Harmonic-Drehantrieb: Integrierter Treiber oder externer Treiber – welche Lösung ist für Ihre Anwendung geeignet?

Einleitung

In Robotergelenken, der Präzisionsautomatisierung, Halbleiteranlagen, CNC-Drehachsen und hochpräzisen Positioniersystemen entwickelt sich der harmonische Drehantrieb zunehmend zu einer integrierten Lösung für Drehbewegungen.

Im Vergleich zur herkömmlichen Kombination aus Servomotor, Harmonic-Drive-Getriebe und externem Antrieb kann ein harmonischer Drehantrieb Funktionen wie Motor, harmonische Kraftübertragung, Encoder, Lager und Motortreiber in einer kompakteren Bewegungseinheit integrieren. Dadurch lassen sich sowohl die mechanische als auch die elektrische Systemauslegung vereinfachen.

Bei der Auswahl eines harmonischen Drehantriebs stehen Ingenieure jedoch häufig vor einer weiteren wichtigen Entscheidung: Soll der Drehantrieb einen integrierten oder einen externen Treiber verwenden?

Dabei geht es nicht einfach darum, welche Konfiguration eine bessere Leistung bietet. Die beiden Konfigurationen sind für unterschiedliche Systemarchitekturen ausgelegt. Die richtige Wahl hängt von Faktoren wie Einbauraum, Verkabelung, Wärmemanagement, Steuerungsarchitektur, Wartungsanforderungen und der konkreten Anwendung ab.

Zwei Antriebskonfigurationen für harmonische Drehantriebe

Harmonische Drehantriebe lassen sich anhand der Position des Motortreibers im Allgemeinen in zwei Konfigurationen unterteilen: integrierter Treiber und externer Treiber.

Harmonischer Drehantrieb mit integriertem Treiber

Bei einer Konfiguration mit integriertem Treiber ist der Motortreiber direkt in den Drehantrieb integriert.

Dadurch können Motor, harmonische Kraftübertragung, Encoder und Treiber in einer kompakten Einheit zusammengefasst werden, wodurch eine hochintegrierte Lösung für Drehbewegungen entsteht.

Diese Konfiguration eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Einbauraum, Verkabelung und die ganzheitliche Systemintegration entscheidend sind.

Typische Anwendungen sind Robotergelenke für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, kompakte Roboterarme, platzbeschränkte Robotergelenke und kompakte Automatisierungsanlagen.

Für Roboterhersteller besteht der Hauptvorteil nicht lediglich im Wegfall eines separaten Treibers. Wichtiger ist, dass ein hochintegrierter Drehantrieb die mechanische und elektrische Auslegung des gesamten Gelenkmoduls vereinfachen kann.

Harmonischer Drehantrieb mit externem Treiber

Bei einer Konfiguration mit externem Treiber wird der Treiber separat vom Drehantrieb installiert.

Der Drehantrieb konzentriert sich auf das mechanische Bewegungssystem und die Positionsrückführung, während sich der Motortreiber an einer anderen Stelle in der Maschine oder im Schaltschrank befindet.

Diese Konfiguration bietet eine größere Flexibilität bei der Systemanordnung und der elektrischen Architektur.

Bei mehrachsigen Automatisierungsanlagen können mehrere Treiber gemeinsam in einem Schaltschrank oder elektrischen Gehäuse installiert werden, anstatt die Antriebselektronik in jedem mechanischen Drehantrieb unterzubringen.

Diese Konfiguration eignet sich besonders für CNC-Drehtische, Halbleiteranlagen, Präzisionspositioniersysteme, mehrachsige Automatisierungssysteme und Industrieroboter.

Warum ist die Position des Treibers für die Systemauslegung wichtig?

Bei einem herkömmlichen Motor kann die Position des Treibers zunächst hauptsächlich als eine Frage der elektrischen Auslegung erscheinen.

Bei einem harmonischen Drehantrieb kann die Integration des Treibers jedoch direkt die Gesamtabmessungen des Gelenks, die Verkabelungsanordnung, das Wärmemanagement und die Systemarchitektur beeinflussen.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl des Drehantriebs nicht ausschließlich auf dem Nenndrehmoment basieren.

Ingenieure sollten außerdem Einbauraum, Kabelführung, Kühlung des Treibers, Steuerungsarchitektur, Mehrachsensynchronisation, Wartungsanforderungen, Umgebungstemperatur, Betriebslast, Arbeitszyklus und Abmessungen des Drehantriebs berücksichtigen.

Daher kann derselbe harmonische Drehantrieb je nach Anlage, in der er installiert wird, eine unterschiedliche Treiberkonfiguration erfordern.

Wann ist ein integrierter Treiber die bessere Wahl?

Begrenzter Platz im Robotergelenk

Humanoide Roboter, kollaborative Roboter und kompakte Roboterarme verfügen typischerweise über sehr wenig Platz innerhalb ihrer Gelenke.

Bei einer herkömmlichen Konfiguration muss das System nicht nur Motor und harmonische Kraftübertragung, sondern auch den externen Treiber und die zugehörigen elektrischen Anschlüsse aufnehmen.

Ein harmonischer Drehantrieb mit integriertem Treiber kann mehr Funktionen in das Gelenkmodul selbst integrieren und dadurch den erforderlichen Gesamteinbauraum reduzieren.

Dies ist besonders für humanoide Roboter wichtig, bei denen jedes Gelenk Drehmoment, Geschwindigkeit, Größe, Gewicht und Verkabelungskomplexität ausbalancieren muss.

Komplexe interne Roboterverkabelung

Roboter können eine große Anzahl unabhängig gesteuerter Gelenke enthalten.

Mit zunehmender Anzahl der Freiheitsgrade kann die Verwaltung der Motor-, Encoder- und Treiberanschlüsse immer komplizierter werden.

Die Integration des Treibers in den Drehantrieb kann die elektrische Architektur jedes Gelenks vereinfachen und die Menge der Verkabelung reduzieren, die durch die Roboterstruktur geführt werden muss.

Dies kann besonders für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, sechsachsige Roboterarme und andere Systeme mit mehreren Gelenken von Vorteil sein.

Hoher Integrationsgrad des Gelenks

Wenn ein Roboterhersteller ein relativ vollständiges Robotergelenkmodul verwenden möchte, anstatt Motor, Harmonic-Drive-Getriebe, Treiber und Encoder separat zu integrieren, kann eine Konfiguration mit integriertem Treiber eine effektive Lösung darstellen.

Ein höherer Integrationsgrad kann den Aufwand für die Systemintegration reduzieren und möglicherweise den Entwicklungszyklus für Robotergelenke verkürzen.

Wann ist ein externer Treiber die bessere Wahl?

Zentralisierte Steuerungsarchitektur

Industrielle Automatisierungsanlagen verwenden häufig einen zentralen Schaltschrank, in dem mehrere Servoantriebe gemeinsam installiert sind.

Beispielsweise kann eine mehrachsige Maschine über mehrere Drehachsen verfügen, die von unabhängigen, im selben Schaltschrank angeordneten Antrieben gesteuert werden.

In einer solchen Architektur lässt sich ein harmonischer Drehantrieb mit externem Treiber leichter in das bestehende Automatisierungssystem integrieren.

Höhere Anforderungen an das Wärmemanagement

Motortreiber erzeugen während des Betriebs Wärme.

Wenn der Treiber in den Drehantrieb integriert ist, muss das System die kombinierte thermische Belastung berücksichtigen, die sowohl vom Motor als auch vom Treiber erzeugt wird.

Bei einem externen Treiber kann die Antriebselektronik in einem größeren Gehäuse oder in einer speziell gekühlten Umgebung installiert werden, was mehr Flexibilität beim Wärmemanagement bietet.

Dies kann für Anlagen vorteilhaft sein, die kontinuierlich betrieben werden, hohe Lasten bewältigen, häufig beschleunigen und abbremsen oder mehrere Achsen enthalten.

Flexible elektrische Wartung

Ein extern montierter Treiber kann unabhängig vom mechanischen Drehantrieb überprüft, gewartet oder ausgetauscht werden.

Bei großen industriellen Automatisierungssystemen kann diese modulare Architektur die Wartung und Fehlersuche erleichtern.

Ein höherer Integrationsgrad bedeutet daher nicht zwangsläufig, dass ein integrierter Treiber immer die bessere Lösung ist.

Bei Industrieanlagen können die Wartungszugänglichkeit, die Anordnung im Schaltschrank und die Standardisierung des elektrischen Systems ebenso wichtig sein.

Integrierter Treiber vs. externer Treiber: Wie sollte die Auswahl erfolgen?

Die Auswahl sollte auf der Gesamtarchitektur des Systems und nicht ausschließlich auf dem Drehantrieb selbst basieren.

Anwendung oder Konstruktionsanforderung Empfohlene Konfiguration

Es gibt keine einzelne Konfiguration, die für jede Anwendung ideal ist.

Die geeignetere Wahl sollte anhand der mechanischen Struktur, der elektrischen Architektur, der thermischen Bedingungen und der Bewegungsanforderungen der vollständigen Maschine getroffen werden.

Welche Parameter sollten bei der Auswahl eines harmonischen Drehantriebs berücksichtigt werden?

Ausgangsdrehmoment und Ausgangsdrehzahl

Das Nenndrehmoment ist häufig die erste Spezifikation, die Ingenieure betrachten. Es sollte jedoch stets gemeinsam mit der Ausgangsdrehzahl bewertet werden.

Robotergelenke müssen typischerweise Drehmoment und dynamisches Ansprechverhalten ausbalancieren, während Hochgeschwindigkeits-Drehachsen möglicherweise größeren Wert auf einen kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb legen.

Der Drehantrieb sollte daher entsprechend dem tatsächlichen Lastprofil und nicht allein anhand des maximalen Drehmoments ausgewählt werden.

Übersetzungsverhältnis

Das Übersetzungsverhältnis beeinflusst Ausgangsdrehmoment, Ausgangsdrehzahl, Betriebsbedingungen des Motors und dynamisches Ansprechverhalten.

Es sollte daher entsprechend dem erforderlichen Betriebspunkt des Motors und der mechanischen Last ausgewählt werden.

Lastträgheit

Bei Robotergelenken und Hochgeschwindigkeits-Positioniersystemen beeinflusst die Lastträgheit direkt das während der Beschleunigung und Verzögerung erforderliche Drehmoment.

Aus diesem Grund kann die Lastträgheit bei der Auswahl eines Drehantriebs ebenso wichtig sein wie das Nenndrehmoment.

Encoder-Konfiguration

Für eine hochpräzise Positionsregelung sollten Ingenieure je nach Anwendungsanforderungen die Encoderauflösung, eine Single-Turn- oder Multi-Turn-Rückführung sowie die Rückführung auf Motor- und Ausgangsseite berücksichtigen.

Die Encoder-Konfiguration sollte gemeinsam mit der erforderlichen Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit, Steuerungsarchitektur und den Sicherheitsanforderungen bewertet werden.

Arbeitszyklus und thermische Bedingungen

Die thermische Belastung eines Drehantriebs kann sich bei kontinuierlichem Betrieb deutlich von der Belastung bei kurzzeitiger Spitzenleistung unterscheiden.

Bei der tatsächlichen Auswahl sollten daher Arbeitszyklus, Dauerbetriebsdrehmoment, Spitzendrehmoment, Betriebsgeschwindigkeit und Umgebungstemperatur gemeinsam berücksichtigt werden.

Dies ist besonders für kompakte integrierte Drehantriebe wichtig, da sich Motor und Treiber möglicherweise denselben begrenzten Einbauraum teilen.

Wie wählt man die richtige Antriebskonfiguration für verschiedene Anwendungen?

Humanoide Roboter und kompakte Robotergelenke

Bei humanoiden Robotern und kompakten Robotergelenken sind Einbauraum und Verkabelung häufig wesentliche konstruktive Einschränkungen.

Ein harmonischer Drehantrieb mit integriertem Treiber kann eine hochintegrierte Gelenklösung bereitstellen und dazu beitragen, den für externe Antriebselektronik erforderlichen Platz zu reduzieren.

Kollaborative Roboter und Roboterarme

Kollaborative Roboter und kompakte Roboterarme erfordern eine Kombination aus hoher Drehmomentdichte, präziser Positionierung, kompakten Abmessungen und effizienter Systemintegration.

Eine Konfiguration mit integriertem Treiber kann besonders attraktiv sein, wenn der Drehantrieb direkt in ein kompaktes Gelenkmodul integriert werden muss.

CNC-Drehtische

CNC-Drehtische arbeiten häufig als Teil einer zentralisierten Maschinensteuerungsarchitektur.

Bei diesen Anwendungen kann ein externer Treiber größere Flexibilität bei der Integration in den Schaltschrank, beim Wärmemanagement und bei der elektrischen Wartung bieten.

Halbleiterfertigungsanlagen

Halbleiteranlagen erfordern typischerweise eine hohe Positioniergenauigkeit, einen stabilen Betrieb, eine kompakte mechanische Konstruktion und kontrollierte thermische Bedingungen.

Die Entscheidung zwischen einem integrierten und einem externen Treiber sollte daher auf Grundlage des verfügbaren Einbauraums, der Steuerungsarchitektur, des Betriebszyklus und der thermischen Anforderungen der Anlage getroffen werden.

Mehrachsige Automatisierungssysteme

Bei mehrachsigen Maschinen gewinnt die elektrische Architektur mit zunehmender Anzahl der Drehantriebe immer mehr an Bedeutung.

Eine Konfiguration mit externem Treiber kann vorteilhaft sein, wenn mehrere Antriebe zentral innerhalb eines gemeinsamen Steuerungssystems angeordnet und verwaltet werden müssen.

Warum ist eine anwendungsbasierte Auswahl wichtig?

Ein praxisorientierter Auswahlprozess für harmonische Drehantriebe sollte mit den Anforderungen der Anwendung beginnen.

Zunächst sollten Ingenieure die mechanischen Anforderungen definieren, einschließlich Last, Geschwindigkeit, Drehmoment, Trägheit, Betriebszyklus und Einbaubeschränkungen. Anschließend kann die geeignete Antriebskonfiguration entsprechend der elektrischen Architektur und den thermischen Bedingungen der Maschine ausgewählt werden.

Erst nachdem diese Faktoren festgelegt wurden, sollten die Größe des Drehantriebs, die Encoder-Konfiguration, die Kommunikationsschnittstelle und weitere Spezifikationen finalisiert werden.

Das Ziel besteht nicht einfach darin, einen harmonischen Drehantrieb mit dem höchsten Nenndrehmoment auszuwählen.

Für kompakte Robotergelenke kann ein integrierter Treiber Vorteile hinsichtlich Integration, Verkabelung und Raumnutzung bieten.

Für Industrieanlagen mit zentralisierten Steuerungssystemen kann ein externer Treiber mehr Flexibilität bei der elektrischen Integration, Kühlung und Wartung bieten.

Lösungen für harmonische Drehantriebe von HONPINE

HONPINE bietet zwei Konfigurationen harmonischer Drehantriebe für unterschiedliche mechanische und elektrische Systemanforderungen: harmonische Drehantriebe mit integrierten Treibern und harmonische Drehantriebe mit externen Treibern.

Die beiden Konfigurationen ermöglichen es Anlagenentwicklern, die Architektur des Drehantriebs entsprechend den Anforderungen der vollständigen Maschine auszuwählen, anstatt auf eine einzige Antriebskonfiguration beschränkt zu sein.

Für Roboter und hochintegrierte Bewegungsmodule kann eine Konfiguration mit integriertem Treiber dazu beitragen, den Einbauraum zu reduzieren und die Verkabelung zu vereinfachen.

Für CNC-Systeme, Halbleiteranlagen, mehrachsige Automatisierungssysteme und Maschinen mit zentralisierten Steuerungsarchitekturen kann eine Konfiguration mit externem Treiber mehr Flexibilität bei der elektrischen Integration und beim Wärmemanagement bieten.

Letztendlich geht es nicht darum zu bestimmen, ob ein integrierter oder ein externer Treiber grundsätzlich besser ist. Die richtige Wahl ist die Konfiguration, die am besten zur mechanischen Struktur, zur elektrischen Architektur, zu den thermischen Bedingungen und zu den Bewegungsanforderungen der jeweiligen Anwendung passt.