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Motoren für die Robotik: Müssen Sie wirklich Kompromisse eingehen?

01 Apr 2022
Kollmorgen Experten

Trade-off 1: Drehmomentdichte vs. Größe

Bei der Berechnung der Drehmomentanforderungen für Robotergelenke stoßen Sie möglicherweise auf den ersten Zielkonflikt: Wie können Sie das Drehmoment eines Robotermotors erhöhen, ohne ihn größer konstruieren zu müssen?

Bei den gehäuselosen Motoren, die in Robotergelenken verwendet werden, steigt das Drehmoment direkt proportional zur Zunahme der Motorlänge beziehungsweise zum Quadrat des Durchmessers. Mit anderen Worten: Eine Verdopplung des Durchmessers führt zu einer Vervierfachung des Drehmoments, was als D²L-Regel bekannt ist. Um das Drehmoment zu erreichen, das zum Bewegen und Halten großer Lasten erforderlich ist, wird in der Regel ein Robotermotor mit größerem Durchmesser verwendet und nicht ein längerer, der das Gelenk zu groß machen würde und die Integration in Ihr Gesamtdesign erschweren würde.

Aber bei einem Motor mit größerem Durchmesser stoßen Sie auch auf Einschränkungen. Er benötigt Geschwindigkeits- und Drehmomentwerte, die sich gut mit Hohlwellengetrieben (wie beispielsweise Dehnungswellen-Getrieben) kombinieren lassen. Dadurch bleiben die Robotergelenke kompakt und weisen kein Getriebespiel auf. Leider sind solche Getriebe nur in wenigen Standardausführungen verfügbar. Funktioniert ein Standardmotor in einem Robotergelenk, das hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistung optimiert wurde? Oder wird ein längerer, teurerer Entwicklungszyklus erforderlich sein, der nur zu Leistungseinbußen führt?

Trade-off 2: Geschwindigkeit vs. Drehmoment

Neben der kompakten, spielfreien Leistung bieten Wellgetriebesysteme von Natur aus relativ hohe Übersetzungsverhältnisse, die typischerweise von einer Getriebeuntersetzung von etwa 30:1 bis 320:1 reichen. Die hohe Übersetzung eines Wellgetriebes hat den Vorteil, dass hohe Trägheitslasten sanft beschleunigt/abgebremst und präzise positioniert werden können – allerdings unter Einbuße von Dynamik.

Schnelligkeit bei der Durchführung industrieller Prozesse ist ein offensichtlicher Vorteil, daher bemühen sich Roboteringenieure, Lasten sowohl präzise als auch schnell zu bewegen. Bei einem Robotergelenk mit Wellgetriebe bedeutet dies, dass ein Motor verwendet werden muss, der eine sehr hohe Eingangsgeschwindigkeit liefern kann – in der Größenordnung von 4.000 U/min oder mehr. Das Problem dabei ist, dass hochpolige Motoren schnell an Drehmoment verlieren, wenn sie sich dem oberen Ende ihres Nenndrehzahlbereichs nähern.

Wenn es wichtig ist, ein angemessenes Drehmoment über den gesamten für die Anwendung erforderlichen Drehzahlbereich aufrechtzuerhalten, wird der Kompromiss wieder Leistung gegen Größe. Wählen Sie einen Motor, der für die Last überdimensioniert ist, wenn er im unteren bis mittleren Drehzahlbereich betrieben wird, um das benötigte Drehmoment am oberen Ende des Bereichs zu erhalten? Wenn ja, sind Sie bereit, Ihre Gelenke größer zu gestalten, als es eigentlich ideal wäre? Benötigen Sie speziell angefertigte Motoren oder Getriebe? Wie viele Design-Iterationen sind erforderlich, um eine robuste Geschwindigkeit in Kombination mit einer konstanten Drehmomentleistung zu erreichen?  

Trade-off 3: Temperatur vs. Leistung

Wie wir gesehen haben, benötigen Motoren für die Robotik ein ausreichendes Drehmoment und eine ausreichende Geschwindigkeit. Kombiniert kann man diese Faktoren als Definition der Gesamtbewegungsleistung des Motors betrachten. Und diese Leistung hängt von der elektromagnetischen Effizienz des Motors ab. Alle Motoren verschwenden einen Teil der elektromagnetischen Energie in Form von Wärme, die von den Wicklungen abgeleitet wird. Bei einem bestimmten Strom liefert ein effizienterer Motor eine höhere Leistung und läuft kühler, während ein weniger effizienter Motor eine geringere Leistung liefert und heißer läuft.

Ein hohes Drehmoment und eine hohe Geschwindigkeit erfordern eine höhere Stromaufnahme des Motors, was zu höheren Temperaturen führt. Wenn ein Motor jedoch innerhalb der engen Grenzen eines Robotergelenks installiert wird, gibt es zusätzliche Überlegungen. Die meisten Motoren für die Robotik sind für eine maximale Wicklungstemperatur von 125 ºC bis 155 ºC (Umgebungstemperatur + Temperaturanstieg) ausgelegt. In einer kollaborativen Roboteranwendung könnten so hohe Temperaturen ein Sicherheitsrisiko für Menschen darstellen. Diese Motoren werden daher normalerweise entsprechend gedrosselt.

Aber abgesehen von der Sicherheit gibt es noch ein weiteres Problem, das nicht so bekannt ist. Wicklungstemperaturen weit unter 125 ºC sind immer noch hoch genug, um eine Gefahr für Getriebe und andere Komponenten darzustellen. Wenn die Wicklungstemperatur über 85 ºC ansteigt, können sich die Schmiermittel zersetzen, was zu einem vorzeitigen Verschleiß der Verzahnung und einer möglichen Nichteinhaltung der Positionstoleranz führt. Elektronische Komponenten, wie zum Beispiel Encoder und andere Rückführsysteme, können unzuverlässig werden und vorzeitig ausbrennen. Jede Komponente ist voneinander abhängig und wenn eine aufgrund von Überhitzung ausfällt, wird der Roboter unbrauchbar.

Die Frage ist also, ob Sie den Motor drosseln und den gesamten Betrieb Ihres Kunden verlangsamen? Oder erwarten Sie von Ihrem Kunden, dass er ständig die Kosten und Ausfallzeiten für den Austausch defekter Robotergelenke in Kauf nimmt?

In vielerlei Hinsicht ist dies der entscheidende Trade-off. Es ist möglich, schädliche Temperaturen zu vermeiden, indem Sie die Motorleistung überspezifizieren oder sie drosseln. Aber müssen Größe, Drehmoment oder Geschwindigkeit wirklich darunter leiden? Gibt es keine bessere Lösung?

Sagen Sie Nein zu Trade-offs

Wir haben den aktuellen Stand des Marktes für Robotermotoren beschrieben. Aber jetzt ist die Zukunft da.

Nach jahrelanger Forschung und Entwicklung hat Kollmorgen eine neue Generation von rahmenlosen Motoren speziell für den Robotikmarkt entwickelt, die jeden Trade-off ausschließt. Wir sind stolz darauf, die TBM™2G-Serie vorstellen zu können.

  • 2G-Motoren der TBM-Serie sind in Standardgrößen erhältlich, die für die Kombination mit handelsüblichen Wellgetrieben optimiert sind. Dadurch wird die Gesamtgröße der Gelenke minimiert und kostspielige Anpassungen werden vermieden.
  • Mit dem kürzesten und leichtesten elektromagnetischen Design sind die 2G-Motoren der TBM-Serie für die Geschwindigkeits- und Drehmomentanforderungen von kollaborativen Robotern in der Kategorie von drei bis 15 Kilogramm und mehr optimiert.
  • Die 2G-Motoren der TBM-Serie zeichnen sich durch eine außergewöhnlich kurze axiale Länge, einen kleinen Außendurchmesser und eine große Durchgangsbohrung aus und vereinfachen so die Konstruktion hochentwickelter Roboter der nächsten Generation.
  • Hochentwickelte Materialien und ein innovativer Wicklungsprozess sorgen für gleichbleibende Leistung in einem breiten Spektrum von Geschwindigkeits- und Belastungsanforderungen.
  • Optionale integrierte Hallsensoren liefern Kommutierungsrückmeldungen, ohne die Gesamtlänge des Motors zu erhöhen.
  • Mehrere standardmäßige Thermosensoroptionen arbeiten mit den beliebtesten Antrieben auf dem Robotermarkt zusammen.
  • Die 2G-Motoren der TBM-Serie sind so konzipiert, dass sie eine herausragende Leistung erbringen, ohne dabei eine Wicklungstemperatur von 85 ºC zu überschreiten, und sorgen so für eine maximale Lebensdauer von Schmiermitteln, Elektronik und anderen Komponenten des Robotergelenks.

So haben wir einen weiteren Trade-off beseitigt

Theoretisch hätten Sie unsere drei Trade-offs auch mit einem großen Kompromiss lösen können: in die Entwicklung, das Prototyping und die Produktion eines maßgeschneiderten Motors oder Getriebesystems zu investieren. Aber mit der TBM2G-Serie müssen Sie das nicht tun.

Kollmorgen verfügt über hochautomatisierte Fertigungsprozesse, um diese Motoren der nächsten Generation in höchster Qualität und in jedem gewünschten Umfang zu produzieren. So können Sie mit Zuversicht auf den Markt gehen. Wie wir zu sagen pflegen, sind die 2G-Motoren der TBM-Serie vollständig „robotertauglich“.

Möchten Sie mehr erfahren? Wir erzählen Ihnen gerne mehr. Sprechen Sie mit einem Kollmorgen-Ingenieur, um alles über die TBM2G-Serie zu erfahren, die für leistungsfähigere Roboter entwickelt wurde, die Sie dabei unterstützen, ein effizientes Geschäft aufzubauen.

Über den Autor

Kollmorgen Experts

Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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