Direktantrieb-Servomotor für präzises Handling: Warum spielfreie Fertigung hochpräzise Pick-and-Place-Anwendungen ermöglicht

TL;DR

Pick-and-Place-Automatisierungssysteme in der Elektronikmontage, der pharmazeutischen Verpackung und der Präzisionsmaterialhandhabung erfordern eine Positioniergenauigkeit von 10–50 Mikrometern bei Taktraten von 60–120 Picks pro Minute. Herkömmliche Getriebeservomotoren verursachen Spiel im Kraftübertragungsweg – typischerweise 3–10 Bogenminuten bei Planetengetrieben und 1–3 Bogenminuten bei Harmonic-Drive-Getrieben –, was die erreichbare Positioniergenauigkeit begrenzt und Positionsunsicherheiten erzeugt, die durch Softwarekorrekturroutinen kompensiert werden müssen. Direktantrieb-ServomotorDirektantriebe eliminieren das Getriebe vollständig, indem sie den Motorrotor direkt mit der Lastachse koppeln und das Drehmoment über eine spielfreie Magnetfeldverbindung anstatt über mechanische Zahnräder übertragen. Dieser Artikel vergleicht die Leistung von Direktantriebs- und Getriebeservomotoren in Pick-and-Place-Anwendungen. Dabei werden Drehmomentdichte, Beschleunigungsfähigkeit, Anforderungen an die Encoderauflösung für die Positionierung im Mikrometerbereich, Aspekte des Wärmemanagements für den Dauerbetrieb mit hohen Drehzahlen sowie eine Auswahlmethode basierend auf Nutzlastmasse, Taktfrequenz und Positioniergenauigkeit berücksichtigt. Die Vergleichsdaten stammen aus der Direktantriebsmotoren-Produktlinie von Vicks Servo, die in Bestückungsautomaten für Elektronikbauteile und automatisierten pharmazeutischen Verpackungssystemen eingesetzt wird.

Das Problem des Zahnflankenspiels in Getriebeservosystemen

In einer typischen Bestückungsmaschine, ServomotorantriebDer Platzierungskopf wird über ein Getriebe angetrieben – entweder ein Planetengetriebe auf der Drehachse oder ein Harmonic Drive an den Gelenken des Gelenkarms. Das Getriebe erfüllt zwei Funktionen: die Drehmomentverstärkung zum Bewegen der Nutzlast und den Massenträgheitsausgleich zwischen Motorrotor und Last. Der Kompromiss für diese Funktionen ist das mechanische Spiel – der Abstand zwischen den Zahnrädern, der einen Totraum im Kraftübertragungsweg erzeugt, in dem sich der Motor drehen kann, ohne die Last zu bewegen.

PlanetengetriebeDie in Automatisierungsanwendungen am häufigsten verwendeten Werkzeuge weisen ein typisches Spiel von 3–10 Bogenminuten (0,05–0,17 Grad) bei einstufigen und 8–15 Bogenminuten bei zweistufigen Ausführungen auf. Am Endeffektor eines Bestückungsarms mit einem Radius von 300 mm entspricht ein Spiel von 5 Bogenminuten einer Positionsunsicherheit von ca. 0,4 mm im Werkzeugmittelpunkt. Dies gilt insbesondere für Bestückungsanwendungen mit elektronischen Bauteilen mit einem Rastermaß von 0,4–1,0 mm.AnschlussabstandDieser Rückstoß ist zu groß, um ohne langsame Einstellvorgänge oder eine auf Bildverarbeitung basierende Positionskorrektur eine zuverlässige Positionierung zu erreichen.

Harmonic-Drive-Getriebe reduzieren das Zahnflankenspiel auf 1–3 Bogenminuten – etwa 0,1–0,3 mm bei einem Radius von 300 mm –, allerdings zu deutlich höheren Kosten und mit einem geringeren mechanischen Wirkungsgrad (60–75 Prozent im Vergleich zu 85–95 Prozent bei anderen Getrieben). PlanetengetriebeDer Harmonic Drive führt außerdem zu Torsionssteifigkeit (Verdrehung), die unter wechselnden Lastbedingungen zusätzliche Positionierfehler verursacht. Beide Getriebetypen erfordern regelmäßige Schmierung und Dichtungswechsel, was den Wartungsaufwand im Dauerbetrieb erhöht.

Das Problem des Getriebespiels lässt sich weder durch Servo-Tuning noch durch eine höhere Encoder-Auflösung beheben. Ein hochauflösender Encoder an der Motorwelle – 20 Bit oder höher – kann die Motorwellenposition zwar auf 0,001 Grad genau bestimmen, diese Auflösung ist jedoch für die Lastpositionierung bedeutungslos, wenn das Getriebe ein Getriebespiel von 3 bis 10 Bogenminuten zwischen der Encoder-Position und der tatsächlichen Lastposition verursacht. Das Getriebespiel erzeugt eine Positions-Totzone, die … Servoregler Da sich der Motor-Encoder auf der Eingangsseite des Getriebes und nicht auf der Ausgangsseite befindet, kann der Fehler weder gemessen noch korrigiert werden. Die einzige Möglichkeit, diesen Positionierungsfehler zu beheben, besteht darin, den Encoder auf die Lastseite des Getriebes zu verlegen – oder das Getriebe durch Direktantriebstechnik komplett zu ersetzen.

Konstruktions- und Leistungsmerkmale von Direktantriebs-Servomotoren

Ein Direktantriebs-Servomotor macht das Getriebe überflüssig, da er als drehmomentstarker, langsam laufender Motor konzipiert ist, dessen Rotor direkt mit der Lastachse gekoppelt ist. Das Drehmoment des Motors wird über das Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Statorwicklungen übertragen – eine spielfreie Verbindung, die ohne die Totzone mechanischer Zahnräder unmittelbar auf Positionsbefehle reagiert. Die Positioniergenauigkeit wird lediglich durch die Auflösung des Encoders und die strukturelle Steifigkeit des Motorlagersystems begrenzt, nicht durch Getriebespiel.

Der wichtigste Leistungsparameter für Direktantriebsmotoren in Pick-and-Place-Anwendungen ist das Drehmoment-Trägheitsmoment-Verhältnis. Direktantriebsmotoren müssen ausreichend Drehmoment erzeugen, um die Last ohne die Drehmomentverstärkung eines Getriebes direkt zu beschleunigen. Ein Direktantriebsmotor für eine Nutzlast von 5 kg bei einem Radius von 300 mm – typisch für mittelgroße Pick-and-Place-Anwendungen – benötigt ein Dauerdrehmoment von 15–25 Nm und ein Spitzendrehmoment von 40–70 Nm. NmDas Rotorträgheitsmoment des Motors beträgt in diesem Drehmomentbereich typischerweise 0,005–0,020 kg·m², woraus sich eine mechanische Zeitkonstante (die Zeit bis zum Erreichen von 63 % der maximalen Drehzahl) von 5–15 Millisekunden ergibt. Diese Zeitkonstante ist vergleichbar mit oder sogar kürzer als die eines Servosystems mit Planetengetriebe, da die Getriebeträgheit und -nachgiebigkeit im dynamischen System eliminiert werden.

Die Beschleunigungsfähigkeit von Direktantriebsmotoren ist durch ihr maximales Drehmoment und die gesamte reflektierte Trägheit (Motorrotor + Last) begrenzt. Im Beispiel mit einer Nutzlast von 5 kg und einem Radius von 300 mm beträgt die reflektierte Lastträgheit etwa 0,45 kg·m². Ein Direktantriebsmotor mit einem maximalen Drehmoment von 60 Nm kann eine Winkelbeschleunigung von 125 rad/s² erreichen, was einer linearen Beschleunigung von 37,5 m/s² (3,8 g) im Werkzeugmittelpunkt entspricht. Diese Beschleunigung ist für Taktzeiten von 80–120 Werkzeugaufnahmen pro Minute in der Elektronikmontage ausreichend. Servomotoren-Produktpalette Beinhaltet Direktantriebsmodelle, die ein kontinuierliches Drehmoment von 3 Nm bis 200 Nm für verschiedene Pick-and-Place-Nutzlastgrößen abdecken.

Encoderauflösung und Positioniergenauigkeit

Bei einem Direktantriebssystem bestimmt die Encoderauflösung direkt die erreichbare Positioniergenauigkeit, da der Encoder die Lastposition direkt misst – es befindet sich kein Getriebe zwischen Encoder und Last. Für Pick-and-Place-Anwendungen, die eine Wiederholgenauigkeit von ±10 µm am Werkzeugmittelpunkt bei einem Armradius von 300 mm erfordern, berechnet sich die benötigte Winkelauflösung an der Drehachse mithilfe der Bogenlängenformel: Winkelauflösung = lineare Auflösung / Armradius. Für ±10 µm bei 300 mm ergibt sich: Winkelauflösung = 0,010 mm / 300 mm = 0,0000333 Radiant = 0,00191 Grad = ca. 6,9 Bogensekunden. Diese Winkelauflösung erfordert einen Encoder mit mindestens 360 Grad / 0,00191 Grad pro Impuls = ca. 188.335 Impulse pro Umdrehung, was einer 18-Bit-Auflösung (262.144 Impulse pro Umdrehung) mit Sicherheitsreserve entspricht.

Die Direktantriebsmotoren von Vicks Servo sind serienmäßig mit 23-Bit-Absolutwertgebern (8.388.608 Impulse pro Umdrehung) ausgestattet, die eine Winkelauflösung von 0,000043 Grad (0,15 Bogensekunden) bieten – etwa 12-mal feiner als die für eine Positionierung mit ±10 µm Genauigkeit bei 300 mm Radius erforderliche Auflösung. Im Werkzeugmittelpunkt entspricht diese Geberauflösung einer theoretischen Positionsauflösung von ca. 0,2 µm, die deutlich unter der durch Lagerspiel, Wärmeausdehnung und Nachgiebigkeit des Bestückungskopfes bedingten mechanischen Wiederholgenauigkeitsgrenze liegt. Die absolute Position des Gebers steht direkt nach dem Einschalten ohne Referenzfahrt zur Verfügung, wodurch die Anlaufzeit der Maschine in Produktionsumgebungen verkürzt wird.

Die Encoder-Rückkopplungsrate ist ein weiterer kritischer Parameter für Pick-and-Place-Anwendungen. Bei Zyklusraten von 100 Picks pro Minute und einer Bewegungs- und Stabilisierungszeit von 300 Millisekunden pro Pick muss der Servoregler die Positionsrückmeldung verarbeiten und Strombefehle mit einer Regelfrequenz von 4–8 kHz generieren, um die erforderliche Bahngenauigkeit zu gewährleisten. Unsere Direktantriebsmotoren sind mit Servoreglern kompatibel, die eine Stromregelfrequenz von 8 kHz und eine Positionsregelfrequenz von 4 kHz unterstützen. Dies bietet ausreichend Bandbreite für die für Pick-and-Place-Anwendungen typischen schnellen und kurzen Bewegungsprofile. Servoantriebs-Produktlinie ist mit der für den Direktantriebsmotorbetrieb erforderlichen Stromregelung mit hoher Bandbreite ausgestattet.

Wärmemanagement im kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb

Direktantriebsmotoren in Pick-and-Place-Anwendungen stehen vor einer thermischen Herausforderung, die bei Getriebeservosystemen nicht auftritt. In einem Getriebesystem übernimmt das Getriebe die Drehmomentverstärkung, wodurch der Motor mit höherer Drehzahl und geringerem Drehmoment als von der Last gefordert arbeiten kann. Die kleinere Baugröße des Motors führt zu einer geringeren Wärmeableitung, jedoch erzeugt der geringere Wirkungsgrad des Getriebes zusätzliche Wärme in der Untersetzungsstufe. In einem Direktantriebssystem hingegen läuft der Motor mit der Lastdrehzahl und muss das Lastdrehmoment direkt bereitstellen. Dies bedeutet, dass das Motorgehäuse größer ist und die Stromdichte in den Wicklungen bei maximalem Drehmoment höher ist.

Das Wärmemanagement in Direktantriebsmotoren wird wie folgt behandelt: drei DesignmerkmaleErstens entspricht die Isolationsklasse der Statorwicklung typischerweise Klasse H (für Dauerbetrieb bis 180 °C) oder Klasse N (für 200 °C), was eine höhere Stromdichte ohne Isolationsbeeinträchtigung ermöglicht. Zweitens verfügt das Motorgehäuse über einen integrierten Wasserkühlkanal – eine spiralförmige Nut im Statorgehäuse, durch die Kühlwasser mit 5–15 Litern pro Minute zirkuliert, um die Wärme von den Statorwicklungen abzuführen. Das Wasserkühlsystem reduziert den Wärmewiderstand des Motors im Vergleich zur natürlichen Konvektionskühlung um 40–60 Prozent und ermöglicht so ein 2- bis 3-fach höheres Dauerdrehmoment bei gleicher Gehäusegröße. Drittens sind die Permanentmagnete des Rotors für den Betrieb bis 150 °C ohne Entmagnetisierung ausgelegt – typischerweise Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) mit Hochtemperatur-Magneten.

In einer typischen Pick-and-Place-Anwendung mit 100 Zyklen pro Minute und einem Tastverhältnis von 50 % (Bewegungszeit = Ruhezeit) beträgt die Verlustleistung des Motors bei einem Direktantriebsmotor mittlerer Leistungsklasse mit einem Dauerdrehmoment von 20 Nm etwa 200–500 Watt. Bei Wasserkühlung mit 8 Litern pro Minute und einer Einlasstemperatur von 20 °C stabilisiert sich die Temperatur des Motorgehäuses bei 55–70 °C – deutlich innerhalb der Isolationsklassengrenzen. Für Anwendungen ohne Wasserkühlung muss das Dauerdrehmoment des Motors um 30–50 % reduziert und die Taktfrequenz gegebenenfalls verringert werden, um eine thermische Überlastung zu vermeiden. Für luftgekühlte Anwendungen… Direktantrieb integrierte Maschine Die Serie umfasst Modelle mit optimierten Kühlrippengehäusen für natürliche Konvektionskühlung.

Anwendungsspezifische Dimensionierungsmethodik

Die Auswahl des passenden Direktantriebs-Servomotors für eine Pick-and-Place-Anwendung erfordert die Berechnung von vier Parametern: dem erforderlichen Spitzendrehmoment, dem erforderlichen Dauerdrehmoment, der maximalen Winkelbeschleunigung und dem thermischen Tastverhältnis. Die Dimensionierung beginnt mit der Lastspezifikation: Nutzlastmasse, Armlänge (Radius von der Drehachse zum Werkzeugmittelpunkt), geforderte Platzierungsgenauigkeit und Taktfrequenz.

Das maximale Drehmoment wird maßgeblich vom Beschleunigungsdrehmoment während der Bewegungsphase des Pick-and-Place-Zyklus bestimmt. Bei einer Punkt-zu-Punkt-Bewegung mit trapezförmigem Geschwindigkeitsprofil – dem häufigsten Profil beim Pick-and-Place – berechnet sich das Beschleunigungsdrehmoment wie folgt: T_acc = (J_total × ω_peak) / t_acc. Hierbei ist J_total die gesamte reflektierte Trägheit (Lastanträgheit + Rotorträgheit des Motors), ω_peak die maximale Winkelgeschwindigkeit und t_acc die Beschleunigungszeit. Für einen typischen Pick-and-Place-Zyklus mit einem 300 mm langen Arm, einer Nutzlast von 3 kg und einer Zielzyklusrate von 80 Picks pro Minute beträgt das maximale Drehmoment ca. 40–55 Nm. Um eine Drehmomentreserve von 15–30 % für Bahnabweichungen zu gewährleisten, ist ein Direktantriebsmotor mit einem maximalen Drehmoment von 60–80 Nm erforderlich.

Das erforderliche Dauerdrehmoment wird aus dem Effektivdrehmoment über den gesamten Pick-and-Place-Zyklus berechnet, einschließlich Beschleunigungs-, Konstantgeschwindigkeits-, Verzögerungs- und Stabilisierungsphasen. Die Stabilisierungsphase – typischerweise 30–50 Millisekunden für eine Positionierung innerhalb von ±10 Mikrometern – trägt nur minimal zum durchschnittlichen Drehmoment bei, verlängert aber die Zykluszeit. Das Effektivdrehmoment für das Beispiel mit 80 Picks pro Minute beträgt ca. 12–18 Nm, was einen Motor mit einem Dauerdrehmoment von 15–25 Nm bei einer Betriebsdrehzahl von 100–300 U/min erfordert. Das Verhältnis von Spitzendrehmoment zu Dauerdrehmoment (der Drehmomentüberlastungsfaktor) liegt bei Direktantriebsmotoren typischerweise zwischen 3:1 und 5:1, verglichen mit 2:1 bis 3:1 bei Getriebemotoren. Dies ist auf die längere thermische Zeitkonstante des Direktantriebsmotors (15–30 Minuten gegenüber 5–10 Minuten bei Getriebemotoren) aufgrund der größeren Rotormasse zurückzuführen.

Für Anwendungen mit Nutzlasten über 10 kg oder Armlängen über 500 mm ist ein Direktantriebsmotor mit größerer Baugröße und höherem Drehmoment erforderlich. Alternativ kann ein Drehmomentmotor eingesetzt werden – ein Direktantriebsmotor mit großem Durchmesser und flacher Bauform, optimiert für hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl. Drehmomentmotoren liefern Dauerdrehmomente von 100–2.000 Nm bei Drehzahlen von 10–200 U/min und eignen sich für Pick-and-Place-Anwendungen mit hohen Nutzlasten, wie z. B. die Handhabung großformatiger Leiterplatten oder die Platzierung von Pharmaflaschen. Produktseite für industrielle Automatisierung beinhaltet eine Auswahlhilfe für Direktantriebs- und Drehmomentmotoranwendungen in verschiedenen Nutzlast- und Genauigkeitsbereichen.

Häufig gestellte Fragen

Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. fertigt Direktantriebs-Servomotoren, Servoantriebe und Lösungen zur Bewegungssteuerung für industrielle Automatisierung, Spritzguss und Präzisionsfertigung. Für eine Beratung zur Motorauslegung für spezifische Pick-and-Place-Anwendungen besuchen Sie unsere Website. Produktkatalog oder Seite über Servomotoren für technische Spezifikationen.