Wie wählt man Roboter-Gelenkmodule aus und verwendet sie?

Hallo, ich bin Theodore Li, technischer Direktor bei HONPINE. In diesem Artikel erläutere ich anhand der HONPINE-Serien HPJM harmonischer Gelenkmodule, wie Sie robotische Gelenkmodule auswählen und in Betrieb nehmen – von der mechanischen Montage über die elektrische Verdrahtung und Kommunikationskonfiguration bis zur Steuerungseinrichtung.

Ein robotisches Gelenkmodul vereint Antriebselektronik, Untersetzungsmechanismus, Encoder und Bremse in einer kompakten zylindrischen Baugruppe. Der Erhalt des Moduls bedeutet jedoch nicht, dass Ihr Roboter sofort einsatzbereit ist. Eine falsche Auswahl kann eine Neugestaltung der Verdrahtungs- und Kommunikationsarchitektur erforderlich machen, während unsachgemäße Anschlüsse bei der Inbetriebnahme Kommunikationsfehler und wiederholte Alarme verursachen können.

Die Implementierung verzögert sich häufig, weil ein klarer Prozess fehlt, der die Produktauswahl mit dem erfolgreichen Betrieb verbindet. Wenn Ingenieure den gesamten Ablauf verstehen, können sie unnötige Änderungen vermeiden und ihre Systeme effizienter in Betrieb nehmen.

1. So wählen Sie ein robotisches Gelenkmodul aus: die HPJM-Serie als Beispiel

Die HONPINE-Serie HPJM deckt Außendurchmesser von 30 bis 170 mm ab. Über die gesamte Produktreihe sind Ausführungen mit einem oder zwei Encodern erhältlich. Dadurch stehen Optionen für Gelenke unterschiedlicher Größe zur Verfügung – von kompakten Gelenken in Geschicklichkeitshänden bis hin zu größeren Hüftgelenken humanoider Roboter.

Eine Entscheidung, die frühzeitig getroffen werden sollte, betrifft die Kommunikationsschnittstelle. HPJM-Module mit einem Encoder verwenden CAN-Kommunikation, während Ausführungen mit zwei Encodern CAN und EtherCAT unterstützen. Bei Handanwendungen wird je nach gewähltem Aktuator und Systemarchitektur häufig RS-485 eingesetzt.

Bei HONPINE legen wir Wert darauf, Kommunikationsbus und Stromversorgungsarchitektur festzulegen, bevor die mechanische Konstruktion abgeschlossen wird. Diese Entscheidungen wirken sich auf den Controller, die Verdrahtung und die Integrationsstrategie aus. Werden sie erst nach der Montage des Prototyps getroffen, kann dies zu unnötigen Änderungen führen.

2. Warum sind integrierte Gelenkmodule einfacher zu installieren und zu verwenden?

Ein wesentlicher Vorteil moderner leichter Gelenkmodule besteht darin, dass ein Großteil der Integrationsarbeiten bereits im Werk erledigt wird, was die Implementierung für den Kunden vereinfacht. Das harmonische Gelenkmodul HPJM vereint Servoantrieb, Encodersystem, rahmenlosen Drehmomentmotor, Bremse und Harmonic-Drive-Getriebe in einer Baugruppe.

Diese integrierte Konstruktion vereinfacht Installation und Betrieb und reduziert zugleich den routinemäßigen Wartungsaufwand. Die große Durchgangsbohrung bietet außerdem Platz für die Durchführung von Kabeln und Pneumatikschläuchen und erleichtert Ingenieuren die Anordnung der Anschlüsse im gesamten Roboter.

Bei der mechanischen Montage ist weiterhin sorgfältiges Arbeiten erforderlich. Das Modul vereinfacht zwar die Integration, die Montagegenauigkeit muss jedoch durch die umgebende Struktur gewährleistet werden. Die Montageflächen und die Ausrichtung müssen durch Ihre mechanischen Komponenten korrekt ausgeführt werden. Eine integrierte Konstruktion macht eine präzise und sichere Montage nicht überflüssig.

3. Elektrische Verdrahtung: Stromversorgung und Kommunikation

Die elektrische Verdrahtung umfasst zwei Hauptanschlüsse: Stromversorgung und Kommunikation. Bei beiden ist sorgfältiges Arbeiten erforderlich, denn ein falscher Anschluss kann den Betrieb des Moduls verhindern oder während der Inbetriebnahme Störungen verursachen.

Das HPJM-Modul verwendet einen rechteckigen Stromversorgungsstecker mit gekennzeichneten Plus- und Minuspolen. Prüfen Sie vor dem Anschluss der Stromversorgung die Polarität anhand der Anschlusszeichnung des jeweiligen Modells. Die CAN-Schnittstelle verwendet drei Anschlüsse: H für CAN High, L für CAN Low und G für Masse.

Die EtherCAT-Schnittstelle verfügt über separate IN- und OUT-Ports mit den Kommunikationssignalen Tx+, Tx−, Rx+ und Rx−. Bei der T568B-Farbkodierung entsprechen diese den Adern weiß/orange, orange, weiß/grün und grün. Beachten Sie beim Konfektionieren oder Prüfen von Kabeln stets die für das Modul angegebene Steckerbelegung.

Bei Modulen mit zwei Encodern können EtherCAT- und CAN-Schnittstellen gleichzeitig vorhanden sein. Steuerbefehle können jedoch nicht gleichzeitig über beide Schnittstellen aktiv sein. EtherCAT hat Vorrang vor CAN; daher muss die Controllerkonfiguration die vorgesehene Befehlsquelle berücksichtigen.

4. Kommunikationskonfiguration: CAN und EtherCAT

Die Kommunikation verbindet einzelne Gelenke zu einem koordinierten Robotersystem. CAN und EtherCAT haben jeweils eigene Konfigurationsanforderungen. Die Wahl sollte sich nach der Controllerplattform, der Anzahl der Gelenke und der erforderlichen Aktualisierungsrate richten.

Für die HPJM-Serie ist eine CAN-Kommunikationsrate von 1 Mbps angegeben. Bei einer Anwendung mit sieben Motoren beträgt die Kommunikationsaktualisierungsrate ungefähr 300 Hz. Jedes Modul muss eine eindeutige CAN-ID haben. Eine fortlaufende Nummerierung der IDs erleichtert die Verwaltung, Fehlersuche und Erweiterung eines Systems mit mehreren Modulen.

Die HPJM-Serie unterstützt EtherCAT-Kommunikation mit 100 Mbps und Kommunikationsaktualisierungsraten von bis zu 4 kHz. EtherCAT ist darauf ausgelegt, kurze Kommunikationszyklen über mehrere Slave-Geräte hinweg aufrechtzuerhalten. Die tatsächlich erreichbare Aktualisierungsrate sollte dennoch anhand des verwendeten Masters, der Netzwerkkonfiguration und der Anforderungen an die Prozessdaten überprüft werden.

Ein EtherCAT-System besteht aus einem Master und mehreren Slaves. Als Master kann eine Softwareplattform wie TwinCAT oder CODESYS oder eine kompatible SPS von Herstellern wie Inovance und HCFA verwendet werden. Für erste Tests bietet ein Computer mit TwinCAT oder CODESYS eine praktische Plattform, um die Kommunikation und den grundlegenden Betrieb zu überprüfen.

Verbinden Sie beim Aufbau des Netzwerks den EtherCAT-Anschluss des Masters mit dem IN-Port des ersten Slaves und anschließend dessen OUT-Port mit dem IN-Port des nächsten Slaves. Fahren Sie auf diese Weise mit den übrigen Modulen fort. Die korrekte IN-zu-OUT-Verbindungsfolge trägt dazu bei, die vorgesehene Netzwerktopologie und Slave-Identifizierung beizubehalten.

5. Steuerung und Inbetriebnahme: So wird das Gelenk in Bewegung gesetzt

Nach Abschluss der Verdrahtung und Kommunikationskonfiguration besteht der nächste Schritt darin, das Gelenk korrekt auf Ihren Controller reagieren zu lassen. Zu den verfügbaren Betriebsarten gehören Positionsregelung, Drehzahlregelung, Strom- oder Drehmomentregelung sowie hybride Kraft-Positionsregelung. Diese Betriebsarten unterstützen Anwendungen von Positionierung und Bahnverfolgung bis hin zur nachgiebigen Interaktion mit Menschen, Werkzeugen und der Umgebung.

Die Gelenkmotoren der HPJM-Serie folgen dem Rahmenwerk IEC 61800-7 und der CiA-402-Antriebszustandsmaschine. In der Praxis durchläuft die Inbetriebnahme die Zustände Initialisierung, Deaktivierung, Bereitschaft, Freigabe und Betrieb. Der Controller muss die entsprechenden Befehle für jeden Zustandsübergang ausgeben, anstatt unmittelbar nach dem Einschalten Bewegungsbefehle zu senden. Die genaue Abfolge der Zustandsübergänge und die Einstellungen des Steuerworts sind der Dokumentation des jeweiligen Moduls zu entnehmen.

HPJM-Module verfügen außerdem über Alarmcodes sowie grüne und blaue Statusanzeigen zur Unterstützung bei der Fehlersuche. Typische Probleme sind das Fehlschlagen beim Öffnen der CAN-Schnittstelle, ein Kommunikationsgerät, das bereits von einer anderen Anwendung verwendet wird, Fehler im Antriebs-Chip, Überspannung, Unterspannung und Encoderfehler. Die zugehörigen Anweisungen zur Fehlersuche erläutern, wie diese Zustände geprüft und behoben werden können.

Lesen Sie während der Inbetriebnahme das Statuswort und alle aktiven Fehlerinformationen aus, bevor Sie Bewegungsbefehle senden. So lässt sich das tatsächliche Problem erkennen und unnötiges Ausprobieren vermeiden.

6. Wie HONPINE Kunden hilft, Auswahlfehler zu vermeiden

HONPINE bietet mehrere Serien robotischer Gelenkmodule für unterschiedliche Anwendungsanforderungen. Unsere harmonischen Gelenkmodule umfassen die Serien HPJM, TCHL und HAG, während unsere planetengetriebenen Gelenkmodule die Serien JRM und HPA umfassen. Zu Beginn des Auswahlprozesses bewerten wir das Budget und die Betriebsbedingungen des Kunden, um eine geeignete Konfiguration zu empfehlen.

Die erfolgreiche Implementierung eines robotischen Gelenkmoduls umfasst fünf aufeinander abgestimmte Schritte: die Auswahl der richtigen Spezifikationen, die präzise und sichere Montage des Moduls, die elektrische Verdrahtung, die Konfiguration des Kommunikationsnetzwerks und die Inbetriebnahme gemäß der Antriebszustandsmaschine. Jeder Schritt trägt zu einem zuverlässigen Betrieb bei, und früh getroffene Entscheidungen wirken sich auf die nachfolgenden Arbeiten aus.

HONPINE bietet während der Auswahl, Prototypenentwicklung, Kleinserienfertigung und Serienauslieferung individuelle technische Unterstützung. Teilen Sie uns Ihre Anforderungen an die Gelenkbelastung, Ihre Controllerplattform und Ihren Produktionszeitplan mit. Wir unterstützen Sie bei der Auswahl eines robotischen Gelenkmoduls, das für Ihre Anwendung geeignet ist.