INMOCO

Gerard Bush von INMOCO erörtert die Prinzipien der Motorauswahl für Präzisionsbewegungsanwendungen.

Um eine präzise Bewegungssteuerung von OEM-Anwendungen zu gewährleisten, die von Robotergelenken bis hin zu Zentrifugen reichen, ist die Auswahl des Motors von entscheidender Bedeutung. Bei einer typischen Auswahl einschließlich Servo- oder Schrittmotoren können bestimmte bürstenlose DC-Designs auch die Designintegration optimieren. Die Auswahl der Technologie hängt vom Verständnis der Parameter ab, die von der Geschwindigkeit der kinematischen Reaktion bis zur Trägheit reichen, sowie von der Integration des mechanischen Designs.

Bei der Auswahl eines Motors für eine Maschinenkonstruktion, auch wenn eine präzise Steuerung erforderlich ist, basieren die ersten Überlegungen auf den Drehzahl- und Drehmomenteigenschaften. Für Anwendungen wie die Gelenksteuerung von Robotern ist auch die kinematische Genauigkeit in Bezug auf Position und Steuergeschwindigkeit von grundlegender Bedeutung. Sofern die Drehzahl- und Drehmomentanforderungen berechnet wurden, können diese Kriterien zusammen mit der Trägheitsbeschleunigung anhand der Spezifikationen der Motorenhersteller ausgewählt werden.

Allerdings können in vielen Fällen die genauen Systemleistungs- und Genauigkeitsanforderungen erst berechnet werden, nachdem ein Prototyp einer mechanischen Baugruppe getestet wurde. In der Zwischenzeit kann sich die anfängliche Motorauswahl auf das Stammwissen über Motoren stützen, die in älteren Maschinen mit gleichwertiger Funktionalität verwendet werden, oder Motoren können während der Prototypenerstellung überdimensioniert und später verkleinert werden, wenn die genauen Anforderungen bekannt sind.

Geschwindigkeitskontrolle

Aufgrund seiner starken Kostenposition ist der Schrittmotor oft die erste Überlegung bei der Spezifikation eines Motors für die Präzisionssteuerung. Allerdings hängt seine Eignung von den Geschwindigkeitsanforderungen ab, da die maximale Geschwindigkeit eines Schrittmotors aufgrund seiner höheren Polzahl begrenzt ist. Dies kann jedoch im Vergleich zu Servos von Vorteil sein, wenn eine hohe Drehmomentdichte erforderlich ist. Während ein Schrittmotor für viele Anwendungen eine ausreichende Positionierung bieten kann, hängt die Genauigkeit von der Systembelastung im Verhältnis zum Drehmomentnennwert des Schrittmotors ab. Bei 10 % Belastung beträgt der Positionsfehler etwa ¼ eines ganzen Schritts oder 0,5°.

Alternativ bietet ein Servomotor eine viel schnellere Höchstgeschwindigkeit. Hochgeschwindigkeitsanwendungen, einschließlich solcher über 5.000 U/min, drehen sich typischerweise mit ausgeglichener Trägheit ohne externe Belastung, wie z. B. eine Zentrifuge. Wenn das System beschleunigt, sind radiale Lagerkräfte die dominierende Lagerlast, und ihre Wirkung ist proportional zur Exzentrizität des Systems. Die Erstellung eines Modells der radialen Lagerkräfte zur Bestimmung des Umfangs der Drehmomentanforderungen ist typischerweise ein Merkmal von Prototypentests.

Wenn ein Servomotor hingegen mit einer unausgeglichenen Trägheit beschleunigt und abbremst, beispielsweise bei der Steuerung eines Gelenks in einem Gelenkroboterarm, dominieren die Trägheitseigenschaften den Drehmomentbedarf des Motors. Der Drehmomentbedarf für die Prototypenerstellung kann anhand eines Modells mit Trägheits- und kinematischen Eigenschaften des Roboter-/Lastsystems geschätzt werden.

Positionskontrolle

Hinsichtlich der Regelgenauigkeit ist der Servomotor mit Positionsrückmeldung die optimale Wahl. In den meisten Fällen kann sich ein Servo innerhalb von +/- 10 Encoder-Zählungen einpendeln, dies erfordert jedoch auch einen Encoder mit ausreichender Positionsauflösung. Auch die Reaktion des Servomotors ist entscheidend; Theoretisch sollte die kinematische Reaktion des Motors linear zum Drehmoment verlaufen, aber die Haftreibung macht eine lineare Reaktion beim Starten und Stoppen einer Bewegung unmöglich. Daher benötigen hochpräzise Systeme zusätzliche, spezielle Mechaniken, die diesen Effekt begrenzen sollen.

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) können in Kombination mit einem Feedback-Gerät auch zur Positionsregelung verwendet werden. Ein zusätzlicher Encoder erhöht den Platzbedarf und die Kosten, aber ein BLDC-Motor ist effizienter als ein Servo und bietet eine höhere Drehmomentdichte. Sie können auch einen einfacheren und flexibleren Integrationsansatz ermöglichen, der das Maschinendesign unterstützen kann. Rahmenlose BLDC-Motoren können eine Hohlwelle haben, sodass Komponenten durch ihre Mitte platziert werden können, und ihr Design spart außerdem Platzbedarf und Gewicht. Bei diesen Motoren handelt es sich häufig um Direktantriebsmotoren, die ohne Getriebe an die Last angeschlossen werden, was einen hochdynamischen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.

Trägheitsanpassung

Welche Motortechnologie auch immer gewählt wird, die Abstimmung der Trägheit des Motors und seiner Last ist entscheidend, um die Reaktionszeit zu optimieren und betriebliche Herausforderungen wie Vibrationen zu verhindern. Es ist möglich, ein großes Trägheitsverhältnis mit den Vorteilen eines kleineren Motors zu betreiben und dennoch die Drehmoment-/Drehzahlanforderungen zu erfüllen. Dies erhöht jedoch die Anforderungen an die Leistungsaufnahme und eine sorgfältige Auswahl ist unerlässlich, um mechanische Instabilität zu vermeiden, die bei höheren Frequenzen zu Motorschwingungen führen kann.

Letztendlich erfordert die Optimierung der Motorspezifikation ein gründliches Verständnis der Anwendungsattribute. Die Ingenieure von INMOCO können OEMs dabei helfen, die am besten geeignete Lösung für ihre Anforderungen zu spezifizieren. Die Anwendungsspezialisten von INMOCO bieten nicht nur eine Reihe von Motortypen an, sondern arbeiten auch mit Ingenieuren von Performance Motion Devices zusammen. PMD

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