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Artikel und Hintergründe zum Thema

Roboterantriebe

Encoder ersetzt teuren Sensor

DC-Kleinstantriebe treiben die Robotik voran. Bisher gab es keine Roboterplattform, die es Anwendern ermöglichte, bis tief in die Steuerungssoftware hineinzuschauen und diese bewusst zu verändern. Dies führt dazu, dass Roboter üblicherweise immer nur gerade die Funktionen erfüllen, die der Hersteller für sie vorgesehen hat.

Ein Roboter, der auf den Schreibtisch passt: Er liegt trotz gleicher oder sogar besserer Leistungsfähigkeit preislich weit unterhalb des bei Industrierobotern üblichen Rahmens. (Foto: NTB)

Der Anwender hat bislang keine Möglichkeiten, für seine Aufgabe spezifische Regelungen und Funktionen in die Software des Roboters zu implementieren. Hier knüpft die „Education Robot Plattform“ der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik in Buchs (CH) an. Sie ermöglicht Eigenentwicklungen im Bereich der Robotersteuerung, die auch gleich mit einem technisch anspruchsvollen, aber dennoch preiswerten Roboter getestet werden können. Kompakte DC-Kleinstmotoren kombiniert mit Getriebe und Encoder haben dazu einen entscheidenden Beitrag geleistet. Die neue „Education Robot Plattform“ basiert auf der Software EEROS (Easy, Elegant, Reliable, Open and Safe Real-Time Robotics Software). Die leistungsfähige Open-Source-Framework-Lösung für die Robotersteuerung ermöglicht die Implementierung von hardwarenahen Echtzeit-Reglern bis hin zu High-Level-Steuerungsapplikationen.

Ein Roboter, der auf den Schreibtisch passt
An der NTB wurde dazu passend nun eine entsprechende Elektronik mit Motorenansteuerung, Programmierschnittstelle und Spannungsversorgung sowie die für die Umsetzung notwendige Mechanik entwickelt.

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Dieser Roboter sollte preislich weit unterhalb des bei Industrierobotern üblichen Rahmens liegen, um für Entwicklungs-, Schulungs- oder Demonstrationszwecke interessant zu sein. Gleichzeitig waren kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht gefordert, damit sich das Equipment gut transportieren lässt und sich der Materialaufwand in Grenzen hält. Die Konstrukteure entschieden sich schlussendlich für einen Delta-Roboter, der so aufgebaut ist, dass die im Prinzip würfelförmige Konstruktion eine Kantenlänge von jeweils rund 200 Millimetern aufweist und je nach Gestell zwischen wenigen hundert Gramm und ein bis zwei Kilogramm wiegt. Die spinnenähnlichen Delta-Roboter sind mittlerweile in der Industrie weit verbreitet und punkten vor allem bei Highspeed-Anwendungen.

Das „Herz“ des Roboters: Edelmetallkommutierter DC-Kleinstmotor, Stirnradgetriebe und hochauflösender Encoder als Kompakteinheit. (Foto: Faulhaber)

Sensorlose Kraftregelung verlangt spielfreie Antriebslösung
Anders als klassische Industrieroboter sind die kleinen Deltaroboter in der Lage, Kontaktkräfte in einem mitbewegten Koordinatensystem in jede Richtung individuell und unabhängig zu steuern. Das erlaubt Fügeprozesse, bei denen die Position eines Stiftes, der in eine Bohrung gefügt werden muss, in Fügerichtung steif geregelt wird, während die Kräfte in Querrichtung der Fügerichtung gegen null gesteuert werden. Um solche Prozesse mit konventionellen Robotern realisieren zu können, braucht es einen Kraft-Momenten-Sensor, der rund 10.000 Euro kostet. Im Deltaroboter des NTB dagegen wird das allein durch die Auswertung der hochauflösenden Encoder und der Ausnutzung der spielfreien Getriebe ohne zusätzlichen Sensor realisiert, was die gewünschte kostengünstige Problemlösung erst möglich macht. Dank diesem Lösungsansatz lassen sich auch anspruchsvolle Arbeitsschritte automatisieren. An die eingesetzten Antriebe, die das physikalische Herzstück des Roboters bilden, stellt dies allerdings hohe Anforderungen. Ein möglichst geringes Spiel ist unabdingbar, um eine präzise Positionsregelung und gute Wiederholgenauigkeiten zu erzielen. Aus diesen Gründen fiel die Wahl auf eine Antriebslösung von Faulhaber. Treibende Kraft der vier Achsen des kleinen Delta-Roboters der Education Robot Plattform sind deshalb heute DC-Kleinstmotoren der Baureihe 1524, die mit einem spielfreien Getriebe sowie einem magnetischen Encoder kombiniert wurden.

Das „Herz“ des Roboters
Die edelmetallkommutierten Gleichstrommotoren sind bei 15 Millimeter Durchmesser lediglich 24 Millimeter lang und benötigen nur wenig Einbauraum, was der beschriebenen Anwendung entgegenkommt. Außerdem sind sie ausgesprochen leicht. Sie liefern ein Dauer-Drehmoment bis 2,8 Millinewtonmeter bei Drehzahlen bis 4.500 Umdrehungen pro Minute. Die DC-Kleinstmotoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen hauptsächlich durch den Rotor. Dieser ist nicht auf einen Eisenkern gewickelt, sondern besteht aus einer freitragenden, in Schrägwicklung hergestellten Kupferspule. Der leichte Rotor überzeugt durch ein geringes Trägheitsmoment und rastmomentfreien Lauf, was wiederum der Dynamik zugutekommt. Bei Motoren mit kleiner Leistung haben sich die Edelmetall-Kommutierungssysteme zudem wegen ihres geringen Übergangswiderstands bestens bewährt. Zudem erleichtert die lineare Charakteristik der Motoren die Regelung.

Das nahezu spielfreie Stirnradgetriebe mit sechs Getriebestufen und einer Untersetzung von 76:1 hat den gleichen Durchmesser wie der Motor und ist ebenfalls ausgesprochen leicht. Trotz dieser kleinen Abmessungen schafft die kompakte Motor-Getriebe-Einheit damit ein Dauerdrehmoment von 0,2 Newtonmeter und ein Spitzenmoment von 0,3 Newtonmeter, dank dessen der kleine Roboter eine Kontaktkraft von beachtlichen sechs Newton aufbringen kann. Am zweiten Wellenende der Motoren wird der magnetische Encoder montiert. Die bei den Hauptantrieben der Delta-Roboter eingesetzte dreikanalige Ausführung liefert 4.000 Impulse pro Umdrehung. Mit dem Getriebe und einer Quadraturauswertung der Sensorwerte führt dies zu einer extrem feinen Positionsauflösung von 1,2 Millionen Inkrementen pro Umdrehung am Getriebeausgang, was zu einer feinen Positionsauflösung von 0,26 Millimeter führt. Die hohe Auflösung ist wichtig, nicht unbedingt für die Positionierung, sondern für die Geschwindigkeitserfassung. Nur dadurch ist die hohe Steifigkeit bei der Regelung realisierbar. Außerdem spart man sich für die Drehmomentregelung die Strommessung, weil die Geschwindigkeit bekannt ist. Zudem wird eine schnelle Strommessung immer teuer.

Von den Eigenschaften der kompakten Antriebslösung lässt sich natürlich auch in vielen anderen Anwendungen profitieren. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von sechs bis 22 Millimeter zur Verfügung, lassen sich mit unterschiedlichen Getrieben, Encodern und Steuerungen kombinieren und für besondere Anforderungen zudem noch modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören beispielsweise Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker. Entsprechend breit gefächert ist das Anwendungsspektrum; es reicht von der Medizin- und Kameratechnik bis hin zu beliebigen Automatisierungsaufgaben und eben auch der Robotik.

Rolf Leitner, Ellen-Christine Reiff/bw

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