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antriebstechnik 4/2018

antriebstechnik 4/2018

HANNOVER MESSE I SPECIAL

HANNOVER MESSE I SPECIAL Vom Motor zum Antriebssystem Urs Kafader skizziert verschiedene Aspekte einer kundenspezifischen Motorentwicklung Warum bieten komplette mechatronische Antriebslösungen viele Vorteile gegenüber einzelnen Komponenten? Um ans Ziel zu gelangen, müssen zuerst einige wichtige Fragen beantwortet werden. Urs Kafader, technischer Ausbildungsleiter bei der Maxon Motor AG beschreibt die Entwicklung eines applikationsspezifischen Motors am Beispiel eines Hüftgelenks für einen Roboter. Erhalten Sie einen spannenden Einblick… BLDC Motor Housing Gearbox Smart Connectors Control Electronics Software with Sensor Das Unternehmen Maxon entwickelt sich immer stärker vom Komponenten- zum Systemlieferanten. Als Komponenten sind Motoren, Getriebe, Encoder sowie Kontroller zur Drehzahl- und Positionsregelung zu verstehen. Ein System dagegen ist hier eine komplette Antriebslösung, die als mechatronische Einheit und Subsystem in einen größeren Kontext eingebunden wird. Der Fokus liegt auf der zu erfüllenden Gesamtfunktion und nicht mehr auf den im Detail verwendeten Komponenten. Beispiel: Hüftgelenk für einen Roboter Ausgangslage ist eine kundenspezifisch angepasste Komponente, genauer ein Flachmotor. Zur besseren Kühlung ist der Rotor mit Löchern versehen. Zudem ist ein spezieller Kabelanschluss mit Stecker gefordert, um die vom Anwender beigestellte Motorsteuerung einzubinden. Die genaue Funktion des Motors und seine mechanischen und elektrischen Schnittstellen sind zunächst nicht bekannt. Erst intensivere Kontakte mit dem Kunden ergeben, dass der Motor ein Robotergelenk über ein Getriebe antreibt. Hier bietet sich eine stärker integrierte Gesamtlösung an, denn es herrschen stark eingeschränkte Platzverhältnisse, die Montagesituation der bestehenden Lösung ist komplex und mehrere Zusatzfunktionen werden benötigt. Mechanische Anforderungen Kleine Drehzahlen und hohe Drehmomente verlangen eine Motor-Getriebelösung: n Bewegungsumfang am Getriebeabgang ca. 120° n Blockieren des Gelenks bei Stromausfall (Haltebremse) n Möglichkeit, die Blockade zu lösen; System darf nicht selbsthemmend sein n Kabeldurchführung für Leitungen, die durch die Hüfte gehen n Elektrische und elektronische Anforderungen n Ansteuerung des bürstenlosen Motors (Kommutierung, Strom- und Drehzahlregelung) n Kommunikation mit übergeordneter Steuerung n Winkelsensor im Motor und am Getriebeabgang, Positionsinformation geht an übergeordnete Steuerung All dies findet im Kontext eingeschränkter, vorgegebener Abmessungen und Gewichtsverhältnisse statt. Des Weiteren sind die Emissionen (Temperatur, Vibrationen, Geräusche) gering zu halten. Da der Antrieb batteriebetrieben ist, soll dieser möglichst energieeffizient arbeiten. Diese Anforderungsliste zeigt exemplarisch die Aspekte, die es bei einer integrierten Lösung zu beachten gilt und die nur mit intensivem und offenem Gedankenaustausch zwischen Kunde und Systemlieferant geklärt werden können. Systemabgrenzung Zunächst stellt sich die Frage, was alles zum System gehören soll. Wo sind sinnvolle Sys- Übrigens … Die vorgeschlagene Lösung für das Roboter-Hüftgelenk besteht aus dem ursprünglich gewählten Flachmotor – allerdings mit integrierter elektronischer Ansteuerung (auf Basis eines Maxon- Escon-Kontrollers) und kombiniert mit einem Sondergetriebe. Motor- und Getriebepositionen werden über integrierte Encoder ermittelt. Die speziell konstruierte Haltebremse wirkt direkt auf den Rotor des Motors und ist im kompakten Gehäuse untergebracht. Für den Kunden vereinfacht und verkürzt sich die Montage erheblich gegenüber der vorherigen Lösung aus Einzelkomponenten. 42 antriebstechnik 4/2018

INTERVIEW I HANNOVER MESSE 01 Black Box Skizzierte Black-Box-Betrachtung 02 Kundenspezifische Systemlösung Kundenspezifische Systemlösung Spannung Strom Befehle Gewicht Abmessungen Hüftgelenk Motor Getriebe Encoder Bremse Rückdrehbarkeit, Bremse lösen Drehmoment Drehzahl Motorposition Gelenkstellung Kabeldurchführung Motor mit integriertem Kontroller und Positionssensor Sondergetriebe mit 120° Abgang und Encoder Kabeldurchführung Temperatur Geräusch Vibrationen Abmessungen Wirkungsgrad Spezielle Bremse mit separatem Mechanismus zum Lösen temgrenzen anzusetzen unter Berücksichtigung der zu erreichenden Funktionalität? Wie sieht die Systemumgebung, wie die elektrischen, mechanischen Schnittstellen aus? Wie werden die Informationen ausgetauscht und wie kommuniziert der Endbenutzer bei Gesamtsystemen? Sichtweisen auf Systeme Bei der Entwicklung von komplexeren Systemen sind meist Personen mit unterschiedlichen Sichtweisen und unterschiedlichem Wissenshintergrund beteiligt. Wie kann man die Kommunikation optimal gestalten, sodass alle dasselbe verstehen und dieselben Ziele verfolgen? Eine Black-Box- Betrachtung, wie skizziert, kann helfen. Sinnvoll ist auch eine Top-down-Herangehensweise, die sich nicht in Details verliert. Ein weiterer Aspekt, der häufig bei Gesamtsystemen vernachlässigt wird: Wie können die Bedürfnisse des Endanwenders berücksichtigt werden? Systeme spezifizieren Der Auslöser für eine Systementwicklung kann wichtige Hinweise zur Formulierung des Zielkatalogs enthalten. Ist es eine Neuentwicklung? Geht es um die Verbesserung einer bestehenden Lösung? Warum ist die bestehende Lösung unbefriedigend? Grundlage einer Spezifikation ist immer eine Situationsanalyse: Worum geht es und welche Ziele sollen erreicht werden? Wie sieht der Systemkontext aus? Wichtig ist, dass der Zielkatalog lösungsneutral formuliert wird. Zum Beispiel kann man sich im obigen Beispiel fragen, ob das Blockieren bei Stromausfall nur mithilfe einer Haltebremse erreicht werden kann oder vielleicht auch durch ein selbsthemmendes Getriebe. Lösungen Systemintegration bedeutet, verschiedene Fachrichtungen unter einen Hut zu bringen. Bei Antriebssystemen sind dies Mechanik, Elektrotechnik, Sensorik und Regeltechnik sowie Programmierung. Dr. sc. Nat. Urs Kafader, Ausbildungsleiter, Maxon Motor AG Der Zielkatalog dient als Basis, um Lösungsvarianten zu erarbeiten, die dann auf ihre Tauglichkeit beurteilt werden. Mögliche Lösungen basieren häufig auf bestehenden Produkten. In diesem Zusammenhang sind die von Maxon entwickelten Produktplattformen wichtig. Sie erlauben bei der Systementwicklung einen Rückgriff auf bestehende und erprobte Komponenten, die zudem rasch angepasst werden können. Dies verkleinert das Entwicklungsrisiko in technischer, zeitlicher und ökonomischer Hinsicht. Systeme von Maxon Motor sind meist im mechatronischen Umfeld zu Hause. Sie verbinden mechanische und elektronische Komponenten: Mechanik, Aktuatoren, Sensoren und Kontroller. Dabei spielt Software eine immer wichtigere Rolle, z. B. in Form von Kontroller-Firmware oder als Programm, das eine ganze Anlage steuert. Bei der Beurteilung von Lösungsvarianten ist sicherzustellen, dass Gleiches mit Gleichem verglichen wird. Zum Beispiel sind für den Kunden die Kosten für ein Gesamtsystem im Vergleich zu den Kosten für individuelle Komponenten unter Berücksichtigung der Mehraufwände für Schnittstellen und Montage aufzurechnen. Ökonomische Randbedingungen Integraler Bestandteil der Situationsanalyse ist, ob und wann sich eine Neuentwicklung lohnt. Welche Stückzahlen sind in welcher Zeit zu erwarten? Dazu sind realistische Marktabschätzungen nötig. Es muss geklärt werden, ob die Entwicklungs- und Werkzeugkosten auf den Produktpreis geschlagen oder separat als einmalige Fixkosten (NRE-Kosten/non recurring engineering costs) abgerechnet werden. Grundsätzlich kann eine Wirtschaftlichkeitsberechnung (NPV/net present value) als Basis zur ökonomischen Projektbeurteilung dienen. Weitere Kriterien sind aber auch der strategische Fit und eine Risikoabschätzung. www.maxonmotor.de antriebstechnik 4/2018 43