TU Chemnitz - MoLeiRo:

Für die Funktion moderner Industrierobotern wird eine Vielzahl elektrischer Antriebe benötigt. Diese Antriebe müssen mit hoher Präzision lagegeregelt betrieben werden, wobei die Sollwerte für Drehwinkel, Drehmoment oder Winkellage von der übergeordneten Prozessleittechnik vorgegeben werden. Hierbei ist eine Vielzahl von Zwanglaufbedingungen einzuhalten, um die technologisch erforderlichen Bewegungsabläufe zu realisieren. Es lassen sich folgende Anforderungen an die elektrischen Antriebe ableiten:

Eine kleinstmögliche Baugröße des Antriebes lässt sich durch eine Funktionsintegration wesentlicher Komponenten des elektromagnetischen Aktuators und der mechanischen Roboterkonstruktion (z.B. Roboterarm) realisieren. Beispielsweise können Teile der magnetischen Rückschlüsse von Ständer und Läufer zugleich Konstruktionselemente des Roboterarmes sein. Auf diese Weise lassen sich Bauvolumen und Masse der Gesamtkonstruktion vermindern. Dies führt zu kleineren Massenträgheitsmomenten an der Motorwelle und damit zu einer Verbesserung der Dynamik des Antriebes.

 

Des Weiteren eröffnen sich durch neue, unkonventionelle Bauformen der elektro-magnetischen Baugruppen neue Möglichkeiten der Integration in den Roboter. Dies trifft sowohl auf rotierende als auch auf translatorische Direktantriebe zu. Ein Vergleich direktangetriebener Achsen und solcher mit mechanischer Getriebeübersetzung soll die wirtschaftlichsten Einsatzbereiche einer jeden Auslegungsvariante abgrenzen. Dieser Vergleich muss hinsichtlich

durchgeführt werden.

 

Durch eine wesentliche Erhöhung der Drehmoment- bzw. Kraftdichte kann die Baugröße des Aktuators vermindert und gleichzeitig das Drehmoment bzw. die Leistung der Antriebe erhöht werden. Hierzu wird der Einfluss neuester Werkstoffe und Fertigungstechnologien auf den Entwurf des elektromagnetischen Energiewandlers untersucht.

Unter Auswertung aktueller Trends im Elektromaschinenbau sind daher neben Linearmaschinen auch Axialflussmaschinen in Homopolar- und Heteropolarausführung zu betrachten. Als aussichtsreichste Wirkprinzipien kommen synchrone bzw. asynchrone Drehfeld- oder Wanderfeldmaschinen und Maschinen mit permanentmagnetischer Erregung in Betracht.

 

Besondere Beachtung bei den Untersuchungen müssen kobaltlegierte Elektrobleche, nanokristalline weichmagnetische Werkstoffe sowie neueste Permanentmagnetwerkstoffe mit höchsten Remanenzinduktionen und Koerzitivfeldstärken finden.

 

Schließlich sind neue kostensparende Fertigungstechnologien, wie z.B. Wicklungen in Zahnspulenausführung zu bewerten. Hierbei ist der Einfluss der Oberwellen im Luftspaltfeld auf die Drehmomentpendelungen des Antriebes abzuschätzen. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Präzisionsanlagen notwendig.

 

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Vermeidung von Rastmomenten- bzw. Rastkräften. Es ist aber auch denkbar, diese Rastkräfte bei einfachen Applikationen gezielt auszunutzen, z.B. wenn der Roboterarm in einer oder mehreren Vorzugsstellungen verweilen soll und in diesen Positionen starke Kräfte auf den Arm einwirken.

 

Selbstverständlich werden bei den meisten Roboteranwendungen geregelte, stromrichtergespeiste Drehstromantriebe zum Einsatz kommen. Die neu zu entwickelnden elektrischen Maschinen müssen daher kompatibel zu industriell verfügbarer Stromrichter-Hardware sein.

 

Die Sensorik eines Roboterantriebes muss einerseits sehr robust und kostengünstig, andererseits aber eine hohe Messgenauigkeit und Messauflösung besitzen. Zudem soll sie einfach in den Aktuator integriert werden können und sehr störsicher gegenüber elektromagnetischen Beeinflussungen sein.

Besonders bei kleinen Antrieben fallen die Baugröße und die Kosten der Sensorik, wie z.B. Resolver oder inkrementelle Geber stark ins Gewicht. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn hohe Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit bzw. der Messauflösung vorliegen. In diesem Zusammenhang werden die derzeitigen Möglichkeiten und Grenzen von sensorlosen Regelungen untersucht. Hierbei ist von Interesse, welche maximalen Drehmoment-, Drehzahl- und Drehwinkelgenauigkeiten erreichbar sind.

Ansprechpartner:

Raum:    2/W452

Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe
Prof. Dr.-Ing. Ralf Werner