteile machen insgesamt ein überzeugendes Argument aus.

Über den Autor

Rob Whitlock

Rob Whitlock - Author
Rob ist seit 10 Jahren bei Kollmorgen und hat in verschiedenen Funktionen in den Bereichen Anwendungsentwicklung, Vertrieb und Product Line Manager gearbeitet. Zu seinen Hobbys gehören Lesen, Drechseln, seine Kinder beim Sport zu coachen und viel Zeit in der Natur zu verbringen. Rob ist unter folgender Adresse zu erreichen: rob.whitlock@kollmorgen.com

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