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antriebstechnik 9/2018

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antriebstechnik 9/2018

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01 Entwicklungsingenieure Shahab Nakhjavan (rechts) und Johannes Losch mit dem Mehrachsdemonstrator Schritt für Schritt Studie: Mehrachssystem ermöglicht hohe Applikationsperformance Im Bereich der industriellen und mobilen Antriebstechnik steigen die Anforderungen an Integrität und Funktionalität. Automatisierungsund Stabilisierungsaufgaben erfordern ein hohes technisches Systemverständnis. Als Hersteller hochpräziser Antriebstechnik hat Harmonic Drive es sich zur Aufgabe gemacht, ein solches Systemverständnis Schritt für Schritt aufzubauen. Im Rahmen einer Konzeptstudie ist es nun gelungen, ein vollintegriertes Mehrachssystem zu entwickeln. Johannes Losch und Shahab Nakhjavan sind Entwicklungsingenieure Mechatronik bei der Harmonic Drive AG in Limburg Der Mehrachsdemonstrator zeigt modular aufgebaute Aktuatoren, sogenannte Achsmodule, mit integrierter Antriebsregelung. Anwendungen hierfür sind u. a. sogenannte Pan-&-Tilt-Systeme, welche zur Ausrichtung und Nachführung von Azimutund Elevationswinkeln dienen (z. B. zur Stabilisierung einer Kamera). Einen großen Vorteil bietet die dezentrale Regelung der Achsen. Es werden nur eine Spannungsversorgung und eine Kommunikationsschnittstelle benötigt, um viele kombinierte Achsmodule anzusteuern. Der Mehrachsdemonstrator Der Mehrachsdemonstrator kann mit Kleinspannung betrieben werden (24– 60 VDC) und bietet verschiedene Kommunikationsschnittstellen (CANopen oder EtherCAT). Applikationsleitungen sowie die Bereitstellung der Versorgungsspannung sind zu jedem integrierten Achsmodul verfügbar, wodurch keine externen bzw. außerhalb der Aktuatoren verlaufenden Applikationskabel benötigt werden. Diese Option ermöglicht ein robustes Design. Sowohl die Kommunikations- als auch die Versorgungsleitungen werden intern gefiltert und geschirmt. Das Verhalten des Systems hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV-Verhalten) konnte inklusive Kabel und Schirmungen verbessert werden. Unterschiedlichste Bewegungsabläufe und Stabilisierungsaufgaben können mit dem System realisiert werden. Die optimale Einstellung zwischen Ak tuator und Antriebsregler ermöglicht ein hohes Maß an Wiederholgenauigkeit. Das Modell weist bei einer Last von etwa 3 kg und in einem simultanen Bewegungsablauf aller Achsen eine Wiederholgenauigkeit von wenigen μm auf. Präzise Positionieraufgaben sind in vielen Automatisierungsanwendungen zwingend erforderlich. Die Studie zeigt, welche Möglichkeiten Achsmodule dazu bieten. Das Achsmodul Für jedes Achsmodul ist ein Servoantrieb der Baureihe CanisDrive in der Baugröße 17 mit Kleinspannungswicklung vorgesehen. Mit dem erstmaligen Einsatz 42 antriebstechnik 9/2018

ELEKTROMOTOREN 02 Der Harmonic Drive Mehrachsdemonstrator 03 Das Harmonic Drive Achsmodul Untersetzung i [] 50 Maximales Drehmoment T max [Nm] 44 Maximale Drehzahl n max [min -1 ] 146 Stillstandsdrehmoment T 0 [Nm] 33 Hohlwellendurchmesser d H [mm] 16 Übertragungsgenauigkeit [arcmin] < 1,5 Lost Motion [arcmin] < 1 Torsionssteifigkeit K 3 [x10 3 13 Nm/rad] Umgebungstemperatur (Betrieb) [°C] 0 – 40 (Standard) - 46 – 63 (erweitert) Leistungsdaten CanisDrive 17 A-Aktuator- Technologie der CobaltLine-Getriebegeneration in Servoantrieben der Harmonic Drive AG, stößt die Baureihe CanisDrive in neue Dimensionen hinsichtlich Drehmomentendichte, Lebensdauer und Zuverlässigkeit vor. Diese neue Antriebsbaureihe zeichnet sich durchgängig durch ein höheres maximales Drehmoment von 30 % aus. Darüber hinaus bieten die Servoantriebe dieser Baureihe eine große zentrale Hohlwelle, welche die Durchführung von Versorgungsleitungen für weiterführende Antriebssysteme ermöglicht. Die Servoantriebe bestehen aus einem Synchronservomotor sowie der Unit der Baureihe Cobalt- Line-CPM. Der Servomotor ist ein permanent erregter Synchronmotor, ausgestattet mit einem speziell entwickelten Ringmagnet zur Optimierung der Gleichlaufeigenschaften und zur Erhöhung der Robustheit. Die Servoantriebe der Baureihe Canis- Drive sind erhältlich in sechs Baugrößen und fünf Untersetzungen zwischen 50:1 und 160:1 bei einem maximalen Drehmoment zwischen 23 und 841 Nm. Das kippsteife Abtriebslager ermöglicht die direkte Anbringung hoher Nutzlasten ohne weitere Abstützung und erlaubt so eine einfache und platzsparende Konstruktion. Durch die hohe Schutzart und den Korrosionsschutz ist die Baureihe ideal geeignet für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen. Als Getriebekopf kommen die Units der Baureihe CobaltLine mit der Untersetzung i = 50 zum Einsatz. Das Getriebe bietet eine große Hohlwelle zur Durchführung weiterführender Antriebssysteme. Durch das verstärkte Abtriebslager mit hoher Kippsteifigkeit und Präzision können die Units schnell und einfach hohe Lasten aufnehmen, zeichnen sich durch ihre hohe Lebensdauer aus und erlauben eine platzsparende Konstruktion. Aufgrund der Positioniergenauigkeit sind stabile Maschineneigenschaften mit kurzen Taktzeiten möglich. Für die Messung der Rotor- und Abtriebslage wird ein eigenentwickeltes magnetisches Messsystem verwendet. Industrielle und mobile Automatisierung Mithilfe von Achsmodulen wird eine Vereinfachung der Umsetzung zahlreicher Automatisierungsaufgaben erzielt. Automatisierungstechniker können schneller mit der Applikationsumsetzung arbeiten, da aufwendige Integrations- und Einstellprozesse zwischen Antriebsregler und Aktuator entfallen. Der integrierte Regler ist auf den dazugehörigen Servoantrieb abgestimmt, wodurch eine Zeit- und Kostenreduktion im Vergleich zu einer herkömmlichen Inbetriebnahme erzielt wird. Um Bewegungsvorgaben zu ermitteln, können Anwender mithilfe etablierter Feldbus-Schnittstellen eine Kommunikation zu vielen verschiedenen Achsmodulen aufbauen. Echtzeitfähige Steuerungen ermöglichen es, mehrere Achsmodule synchron anzu steuern bzw. Abläufe zeitlich zu koordinieren. Der Mehrachsdemonstrator veranschaulicht diese Möglichkeit. Kompakt und robust Das kompakte Design ermöglicht die Einsparung von Motor- und Geberleitungen. Roboter-Kinematiken bestehen oftmals aus vielen verschiedenen Antrieben, wodurch diverse Motor- und Geberleitungen von Achse zu Achse verlegt werden müssen. Gewicht und Kosten können mit Wegfall dieser Leitungen eingespart werden. Ein häufiger Ausfallgrund in der Automatisierungstechnik ist der Kabelbruch aufgrund von zu hoher mechanischer Belastung. Gründe können bspw. Kabeltorsion und Wechselbiegung sein. Die Auftretenswahrscheinlichkeit dieser Fehlerfälle kann durch dezentrale Achsmodule verbessert werden, da nur noch Versorgungs- und Kommunikationsleitungen seriell verlegt werden müssen und nicht parallel, wie es bei einer zentralen Regelung üblich ist. Des Weiteren steht mehr Platz im Schaltschrank zur Verfügung bzw. kann gänzlich auf einen Schaltschrank verzichtet werden, sofern eine Versorgung sichergestellt ist. Mithilfe interner Verkabelung und Schirmung wird eine hohe Robustheit erzielt, welche für mobile Anwendungen von besonderer Bedeutung ist. Alle Leitungen verlaufen intern durch die einzelnen Hohlwellen der jeweiligen Achsmodule. Zusätzlich können weitere Applikationsleitungen durch die Hohlwellen geführt werden, da aufgrund der dezen tralen Achsansteuerung ausreichend Platz vorhanden ist. Performance-Optimierung mit Software Ein Achsmodul mit integriertem Antriebsregler ermöglicht es, Getriebemotor und Antriebsregler aufeinander abzustimmen, wodurch eine hohe Applikationsperformance erzielt werden kann. Aktuell werden neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Übertragungsgenauigkeit validiert. Durch Kompensationstabellen können Genauigkeitsverbesserungen erzielt werden. Zusätzlich wird derzeit an einer neuen Methode zur Drehmomentmessung gearbeitet. In vielen Anwendungen ist eine in direkte Messung des Drehmoments über den Motorstrom nicht ausreichend, daher stellt eine direkte Messung des Drehmoments einen großen Mehrwert dar. Fotos: Harmonic Drive www.harmonicdrive.de antriebstechnik 9/2018 43

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