Direktantrieb für dynamische und präzise Betätigung

Vorteile:

• Keine Gegenreaktion
• Keine Reibung
• Niedrige Trägheit
• Geringes bis kein Rast
• Keine Compliance-Probleme
• Hohe Rückwärtsfahrbarkeit
• Hohe mechanische Auflösung
• Hohe Zuverlässigkeit
• Geringer bis gar kein Wartungsaufwand
• Für die Betätigung ist keine Schmierung erforderlich
• Linearität im Zeitverlauf

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Direktantriebsmotoren sind ideal für Anwendungen, die eine gute Steuerung und Dynamik erfordern. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Gehäuseversion, und Abbildung 2 zeigt Beispiele für rahmenlose Direktantriebsmotoren. Sie haben kein Gegenspiel, keine mechanische Reibung, praktisch keine Nachgiebigkeit (sehr steif) und ein geringes Trägheitsmoment. All diese Eigenschaften verbessern die Fähigkeit, die Position des Motors schnell und sicher zu kontrollieren.

Das Gegenspiel in Getriebeaktuatoren beeinträchtigt effektiv die Fähigkeit, den Motor mit hoher Genauigkeit zu positionieren, und selbst mit einem Ausgangs-Encoder ist die Positioniergenauigkeit begrenzt und die dynamische Leistung wird schlechter sein. Nur echte Aktuatoren mit Direktantrieb haben kein Spiel. Bei Getrieben mit „spielfreiem Spiel“ tritt immer noch ein Spiel in Form von Hysterese auf.

Mechanische Reibung und insbesondere Reibung führen zu Nichtlinearitäten in das System, was die Abstimmung der Steuerung erschwert und die dynamische Leistung verringert. Mechanische Reibung ist besonders schädlich für Stabilisierungsanwendungen, bei denen die Trägheit des Systems zum Herausfiltern hochfrequenter Störungen genutzt wird, z. B. in der luftgestützten Optronik.

Die Einhaltung der Vorschriften in einem Betätigungssystem, das eine gute Positionssteuerung erfordert, stellt eine Herausforderung dar. Die Nachgiebigkeit wirkt wie ein elastisches oder, noch schlimmer, ein plastisches Bauteil, das Lasten überträgt. Dadurch entsteht ein relativer Winkel zwischen dem Motor und der Nutzlast, der vom Ausgangsdrehmoment abhängig ist, und das System ist nicht deterministisch, da eine perfekte Modellierung nicht möglich ist. Infolgedessen wird die Fähigkeit beeinträchtigt, die Positionssteuerung optimal einzustellen.

Die Minimierung der Trägheit des Systems ist aufgrund der linearen Beziehung zwischen Drehmoment und Drehbeschleunigung von größter Bedeutung. Eine Verringerung der Trägheit wirkt sich direkt linear auf das erforderliche Drehmoment aus und damit auf die Größe und das Gewicht des Motors sowie auf den Stromverbrauch für die Ansteuerung.

Direktantriebsanwendungen

Direktantriebe eignen sich optimal für Anwendungen, bei denen eine feine und schnelle Positions- und Drehmomentsteuerung von größter Bedeutung ist. Typische Beispiele hierfür sind Kardanräder, Kraft-Feedback-Systeme und Messgeräte.

Gimbals und optronische Systeme

Kardanräder erfordern eine präzise, wiederholbare und schnelle Positionierung unter unterschiedlichen dynamischen Belastungen.

In der Regel enthalten diese Systeme eine Kamera, einen Laser oder ein anderes optronisches Element, das Objekte lokalisieren und Informationen mit hoher Präzision über große Entfernungen sammeln muss. Selbst ein kleines Spiel in einem Getriebesystem oder das Rastmoment von Schlitzmotoren wirken sich erheblich auf die Präzision aus.

Diese Systeme werden häufig auch an Luftfahrzeugen und anderen beweglichen Fahrzeugen montiert, was die Notwendigkeit einer schnellen und hochdynamischen Positionierung und Stabilisierung gegen unvorhersehbare äußere Kräfte erhöht.

Force-Feedback-Systeme

Force-Feedback-Systeme erfordern realistische Reaktionen, die sowohl schnell als auch präzise sein müssen. Anwendungen in diesem Bereich könnten beispielsweise verschiedene Arten von Simulatoren, robotergestützte Operationssysteme, Virtual-Reality-Anwendungen oder verschiedene Arten von Teleoperationsrobotern sein. Im Allgemeinen müssen all diese Anwendungen dem Bediener ein Tastgefühl vermitteln oder ein reales Szenario nachahmen. Um dieses Verhalten zu verbessern, muss die erzeugte Kraft oder Bewegung sofort und mit der richtigen Präzision erfolgen. Daher werden Direktantriebslösungen bevorzugt, da sie potenzielle Problemphänomene wie Spiel, Reibung, erhöhte Trägheit und Zahnrasten des Getriebes vermeiden.

Maschinen für die Messtechnik

Messgeräte erfordern hochpräzise, wiederholbare und glatte Bewegungsprofile. Je genauer und stabiler sie sind, desto besser. In typischen Anwendungen wie Koordinatenmessgeräten, Drehtischen und Laserscannern werden in der Regel Direktantriebe verwendet, um das durch Getriebe verursachte Spiel- und andere Probleme zu vermeiden. Außerdem bietet ein Direktantrieb eine bessere Leistung, da die Anzahl der rotierenden Komponenten minimiert wird und die Länge des Systems, das der Motor zum Drehen benötigt, reduziert wird.

Zahnradbetätigung für Drehmoment und Kompaktheit

Aufgrund der Vorteile von Direktantrieben könnte man davon ausgehen, dass sie für alle Anwendungen eingesetzt werden können. Dennoch weist die Direktantrieb einige Einschränkungen auf, weshalb sie für einige andere Anwendungsfälle ungeeignet sind, vor allem, wenn das in einem kompakten Raum erforderliche Drehmoment sehr hoch ist. Bei vielen Anwendungen sind Drehmomente erforderlich, die weit über die Möglichkeiten von Direktantrieben hinausgehen oder wenn das Budget begrenzt ist. Wenn die Drehmomentabgabe von größter Bedeutung ist, sind Getriebelösungen die beste Wahl. Im Allgemeinen stehen zwei Hauptoptionen zur Auswahl: Aktuatoren mit niedrigem Übersetzungsverhältnis und Aktuatoren mit hohem Übersetzungsverhältnis. Welches die richtige ist, hängt von mehreren anderen Faktoren ab. Im folgenden Abschnitt werden einige davon behandelt.

Aktuatoren mit niedrigem Übersetzungsverhältnis, QDD-Aktuatoren

Vorteile:

• Rückfahrbarkeit
• Niedrige Reibung
• Hohe Drehmomentabgabe
• Höhere Geschwindigkeiten
• Dynamische Reaktion
• Höhere Effizienz

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Aktuatoren, die mit Getrieben mit niedriger Reibung und hoher Rückwärtsfahrt mit Übersetzungsverhältnissen von bis zu 20:1 ausgestattet sind, werden manchmal als Quasi-Direktantrieb (QDD) -Aktuatoren bezeichnet. Sie werden QDD genannt, weil sie die Eigenschaften von Direktantriebsmotoren bis zu einem gewissen Grad nachahmen. QDD-Aktuatoren ähneln echten Direktantrieben in dem Sinne, dass sie im Vergleich zu Aktuatoren, die mit Getrieben mit hohen Übersetzungsverhältnissen ausgestattet sind, eine relativ geringe Reibung, ein hohes Rückwärtsfahren und ein geringes Trägheitsmoment aufweisen.

Das niedrige Übersetzungsverhältnis ermöglicht es QDD-Aktuatoren, viele der Vorteile eines Direktantriebs beizubehalten und darüber hinaus eine deutlich verbesserte Drehmomentabgabe zu erzielen. Die Drehmomentabgabe steigt im Vergleich zu einem Aktuator mit Direktantrieb praktisch linear mit dem Übersetzungsverhältnis eines QDD-Aktuators. Das Ergebnis ist ein sehr leistungsstarker Aktuator mit ausreichender dynamischer Leistung für viele Anwendungen. Die Fähigkeit, ein Positionsziel präzise und schnell zu treffen, ist eingeschränkt, aber das könnte für die meisten Anwendungen akzeptabel sein. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für einen solchen Aktuator mit integriertem Getriebe im Motor.

Dauerhaftes Rückwärtsfahren und ein relativ geringes Trägheitsmoment sind entscheidend für Anwendungen, die mit unvorhersehbaren Umgebungen interagieren. Bei Roboteranwendungen mit Beinen beispielsweise interagiert das Bein mit unebenen Oberflächen und muss in der Lage sein, plötzliche Kollisionen zu dämpfen, was nur mit hoher Rückwärtsfahrbarkeit und geringer reflektierter Trägheit möglich ist.

Anwendungen mit niedrigem Übersetzungsverhältnis

Zu den Anwendungen mit niedrigem Übersetzungsverhältnis gehören Systeme, bei denen ein höheres Drehmoment erforderlich ist und eine geringere Präzision toleriert werden kann. In der Regel handelt es sich dabei um Anwendungen, bei denen ein maximales Drehmoment erforderlich ist, das Rückwärtsfahren jedoch immer noch in Betracht gezogen werden muss. Zum Beispiel Humanoide- und Vierbeinroboter, Exoskelette und Deltaroboter.

Humanoide und Vierbeiner Robotik

Diese Roboter haben sehr dynamische Lastfälle. Sie benötigen kompakte und leichte Aktuatoren, hohe Haltemomente, schnelle Reaktionen und hohe Spitzendrehmomente. Außerdem müssen sie rückwärts ansteuerbar sein, sowohl aus Sicherheitsgründen in bestimmten Umgebungen als auch zur Anpassung an plötzliche äußere Kräfte. Die Lösung besteht in der Regel darin, einen optimalen, kompakten Aktuator mit einem niedrigen Übersetzungsverhältnis zu finden, der unterschiedliche Betriebspunkte mit Drehmoment und Drehzahl bewältigen kann.

Exoskelette

Exoskelette werden auf die Körper von Menschen gelegt. Sie müssen daher kompakt, leicht, rückwärts fahrbar und natürlich robust sein, um bei der Arbeit ausreichend zu helfen. Ein Aktuator mit niedrigem Übersetzungsverhältnis eignet sich hervorragend für diese Kombination von Eigenschaften. Der Aktuator muss bei Bedarf sowohl ein ausreichendes Drehmoment als auch eine ausreichende Drehzahl liefern, sich aber auch schnell an die von außen auftretenden Kräfte anpassen, insbesondere wenn es sich um ein Hilfssystem handelt.

Delta-Roboter

Ein Delta-Roboter muss stark, schnell und präzise sein, ein Kompromissszenario, das für einen QDD-Aktuator geeignet ist. Die Roboter müssen eine hohe Reaktionsfähigkeit und eine hohe Steuerbandbreite aufweisen und trotzdem hochpräzise Operationen ausführen können. Der Aktuator mit niedrigem Gang ermöglicht ein relativ hohes Ansprechverhalten bei gleichzeitig erhöhtem Drehmoment.

Aktuatoren mit hohem Übersetzungsverhältnis

Vorteile:

• Höchste Drehmomentabgabe
• Haltemoment (kein Strom erforderlich)
• Hohe Präzision
• Niedrige Gegenreaktion

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Manchmal übersteigt der Bedarf an hohen Drehmomenten das Potenzial von Direktantrieben und sogar QDD-Aktuatoren bei weitem. In diesen Fällen ist ein Aktuator mit hohem Übersetzungsverhältnis die richtige Lösung. Das hohe Übersetzungsverhältnis ermöglicht extrem hohe Drehmomente, die bei kompakten Aktuatoren weit über Direktantrieb und QDD-Aktuatoren hinausgehen. Das hohe Ausgangsdrehmoment kann jedoch einige Nachteile mit sich bringen. Die hohe Verzahnung erhöht die Reibung drastisch, wodurch das Rückwärtsfahren effektiv auf Null reduziert wird und die reflektierte Trägheit massiv erhöht wird, sodass das System externe Kräfte nicht mehr dämpfen kann. Die fehlende Rückfahrbarkeit kann ebenfalls von Vorteil sein, z. B. bei Anwendungen, die ein hohes statisches Haltemoment erfordern. Ein solcher Aktuator kann extrem kompakt sein, wie in der Skizze in Abbildung 4 dargestellt, wo der Motor in das Getriebe mit hoher Übersetzung integriert ist.

Anwendungen mit hohem Übersetzungsverhältnis

Bei Anwendungen mit hohem Übersetzungsverhältnis liegt der Schwerpunkt darauf, ein ausreichend hohes Drehmoment bei einem festen Platz- oder Gewichtsbudget zu erreichen. In der Regel konzentrieren sich diese Systeme auf Betriebspunkte mit niedrigen Drehzahlen und benötigen keine Gelenke, die stark rückwärts angetrieben werden müssen. Dazu gehören Industrieroboter, medizinische Robotik und Maschinenbetätigung in verschiedenen Branchen.

Industrieroboterarme

Roboterarme führen schwere Lastbewegungen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit und Präzision aus. Das Gewicht der Nutzlast ist normalerweise der wichtigste Aspekt, und Geschwindigkeit und Präzision sind zweitrangig. Diese Roboteraktuatoren mit hohem Getriebe, die in den Gelenken platziert sind, müssen hohe Lasten tragen und gleichzeitig eine kompakte Größe haben. Die kleinen Motoren sind daher mit einem Getriebe mit hoher Übersetzung gekoppelt.

Cobots

Cobots sind wie Roboterarme, aber sie operieren entweder in der Umgebung von Menschen oder sogar unter Mitwirkung menschlicher Bewegungen. Die Aufgabe könnte darin bestehen, bei einer Schwerlastoperation zu helfen oder einfach eine Arbeitsoperation in derselben Arbeitsumgebung wie Menschen zu übernehmen. Auch wenn ein rückwärts antreibbares Gelenk von Vorteil wäre, wird die Belastbarkeit in der Regel als wichtiger erachtet, und die Systemgeschwindigkeit wird reduziert, um eine sicherere Konstruktion zu ermöglichen.

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