Direktantriebsmotor vs. Hohlrotationsplattform: So wählen Sie die passende Lösung für Rotationsbewegungen in Automatisierungsanlagen

In der 3C-Fertigung, bei Halbleiteranlagen, Präzisionsinspektion, Laserbearbeitung, Werkzeugmaschinen und automatisierten Montagesystemen ist die Auswahl einer Drehachse nicht einfach eine Frage der Wahl eines Motors.

Ein komplettes Rotationsbewegungssystem muss Drehmoment, Geschwindigkeit, Positioniergenauigkeit, Lastträgheit, Steifigkeit, Reaktionszeit, Kabelführung, Installationsraum und langfristige Betriebsstabilität berücksichtigen.

Deshalb stehen Geräteentwickler oft vor einer grundlegenden Frage:

Soll die Drehlast direkt von einem Direktantriebsmotor angetrieben werden oder soll eine Hohldrehplattform verwendet werden, um durch einen integrierten Präzisionsuntersetzungsmechanismus ein höheres Ausgangsdrehmoment zu erzielen?

Für einige Anwendungen können auch andere Lösungen wie harmonische Drehantriebe und Präzisionsplanetengetriebe in Betracht gezogen werden.

Der richtige Ansatz besteht nicht darin, im Voraus festzulegen, dass eine Maschine einen Direktantriebsmotor oder eine Hohldrehplattform verwenden muss. Stattdessen sollten zunächst die Anforderungen an die Drehbewegung analysiert und anschließend die geeignete mechanische Architektur ausgewählt werden.

Definieren Sie zunächst, was die Drehachse leisten soll.

Eine Drehachse mag von außen ähnlich aussehen, aber ihre tatsächliche Funktion kann je nach Maschine völlig unterschiedlich sein.

Beispielsweise erfordert ein Drehtisch in Halbleiterprüfanlagen eine extrem stabile Winkelpositionierung und Hochgeschwindigkeitsabtastung. Ein Mehrstationen-Drehtisch in einer 3C-Bestückungsanlage legt hingegen mehr Wert auf Zykluszeit, Tragfähigkeit und Wiederholgenauigkeit. Ein Laserbearbeitungssystem benötigt unter Umständen eine kontinuierliche Rotation und präzise Bahnsteuerung, während bei einer 4-Achs-Werkzeugmaschine Steifigkeit, Tragfähigkeit und Schnittfestigkeit Priorität haben.

Alle diese Systeme benötigen eine Drehbewegung, aber nicht unbedingt die gleiche Lösung.

Der erste Schritt bei der Auswahl der Drehachse sollte daher die Erstellung eines vollständigen Bewegungsprofils sein.

Der Anlagenkonstrukteur muss die Last, das Trägheitsmoment, den erforderlichen Drehwinkel, die maximale Geschwindigkeit, die Beschleunigungszeit, die Einschwingzeit und die täglichen Betriebsstunden kennen.

Sobald diese Parameter klar sind, wird die Wahl zwischen einem Direktantriebsmotor und einer Hohlrotationsplattform wesentlich aussagekräftiger.

Wenn ein hohes dynamisches Ansprechverhalten Priorität hat, bietet der Direktantriebsmotor einen klaren Vorteil.

Der grundlegende Vorteil eines Direktantriebsmotors besteht darin, dass der Motor direkt mit der Last verbunden ist.

Zwischen Motor und angetriebenem Bauteil gibt es kein Getriebe, keinen Zahnriemen und kein Zwischengetriebe.

Diese Architektur eignet sich besonders für Geräte, bei denen die Bewegungstrajektorie selbst von entscheidender Bedeutung ist.

Betrachten wir einen Drehtisch, der wiederholte Hochgeschwindigkeitsabtastungen durchführen muss:

Rotation, Verzögerung, Umkehrung und erneute Beschleunigung.

Je kürzer der mechanische Übertragungsweg, desto direkter kann das Steuerungssystem auf die Last einwirken.

Bei hochfrequenten oszillierenden Bewegungen kann ein Direktantriebsmotor den Einfluss von mechanischem Spiel, elastischer Verformung und Getriebedynamik auf die Bewegungssteuerung reduzieren.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Direktantriebsmotoren für hochdynamische Präzisionsdrehachsen in Betracht gezogen werden.

Der Wert eines Direktantriebsmotors besteht jedoch nicht allein in seiner "hohen Genauigkeit".

Wichtiger noch: Es ermöglicht dem Motor, dem Encoder und der Last, ein direkteres, geschlossenes Bewegungssteuerungssystem zu bilden.

Wenn eine Maschine kontinuierliches Scannen, Hochgeschwindigkeitsindexierung oder häufige bidirektionale Bewegungen erfordert, kann diese Architektur besonders wertvoll sein.

Wenn es auf hohe Trägheit, Steifigkeit und modulare Integration ankommt, kann eine hohle Drehplattform besser geeignet sein.

Nicht jede Drehachse erfordert extreme dynamische Leistungsfähigkeit.

Viele automatisierte Maschinen folgen einer relativ einfachen Bewegungsabfolge:

Das Werkstück fährt in die Station ein, dreht sich auf einen bestimmten Winkel, stoppt, wird montiert oder geprüft und fährt dann zur nächsten Station weiter.

Bei dieser Art von Ausrüstung könnten die tatsächlichen Anforderungen wie folgt lauten:

große Belastbarkeit, hohe Trägheit, hohe Steifigkeit, zentrale Kabelführung und kürzere Entwicklungszeit der Ausrüstung.

Eine hohle Drehplattform kann in solchen Situationen eine praktischere Lösung sein.

Eine Hohlrotationsplattform integriert typischerweise die Motorschnittstelle, den Präzisionsuntersetzungsmechanismus, das Abtriebslager und die Hohlstruktur in ein kompaktes Modul.

Anstatt das gesamte System zu entwerfen:

• Motorbefestigungsstruktur

• Reduktionsmechanismus

• Ausgangslager

• Drehstützsystem

Der Gerätehersteller kann je nach erforderlicher Last, Geschwindigkeit, Untersetzungsverhältnis und Einbaumaßen eine geeignete Plattform auswählen.

Dies ist besonders wertvoll für automatisierte Anlagen, die in großen Stückzahlen repliziert werden müssen.

Für Gerätehersteller ist die eigentliche Sorge oft nicht nur der Kaufpreis der Komponenten, sondern auch:

• Zeit für die mechanische Konstruktion

• Montagezeit

• Inbetriebnahmezeit

• endgültiger Lieferzeitpunkt der Ausrüstung.

Aus dieser Perspektive ist eine Hohlrotationsplattform im Wesentlichen eine modulare Lösung für Drehbewegungen.

Beurteilen Sie die Lösung nicht allein nach ihrer Genauigkeit.

Ein häufiger Fehler bei der Auswahl einer Drehachse ist die Annahme:

„Je höher die Genauigkeitsanforderungen, desto geeigneter muss ein Direktantriebsmotor sein.“

Das trifft nicht immer zu.

Beispielsweise muss eine 3C-Montagemaschine mit mehreren Stationen möglicherweise mehrere Positionen anfahren und an jeder Station stabil bleiben.

Die tatsächlichen Prioritäten könnten sein:

• Wiederholbarkeit

• Laststabilität

• Rotationssteifigkeit

• Zykluszeit.

Wenn eine Hohlrotationsplattform diese Anforderungen bereits erfüllen kann, gibt es möglicherweise wenig Rechtfertigung dafür, die Systemkomplexität zu erhöhen, nur um eine höhere theoretische dynamische Leistung zu erzielen.

Wenn die Maschine hingegen während einer kontinuierlichen Rotation eine hochpräzise Bewegung beibehalten muss, wie beispielsweise beim Scannen, bei der Bildverarbeitung oder bei der Laserbearbeitung, bietet die Direktantriebsarchitektur eines Direktantriebsmotors erhebliche Vorteile.

Daher sollte die Auswahlfrage wie folgt geändert werden:

„Welches Produkt ist genauer?“

Zu:

Dient die Drehachse primär der Positionierung oder der kontinuierlichen Bewegungssteuerung?

Dies sind grundverschiedene Designanforderungen.

Bei rotierenden Lasten mit hoher Massenträgheit muss das gesamte Bewegungssystem bewertet werden.

Angenommen, eine automatisierte Maschine muss einen relativ großen Drehtisch antreiben.

Der Tisch selbst mag nicht extrem schwer sein, aber da sich ein erheblicher Teil seiner Masse nicht am Drehpunkt befindet, kann sein Trägheitsmoment beträchtlich werden.

In dieser Situation reicht es nicht aus, nur das Nenndrehmoment des Motors zu betrachten.

Das System sollte anhand folgender Kriterien bewertet werden:

Lastträgheit, Beschleunigung, Beschleunigungszeit und Zielzykluszeit.

Ein Direktantriebsmotor muss das erforderliche Beschleunigungsdrehmoment direkt erzeugen, daher kann die Motorgröße mit zunehmender Lastträgheit rapide ansteigen.

Eine hohle Drehplattform kann einen Untersetzungsmechanismus nutzen, um die reflektierte Lastträgheit auf der Motorseite zu verringern und gleichzeitig das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen.

Daher sollten bei großen Drehtischen, schweren Vorrichtungen und mehrstationären Drehmechanismen Motor, Untersetzungsgetriebe, Lagersystem und Ausgabestruktur als ein integriertes System betrachtet werden.

Dies ist einer der Gründe, warum Hohldrehplattformen in vielen Automatisierungsanwendungen nach wie vor sehr wettbewerbsfähig sind.

Eine Hohlstruktur bietet mehr als nur eine praktische Kabelführung.

Die Hohlstruktur einer Drehplattform wird manchmal als sekundäres Merkmal betrachtet.

Bei Automatisierungsanlagen kann es jedoch direkten Einfluss auf die gesamte mechanische Architektur haben.

Stellen Sie sich einen Drehtisch vor, der folgende Routen bearbeiten muss:

• Stromkabel

• Encoderkabel

• pneumatische Schläuche

• Vakuumleitungen

• Sensorverdrahtung

Bei einer massiven Drehwelle müssen diese Leitungen gegebenenfalls außen herum verlegt werden.

Da sich die Plattform kontinuierlich dreht, können zusätzliche Komponenten wie Kabelträger, Drehdurchführungen oder Kabelschutzmechanismen erforderlich sein.

Eine Hohlstruktur ermöglicht es diesen Leitungen, durch die Mitte der Drehachse zu verlaufen.

Dadurch können Kabelstörungen reduziert und gleichzeitig die Geräte kompakter gestaltet werden.

Daher ist eine Hohlkonstruktion bei Mehrstationen-Drehtischen, automatisierten Montageanlagen, Prüfplattformen und Drehvorrichtungen nicht einfach nur eine weitere Spezifikation. Sie kann einen wichtigen Vorteil in der mechanischen Konstruktion darstellen.

Die richtige Lösung sollte über den gesamten Lebenszyklus der Ausrüstung hinweg evaluiert werden.

Wenn man nur den anfänglichen Kaufpreis betrachtet, mag eine Lösung günstiger erscheinen.

Für Gerätehersteller ist jedoch die Berechnung der gesamten Lebenszykluskosten aussagekräftiger.

Beispielsweise kann die Konstruktion eines rahmenlosen Direktantriebsmotors zusätzlichen Entwicklungsaufwand erfordern:

• das Lagersystem

• Rotorhalterung

• Encoder-Montagestruktur

• mechanische Ausrichtung.

Die anfänglichen Investitionen im Bereich Maschinenbau können daher höher ausfallen.

Bei Anlagen mit hohem Produktionsvolumen bietet diese Architektur jedoch möglicherweise eine ausreichende Bewegungsleistung, um den zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu rechtfertigen.

Eine hohle Drehplattform hingegen kann den mechanischen Entwicklungsaufwand erheblich reduzieren.

Ein standardisiertes Modul kann die Konstruktions-, Montage- und Inbetriebnahmezeit verkürzen.

Für einen Gerätehersteller erscheint dieser Wert möglicherweise nicht direkt im Komponentenkaufpreis. Er kann stattdessen wie folgt erscheinen:

• kürzere Entwicklungszyklen

• schnellere Lieferung

• niedrigere Entwicklungskosten.

Aus diesem Grund sollte ein echter Lösungsvergleich Folgendes berücksichtigen:

Komponentenkosten + Entwicklungskosten + Montagekosten + Inbetriebnahmekosten + Wartungskosten

anstatt einfach nur die Kaufpreise zweier Komponenten zu vergleichen.

Unterschiedliche Drehachsen können unterschiedliche Lösungen verwenden.

Eine komplexe Maschine muss nicht unbedingt für jede Achse die gleiche Rotationstechnologie verwenden.

Eine 3C-Automatisierungsmaschine kann beispielsweise Folgendes enthalten:

eine Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungsachse, eine Mehrstationen-Drehachse, eine Präzisionspositionierachse und mehrere Hilfsdrehachsen.

Diese Achsen haben völlig unterschiedliche Bewegungsanforderungen.

Eine Hochgeschwindigkeits-Scanachse kann von einem Direktantriebsmotor profitieren.

Eine Drehachse, die für den Antrieb eines Tisches mit großem Massenträgheitsmoment oder eines Mehrstationen-Teilmechanismus zuständig ist, eignet sich möglicherweise besser für eine Hohldrehplattform.

Ein robotergestütztes Drehgelenk, das in einem begrenzten Installationsraum arbeitet, benötigt möglicherweise einen Harmonic Drive Actuator oder ein Harmonic Joint Modul, um ein hohes Untersetzungsverhältnis und eine hohe Drehmomentdichte zu erreichen.

Bei Getriebeachsen, bei denen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Effizienz, Geschwindigkeit und Kosten erforderlich ist, kann ein Präzisionsplanetengetriebe in Kombination mit einem Servomotor eine weitere praktikable Option darstellen.

Dieser Ansatz entspricht eher der realen Maschinenkonstruktion.

Ziel ist es nicht, für jede Drehachse ein einziges Produkt zu verwenden, sondern für jede Achse die am besten geeignete Bewegungslösung entsprechend ihren Betriebsbedingungen auszuwählen.

Wählen Sie die Rotationslösung, indem Sie von den Maschinenanforderungen rückwärts arbeiten.

Der Auswahlprozess kann vereinfacht werden, indem man mit einigen grundlegenden Fragen beginnt.

Erstens: Benötigt das Gerät eine direkte Bewegungssteuerung oder eine Drehmomentverstärkung durch Untersetzung?

Wenn hohe Dynamik, kontinuierliches Abtasten und schnelle Reaktionszeiten entscheidend sind, sollte ein Direktantriebsmotor in Betracht gezogen werden.

Wenn ein hohes Drehmoment und eine große Tragfähigkeit wichtiger sind, ist eine Hohldrehplattform möglicherweise besser geeignet.

Zweitens, benötigt die Maschine eine zentrale Kabelführung?

Wenn pneumatische Schläuche, Kabel, Vakuumleitungen oder Sensoren durch die Drehachse geführt werden müssen, gewinnt die Hohlkonstruktion wesentlich an Bedeutung.

Drittens, weist die Drehachse eine große Lastträgheit oder eine externe Last auf?

Wenn das System signifikanten Radiallasten, Axiallasten oder Kippmomenten ausgesetzt ist, müssen die Lager- und mechanische Steifigkeit sorgfältig geprüft werden, anstatt nur das Motordrehmoment zu betrachten.

Schließlich sollten auch die eigenen Entwicklungskapazitäten und Lieferbedingungen des Geräteherstellers berücksichtigt werden.

Wenn das Entwicklungsteam eine hochgradig individualisierte Drehachse benötigt, bietet ein rahmenloser Direktantriebsmotor mehr Freiheit bei der mechanischen Integration.

Wenn es darum geht, standardisierte Ausrüstung schnell zu entwickeln, kann eine Hohldrehplattform den Aufwand für die mechanische Konstruktion und Inbetriebnahme erheblich reduzieren.

Direktantriebsmotor, hohle Drehplattform und andere Technologien können eine komplette Bewegungslösung bilden

Aus Sicht der Maschinenlösung sollten Direktantriebsmotoren und Hohldrehplattformen nicht als isolierte Produkte betrachtet werden.

Sie können andere Bewegungstechnologien ergänzen.

Bei hochdynamischen Präzisionsdrehachsen kann ein Direktantriebsmotor eine direkte Laststeuerung ermöglichen.

Für automatisierte Drehmechanismen, die eine hohe Steifigkeit, ein großes Trägheitsmoment und eine zentrale Kabelführung erfordern, kann eine Hohldrehplattform eine hochintegrierte Lösung bieten.

Für Robotergelenke, die ein hohes Untersetzungsverhältnis, eine hohe Drehmomentdichte und kompakte Abmessungen erfordern, kann ein Harmonic-Drive-Aktor oder ein Harmonic-Joint-Modul besser geeignet sein.

Für Getriebesysteme, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Effizienz, Eingangsdrehzahl, Ausgangsdrehmoment und Kosten erfordern, kann ein Präzisionsplanetengetriebe eine weitere praktische Lösung darstellen.

Zusammen bilden diese Technologien ein umfassenderes System:

Lösung für Drehbewegungen

und nicht einfach eine Zusammenstellung einzelner Komponenten.

Fazit: Es gibt keine universell beste Lösung für Drehachsen.

Direktantriebsmotoren und Hohlrotationsplattformen sollten nicht einfach als konkurrierende Produkte betrachtet werden.

Sie lösen unterschiedliche technische Probleme.

Ein Direktantriebsmotor eignet sich besonders für Drehachsen, bei denen Direktantrieb, hohe Dynamik, kontinuierliche Bewegung und präzise Bewegungssteuerung im Vordergrund stehen.

Eine hohle Drehplattform eignet sich besonders für automatisierte Anlagen, die Drehmomentverstärkung, hohe Steifigkeit, die Handhabung von Lasten mit großer Massenträgheit, zentrale Kabelführung und schnelle modulare Integration erfordern.

In komplexeren Maschinen können Direktantriebsmotoren, Hohldrehplattformen, Harmonic-Rotationsantriebe und Präzisionsplanetengetriebe alle innerhalb desselben Systems eingesetzt werden.

Die für einen Anlageningenieur relevantere Frage lautet daher nicht:

„Was ist besser, ein Direktantriebsmotor oder eine hohle Drehplattform?“

Die bessere Frage lautet:

Welches Problem soll diese Drehachse eigentlich lösen?

Sobald die Anforderungen an Last, Trägheit, Geschwindigkeit, Genauigkeit, Steifigkeit, Zykluszeit, Installationsraum und Kabelführung klar definiert sind, lässt sich die geeignete Drehlösung viel leichter finden.

Dies ist auch die Richtung, die HONPINE in seinem Produktportfolio im Bereich Antriebstechnik betonen kann: nicht einfach nur eine einzelne Antriebskomponente zu liefern, sondern den Kunden dabei zu helfen, die passende Drehantriebslösung entsprechend den tatsächlichen Betriebsbedingungen ihrer Anlagen auszuwählen.