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Schrittmotor Vom Stepper zum Servomotor

| Redakteur: Ute Drescher

A-Drive hat für einen Roboter-Greifer ein miniaturisiertes Komplettpaket mit Mehrachs-Steuerung entwickelt. Das Herzstück ist ein Closed Loop-Schrittmotor.

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In der Logistik-Branche übernehmen Roboter-Greifer inzwischen viele Handling-Aufgaben.
In der Logistik-Branche übernehmen Roboter-Greifer inzwischen viele Handling-Aufgaben.
(Bild: ©phonlamaiphoto - stock.adobe.com)

Um ringförmige Teile zentriert aufnehmen zu können, benötigte ein Industrie-Roboter einen speziellen Greifer. Der Anwender erwartete eine Konstruktion, bei der die drei Achsen des Greifers synchronisiert verfahren können. Außerdem wurden ein kontrolliertes Freifahren mit Positionsregelung sowie eine Kraftabschaltung gefordert. Diese Angaben hatte A-Drive vom Linear-Aktuator-Spezialisten Haydon Kerk erhalten, bei dem der Logistik-Equipment-Hersteller einen Aktuator für den Greifer bestellt hatte. Als Systempartner von Haydon und einigen anderen namhaften Antriebstechnik-Herstellern übernimmt A-Drive die Automatisierung der Antriebe mithilfe intelligenter Regel-Elektronik und Software. Ziel ist es, eine kostengünstige, kompakte, hochpräzise und dynamische Antriebslösung zu entwickeln, die die Anforderungen des Kunden optimal erfüllt und die Prozesse seiner Anwendung deutlich verbessert.

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Bei der Konfiguration der Antriebe arbeitet A-Drive eng mit den Kunden zusammen. Nur so bekommen die Ingenieure und Techniker ein Verständnis dafür, was die jeweilige Maschine oder Anlage leisten können muss. In der Auswahl der einzelnen Komponenten des Antriebspakets sind die Taunussteiner völlig frei, denn sie haben eine große Bandbreite an Produkten verschiedenster Hersteller im Portfolio. „Für uns ist einzig und allein die jeweilige Aufgabenstellung maßgebend“, beschreibt Manfred Brucksch-Richter, Manager Business Development bei A-Drive, die Unternehmensphilosophie. Er und seine Kollegen verfügen über ein umfangreiches ingenieurtechnisches Know-how sowie ein tiefes Verständnis für die Anforderungen ihrer Kunden aus den unterschiedlichsten Branchen.

Herzstück der Antriebslösung: ein Closed-Loop-Schrittmotor

Im Fall des Roboter-Greifers stellte man eine Komplettlösung zusammen, die auf einem kostengünstigen und robusten Linear-Aktuator mit Laufgewindespindel von Haydon (400 N) aufbaut. Der Aktuator ist ausgelegt für einen maximalen Hub von 200 mm und eine Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 125 mm/s. Für den Antrieb wählte A-Drive einen Closed-Loop-Schrittmotor mit Momenten-, Geschwindigkeits- und Kraftregelung (Nema 34), als Steuerung setzte man eine Mehr-Achs-Steuerung mit drei Leistungsteilen im kompaktem Sondergehäuse ein. Das Besondere an dieser Lösung ist die Tatsache, dass die gesamte Steuer-Elektronik auf eine einzige Platine passt. So war deutlich weniger Bauraum erforderlich als bei konventionellen Lösungen.

Die autarke 3-Achs-Steuerung des Greifers verfügt über eine CAN-Schnittstelle für die interne Ablaufsteuerung mit Positionserkennung und Schleppfehler-Korrektur sowie über eine CAN-Open-Schnittstelle für eine externe Ablaufsteuerung. Die interne Ablaufsteuerung ist mit einer Kraftregelung für die Positionierung, programmierbaren Beschleunigungsrampen, einer Homeposition-Referenzfahrt-Lichtschranke sowie einer Schnittstelle für Industrie-Roboter ausgestattet. Die Steuerung lässt sich per Teach-In programmieren.

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Zum Antriebspaket gehören außerdem ein Controller für 2048 TCM-Befehle, vier digitale I/O, sechs Limit- und Referenzschalter sowie drei Treiberendstufen (48 Vdc/6,5 Arms). Damit der Greifer immer genau die gewünschte Position anfährt, verbauten die A-Drive-Techniker darüber hinaus einen Encoder mit einer Auflösung von 200 ppr. Extra für diese Anwendung entwickelten sie zudem eine App und bereiteten sie als autarkes Subsystem vor. Sie begleiteten deren Anbindung an die Roboter-Steuerung beim Kunden und programmierten auch die dafür erforderlichen Skripts.

Closed-Loop steuert den Schrittmotor

Das Herzstück der Antriebslösung für den 3-Achs-Greifer war aber ein Closed Loop-Schrittmotor. A-Drive entschied sich für diesen Motor-Typ, da ein Servo-Antrieb aus wirtschaftlichen Gründen für den Anwender nicht infrage kam. Dank der Closed-Loop-Technologie können Schrittmotoren genauso geregelt werden wie Servomotoren und erreichen somit dieselben Eigenschaften – nur eben zu einem deutlich niedrigeren Preis. Sie können damit auch in Anwendungen eingesetzt werden, die bisher den wesentlich teureren Servomotoren vorbehalten waren.

Closed Loop-Stepper verfügen über dieselbe feldorientierte, leistungsangepasste Stromregelung wie ein Servo: Über die Signale eines Encoders wird die Rotorlage des Motors erfasst und in den Motorwicklungen werden sinusförmige Phasenströme erzeugt. Diese Vektorregelung bewirkt, dass das Magnetfeld des Stators immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht. Deshalb entspricht die Feldstärke genau dem gewünschten Drehmoment.

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Vorteile von Stepper und Servomotor vereint

Mit der Wahl eines Closed Loop-Schrittmotors für die Greifer-Anwendung hat A-Drive die hohe Momentendichte eines Steppers mit der hohen Überlastfähigkeit eines Servomotors kombiniert und so die besten Eigenschaften beider Antriebstypen in einer Lösung vereint. Closed Loop-Schrittmotoren haben aber nicht nur dieselben Vorteile eines Servos, sie sind zudem langlebiger und resonanzärmer als Open Loop-Schrittmotoren.

Als Alternative zu den deutlich teureren Servo-Antrieben sind Closed Loop-Schrittmotoren also hervorragend geeignet. Für traditionelle Schrittmotor-Anwendungen kommen sie dagegen nur bedingt in Frage, da hier viele Vorteile der günstigen Schrittmotoren wieder verloren gehen. Zu diesen Effekten tragen unter anderem die aufwändigere Elektronik, der Drehgeber und kundenspezifische Anpassungen bei. Closed Loop-Motoren werden deshalb in diesen Applikationen bisher nur in geringem Umfang verwendet.

Antriebskonzept stand in nur vier Monaten

Durch den Umbau kostengünstiger und sehr leistungsfähiger Standardkomponenten sowie die Verwendung intelligenter Regel-Elektronik konnte A-Drive das komplexe Antriebspaket für den Roboter-Greifer in nur vier Monaten zusammenstellen. Das Ziel, einen wirtschaftlichen Antrieb mit hoher Dynamik und hohen Kräften zu konfigurieren, wurde erreicht. Das für den Greifer entwickelte Lösungspaket soll künftig auch in ähnlichen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Jetzt arbeiten die Spezialisten gemeinsam mit ihren Technologie-Partnern intensiv an der Weiterentwicklung der Closed Loop-Regelung von Schrittmotoren. „Wir wollen damit eine Lücke im Markt schließen“, sagt Manfred Brucksch-Richter. „Preislich attraktive und kompakte Servo-Antriebe mit echtzeitfähiger Kommunikation sollen deutlich besser verfügbar sein als bisher.“ Zurzeit beschäftigt sich A-Drive mit einigen Projekten, deren Antriebskonzepte überhaupt erst durch die neue Technologie ermöglicht werden. (ud)

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