Klein, robust & leicht

Kleinantriebe - Konstrukteure und Entwickler, aber auch Anwender sind in der Robotik und im Handling auf passende Antriebe angewiesen. Worauf muss bei der Auswahl des Antriebs das Augenmerk gelegt werden und welche Möglichkeiten bieten am Markt verfügbare Antriebssysteme?

15. November 2005

Ohne die richtigen Antriebe bewegt sich in der Handhabungstechnik und bei der Robotik nichts. Anwendungen in diesen Bereichen stellen vielfältige Ansprüche an die Antriebe: Sie sollen klein, robust und leicht sein, aber Großes leisten. Auch bei widrigen Umgebungsbedingungen wie Kälte, Hitze oder Nässe sollen sie zuverlässig arbeiten. In manchen Anwendungen müssen sie schnelle, kräftige Bewegungen erzeugen, während es in anderen mehr auf Präzision als auf Geschwindigkeit ankommt, und in wieder anderen viele Positionen schnell und zielgenau angesteuert werden müssen. Ein drehmomentstarker Anlauf wird meist genau so gefordert wie flexible Drehzahl- und Drehmomentanpassung. Überhaupt sollen sich die Antriebe beliebig an die jeweiligen Anforderungen anpassen lassen, während gleichzeitig auf den Einsatz von Standardkomponenten Wert gelegt wird; man will ja schließlich Kosten sparen. Fordert man damit nicht die viel zitierte »eierlegende Wollmilchsau« oder gibt es für die vielfältigen Anforderungen doch eine reale Lösung?

Mobil in schwierigem Gelände

Will man moderne Computer- und Sensortechnik in unzugänglichen Bereichen einsetzen, beispielsweise zum Ermitteln von Unfallfolgen in Bergwerken oder das Aufspüren von Minen im Gelände, werden universelle Fahrzeugkonzepte als Komponententräger benötigt. Das ASL (Autonomous Systems Lab) der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat für solche Zwecke das Radfahrzeug ›Shrimp Rover‹ entwickelt, das universell sowohl für den Einsatz im Gelände als auch in befestigten Bereichen geeignet ist. Das Fahrzeug baut im Wesentlichen auf einem Allradantriebskonzept auf. Kompakte 12-W-DC-Kleinstmotoren mit Edelmetallkommutierung und ein integrierter, magnetischer Impulsgeber erachteten die Konstrukteure in diesem Fall für die richtige Antriebslösung, damit die Antriebskraft immer optimal zum Rad mit der besten Traktion kommt. Mechanisch kommutierte Motoren benötigen geringe Anlaufspannungen; ihre Drehzahl lässt sich sehr einfach über die Spannung und das Drehmoment über den Strom regeln. Mit dem Motor kombinierbare Planetengetriebe bieten Umsetzungen von 3,71:1 bis 1526:1 und bis 0,5 Nm Drehmoment. So lässt sich eine optimale Regelung für jedes Rad nach Traktions- und Schlupfwerten realisieren.

Anforderungen ganz anderer Art stellt ein Liquid-Handlingsystem in der Labordiagnostik an die Antriebe. Dort müssen viele Positionen, z.B. auf Mikro- oder Tüpfelplatten schnell und zielgenau angesteuert werden. Dabei liegt eine Hauptschwierigkeit in der Dynamik des Prozesses. Die mit ein bis drei Kilogramm vergleichsweise hohen Massen der bewegten Aktoren müssen schnell beschleunigt und verzögert werden. Eine exakte und wiederholgenaue Positionierung ist für die Funktion ausschlaggebend.

Schnelles und zielgenaues Ansteuern vieler Positionen

Um unterschiedliche Platten oder Probenmagazine gezielt anfahren zu können, ist eine frei programmierbare Positionierung Voraussetzung. Leichte Antriebselemente sind hier der ideale Partner; ein perfektes Einsatzgebiet für eisenlose Glockenankermotoren. Ein 156 g schwerer Antrieb bremst und beschleunigt in dieser Anwendung beispielsweise kiloschwere Aktoren. Über Getriebe lassen sich Drehzahl und Drehmoment anpassen. Aufsteckbare Impulsgeber gewährleisten eine exakte Drehzahlregelung und Positionserfassung der Motoren. Die Einheiten aus Motor, Getriebe und Encoder bauen dennoch so klein, dass sie praktisch überall integriert werden können. Vor allem mit Schmutz und Wasser haben Antriebe in einer anderen Anwendung zu kämpfen. Bei der Wartung von Kanalisationsschächten kommen zugstarke Kleinroboter mit DC-Kleinmotoren dort zum Einsatz, wo es für Menschen zu eng wird. Als Roboterantrieb dienen vier Achsen mit jeweils einem Antriebsmotor. Die Motoren sind mit Getrieben gekoppelt, um die Drehzahl und Zugkraft optimal anpassen zu können. Die vereinte Zugkraft der vier Antriebsmotoren beträgt trotz ihrer geringen Größe rund 1.000 N (oder umgangssprachlich 100 Kilo).

Bewegung unter Wasser

Auch die drehbare Kamera an der Vorder­seite des Roboters und ein Druckluftfräser werden mit DC-Kleinmotoren bewegt. Hauptvorteil der Antriebe ist hier ihre hohe Leistungsdichte. Das ermöglicht geringe Baugrößen und einen Einsatz ab einem Rohrdurchmesser von 200 mm. Die Nie­derspannungsmotoren mit einer Spannungsversorgung unterhalb 42 V entsprechen zudem den Anforderungen des Betriebs unter Wasser.

Hexapod fährt Positionen mit Auflösung bis 0,005 µm an

Wenn es darum geht, Motoren beispielsweise mit dem PC anzusteuern, bieten sich elektronisch kommutierte Servomotoren an. Ein Beispiel dafür ist der sechsachsige Parallelkinematik-Mikroroboter. Die so genannten Hexapoden der Firma Physik Instrumente (PI) übernehmen hochgenaue Positionieraufgaben im 3D-Raum und finden Einsatz in Handlingsystemen in der Elektronikfertigung und der Werkzeugkontrolle, in Präzisionswerkzeugmaschinen, in der Medizintechnik bis hin zu optischen Systemen, zum Beispiel bei Weltraumtele­skopen und Satellitenempfangsanlagen. Je nach Anwendungen werden hohe Belastbarkeit (bis 200 Kilo in vertikaler Richtung) und hohe Auflösungen verlangt oder aber es müssen geringere Lasten bei höchsten Geschwindigkeiten genau positioniert werden.

Hohe Leistung mit 3 Watt

In allen Fällen sind kompakte Antriebe nötig, die trotzdem mit 3 bis 19 Watt vergleichsweise große Leistungen liefern sollen. Zudem müssen die Antriebe, auch unter rauen Umgebungsbedingungen, über die lange Betriebsdauer der Mikrostellsysteme spielfrei arbeiten. Ein sofortiger und drehmomentstarker Anlauf der Gleichstrommotoren nach Anlegen einer Spannung ist gewünscht. Magnetische Impulsgeber mit 512 Impulsen pro Umdrehung liefern die aktuelle Position. Durch vierfache Auswertung und unter Berücksichtigung der Spindelsteigung können Auflösungen bis 0,005 µm erzielt werden. Dabei bilden Motor und Getriebe eine kompakte Einheit mit einem Durchmesser von unter 25 mm und einer Länge von weniger als 60 mm.

Feinfühlig bis fest zupacken

Der Wirkungsgrad der Motoren ist oft ein wichtiges Kriterium, besonders bei batteriebetriebenen Geräten, wie beispielsweise beim Entschärfungsroboter Teodor des Spezialisten für Fernhantierungstechnik Telerob. Der auf Gleisketten geländegängige mobile Roboter wird kabellos über Funk gesteuert. Seine Greifer kann er um 360° schwenken und von sehr feinfühlig bis fest zupacken. Antriebe mit hohem Wirkungsgrad sorgen für eine lange Einsatzdauer. Die vielseitigen Anforderungen an den Antrieb des Greifers wurden durch den Einsatz von DC-Glockenankermotoren mit Planetengetriebe, Impulsgeber und Haltebremse gelöst. Die kompakte Antriebseinheit passt problemlos in den oberen Bereich des Manipulatorarmes. Die integrierte Haltebremse sichert auch bei Stromausfall die letzte Position. Bei Wartung oder Beschädigungen ist die kompakte Einheit schnell gewechselt. Der robuste DC-Bürstenmotor lässt sich einfach ansteuern oder für Aufgaben, wo ›Feedback‹ erforderlich ist, wie beispielsweise am Greifer, auch mit entsprechender Elektronik genau ausregeln.

Einheit aus DC-Kleinmotoren und angepassten Getrieben

Kompakte Antriebseinheiten aus DC-Kleinmotoren und angepassten Getrieben sind für vielfältige Antriebsaufgaben ideal. Sie sind robust, zuverlässig und preiswert. Für alle beschriebenen Anwendungen fanden sich im Standardprogramm des Kleinmotorenspezialisten Faulhaber die passenden Komponenten. Sein Motoren- und Getriebeprogramm ist so aufgebaut, dass der Anwender praktisch im Baukastensystem die Komponenten für seinen Antrieb zusammenstellen kann. Das Angebot umfasst von Mikroantrieben mit nur 1,9 mm Außendurchmesser, DC-Kleinmotoren, Präzisionsgetrieben über Servokomponenten bis hin zu Steuerungen eine Vielzahl von kombinierbaren Einzelkomponenten. Unabhängig von den Umgebungsbedingungen sorgen die kleinen Kraftprotze in vielen Bereichen für Bewegung.

Nora Homburg

Dietrich Homburg

Erschienen in Ausgabe: 08/2005