Direktantrieb vs. Getriebe-Drehservomotor: Eine Quantifizierung der Designvorteile: Teil 1

Lernziele

• Aufgrund technischer Einschränkungen erreichen Rotationsservosysteme in der Praxis nicht die optimale Leistung.
• Verschiedene Arten von Rotationsservomotoren können für den Benutzer von Vorteil sein, aber jeder bringt spezifische Herausforderungen oder Einschränkungen mit sich.
• Rotierende Servomotoren mit Direktantrieb bieten die beste Leistung, sind jedoch teurer als Getriebemotoren.

Getriebe-Servomotoren gehören seit Jahrzehnten zu den gängigsten Werkzeugen in der industriellen Automatisierung. Sie ermöglichen Positionierung, Geschwindigkeitsanpassung, elektronische Nockensteuerung, Wickeln, Spannen und Festziehen und passen die Leistung des Servomotors effizient an die Last an. Dies wirft die Frage auf: Ist ein Getriebe-Servomotor die beste Option für Drehbewegungstechnik oder gibt es eine bessere Lösung?

Idealerweise sollte ein rotierendes Servosystem Drehmoment und Drehzahlen aufweisen, die der Anwendung entsprechen, sodass der Motor weder über- noch unterdimensioniert ist. Die Kombination aus Motor, Getriebeelementen und Last sollte eine unendliche Torsionssteifigkeit und kein Spiel aufweisen. Leider erreichen rotierende Servosysteme in der Praxis dieses Ideal nicht immer.

In einem typischen Servosystem wird Spiel als Bewegungsverlust zwischen Motor und Last definiert, der durch die mechanischen Toleranzen der Übertragungselemente verursacht wird. Dies umfasst jeglichen Bewegungsverlust in Getrieben, Riemen, Ketten und Kupplungen. Beim ersten Einschalten einer Maschine schwankt die Last irgendwo in der Mitte der mechanischen Toleranzen (Abbildung 1A).

Bevor die Last vom Motor bewegt werden kann, muss dieser rotieren, um das Spiel in den Übertragungselementen auszugleichen (Abbildung 1B). Wenn der Motor am Ende einer Bewegung zu bremsen beginnt, kann die Lastposition die Motorposition sogar überholen, da die Last durch den Impuls über die Motorposition hinaus getragen wird.

Der Motor muss das Spiel in die entgegengesetzte Richtung wieder aufnehmen, bevor er Drehmoment auf die Last ausübt, um sie abzubremsen (Abbildung 1C). Dieser Bewegungsverlust wird als Spiel bezeichnet und üblicherweise in Bogenminuten gemessen, was 1/60 Grad entspricht. Getriebe für den Einsatz mit Servomotoren in industriellen Anwendungen weisen häufig Spielspezifikationen zwischen 3 und 9 Bogenminuten auf.

Die Torsionssteifigkeit ist der Widerstand der Motorwelle, der Übertragungselemente und der Last gegen eine Verdrehung als Reaktion auf die Anwendung eines Drehmoments. Ein unendlich steifes System würde das Drehmoment ohne Winkelauslenkung um die Rotationsachse auf die Last übertragen. Allerdings verdreht sich selbst eine massive Stahlwelle unter schwerer Last leicht. Das Ausmaß der Auslenkung variiert je nach angewandtem Drehmoment, dem Material der Übertragungselemente und ihrer Form. Intuitiv verdrehen sich lange, dünne Teile stärker als kurze, dicke. Dieser Verdrehwiderstand ist der Grund für die Funktion von Schraubenfedern, da sich beim Zusammendrücken der Feder jede Windung des Drahtes leicht verdreht. Ein dickerer Draht ergibt eine steifere Feder. Alles unter unendlicher Torsionssteifigkeit bewirkt, dass das System wie eine Feder wirkt. Das bedeutet, dass potenzielle Energie im System gespeichert wird, da die Last der Drehung widersteht.

In Kombination können endliche Torsionssteifigkeit und Spiel die Leistung eines Servosystems erheblich beeinträchtigen. Spiel kann zu Unsicherheiten führen, da der Motorgeber die Position der Motorwelle anzeigt und nicht, wo sich die Last aufgrund des Spiels setzen konnte. Spiel führt außerdem zu Abstimmungsproblemen, da sich die Last beim Richtungswechsel von Last und Motor kurzzeitig mit dem Motor koppelt und wieder trennt. Neben dem Spiel speichert die endliche Torsionssteifigkeit Energie, indem sie einen Teil der kinetischen Energie von Motor und Last in potenzielle Energie umwandelt und diese später freisetzt. Diese verzögerte Energiefreisetzung verursacht Lastschwingungen, induziert Resonanz, reduziert die maximal nutzbaren Abstimmungsgewinne und wirkt sich negativ auf die Reaktionsfähigkeit und Einschwingzeit des Servosystems aus. In allen Fällen steigern eine Verringerung des Spiels und eine Erhöhung der Steifigkeit eines Systems die Servoleistung und vereinfachen die Abstimmung.

Konfigurationen von Drehachsen-Servomotoren

Die gängigste Drehachsenkonfiguration ist ein rotierender Servomotor mit integriertem Encoder zur Positionsrückmeldung und einem Getriebe, um das verfügbare Drehmoment und die Drehzahl des Motors an das erforderliche Drehmoment und die Drehzahl der Last anzupassen. Das Getriebe ist ein Gerät mit konstanter Leistung und entspricht mechanisch einem Transformator zur Lastanpassung.

Eine verbesserte Hardwarekonfiguration verwendet einen direkt angetriebenen Rotationsservomotor, der die Übertragungselemente durch direkte Kopplung der Last an den Motor überflüssig macht. Während bei der Getriebemotorkonfiguration eine Kupplung mit einer Welle mit relativ kleinem Durchmesser verwendet wird, wird die Last beim Direktantriebssystem direkt an einen deutlich größeren Rotorflansch geschraubt. Diese Konfiguration eliminiert Spiel und erhöht die Torsionssteifigkeit erheblich. Die höhere Polzahl und die drehmomentstarken Wicklungen von Direktantriebsmotoren entsprechen den Drehmoment- und Drehzahleigenschaften eines Getriebemotors mit einer Übersetzung von 10:1 oder höher.