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Servoverstärker

Zu jedem Motor gehört ein Servoverstärker. Dies sind heute hochintelligente, prozessgesteuerte Systeme mit einem großen Funktionsumfang. Primäre Aufgabe der Verstärker ist hierbei die rotorabhängige Bestromung der Motorwicklungen. Dieser Stromregler arbeitet typischerweise mit Regelfrequenzen um 1 KHz. Darauf aufbauend wirken weitere Regelkreise (Drehzahlregler und Lageregler).

Die Intelligenz dieser Servoverstärker geht hierbei so weit, dass die übergeordnete Robotersteuerung dem Servoverstärker nur noch die Zielposition und ggf. die gewünschte Geschwindigkeit übergibt und danach die gesamte Berechnung bzw. Bewegung der Achse vom Verstärker koordiniert wird. Dieser Funktionsumfang wird von den meisten Roboterherstellern aber nicht genutzt, da diese die Motoren, bzw. die Roboterachsen gerne zu jedem Zeitpunkt unter der direkten Kontrolle der übergeordneten Robotersteuerung haben möchten.

Hier kommt die notwendige Schnittstelle der Servoverstärker zur übergeordneten Steuerung ins Spiel.

Die klassische Anbindung der Robotersteuerung an die Servorverstärker ist die ± 10 Technik. Hierbei bedeuten 0 Volt an dem zugehörigen Eingang des Servoumrichters Motorstillstand und 10 Volt volle Drehzahl in die jeweilige Richtung je nach positivem oder negativem Signal.

Die Position der Achse wird von der übergeordneten Steuerung direkt vom Inkrementalgeber des Motors erfasst oder – bei Resolversystemen – stellen die Servoumrichter einen Inkrementalgeberausgang zur Verfügung.
Moderne Systeme greifen immer häufiger auf die Bustechnologie zurück.

Zu nennen sind hier als die wichtigsten Vertreter dieser Klasse der Profibus, der Interbus und der Can-Bus. Dies bedeutet, dass im Extremfall alle Informationen über wenige, bzw. zwei Adern übertragen werden. Die übergeordnete Steuerung teilt dem jeweiligen Antrieb die geforderten Werte für Position, Drehzahl, Moment, Schaltzustände der Ausgänge usw. mit und der Antrieb meldet z.B. zyklisch im 5 ms Takt die Position, den Zustand der Eingänge sowie weitere Systemzustände zur Robotersteuerung. Interessant ist hierbei besonders, dass der Servoverstärker auch eigene Probleme an die übergeordnete Steuerung senden kann.

Dies bedeutet, dass die Fehlermeldungen so weit gehen, dass der Anwender eine Klartextmeldung wie z.B. „Kabelbruch am Resolverkabel Achse 2“ bekommen kann. Zusammenfassend bieten diese Systeme bei geringem Verdrahtungsaufwand und somit weniger Störanfälligkeit mehr und bessere Informationen für den Anlagenbetreiber als dies zuvor möglich war.

Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass dem Servoumrichter natürlich noch Energie (400 Volt / 24 Volt) zugeführt werden muss. Hier sind am Gerät also weitere Klemmen zu belegen, auf die in diesem Zusammenhang nicht weiter eingegangen wird.

An dieser Stelle sei noch zusätzlich erwähnt, dass sich seit einiger Zeit Hersteller entschlossen haben, Motor und Umrichter zu verheiraten. Es handelt sich hierbei um Servomotoren mit direkt angebauten Verstärkermodulen. Der Platz im Schaltschrank fällt hierbei weg, aber der Bauraum für den Motor in der Maschine steigt. Diese Art der Antriebe sind im Bereich der Industrieroboter aktuell nur selten zu finden.

 

Antriebseinheiten

Allgemein üblich ist heute der Einsatz von Drehstromservomotoren für den Antrieb moderner Industrieroboter.

Diese Motoren sind heutzutage überwiegend mit einem Resolver ausgestattet. Der Resolver liefert bei drehender Achse zwei versetzte sinusförmige Signale. Er ist mechanisch mit der Motorachse fest verbunden und befindet sich mit im Gehäuse des Motors. Die Resolvertechnik erlaubt die Erfassung der Rotorlage des Motors sowie die spätere Erzeugung eines laufenden Zählimpulses, der genutzt wird, um die Position der zugehörigen Roboterachse und somit des gesamten Roboters zu erfassen.

Noch vor einigen Jahren waren die Motoren mit zwei separaten Erfassungssystemen für Rotorlage und inkrementale Positionserfassung ausgestattet. Diese waren huckepack auf den Antrieben montiert und mussten mit jeweils separaten Kabeln angeschlossen werden. Dies bedeutet, dass von den Motoren dieser Generation neben dem Leistungskabel noch zwei weitere Kabel zur Steuerung verlegt werden mussten
Standardmäßig werden die heutigen Motoren mit zwei Kabeln (Leistungskabel und Resolverkabel) mit dem jeweils zugehörigen Servoverstärker verbunden.

Der Vollständigkeit halber soll hier aber auch erwähnt werden, dass einige Hersteller Systeme anbieten, bei denen nur ein Kabel vom Servoumrichter zum Motor führt. Diese Kabel beinhalten sowohl die Adern für die Leistungszuführung sowie in gut geschirmter Ausführung die Adern, welche die Signale für Rotorlage und/oder Position rückführen. Auch gibt es die Möglichkeit, anstelle der Resolver Absolutwertgeber einzusetzen, die über mehrere Umdrehungen hinweg ein eindeutiges Positionssignal liefern können. Die relativ teuren Absolutwertgeber haben den Vorteil, dass der Roboter nach dem Einschalten nicht mehr referenziert werden muss.