Aandrijfsystemen – succes door interdisciplinaire benaderingen

Aandrijftechnologie is een fundamentele bouwsteen voor de werking van machines, robots en draagbare apparaten. Er is echter nog veel meer waarmee rekening moet worden gehouden dan alleen het ontwerp en de motorkeuze. Interdisciplinair denken, specifieke kennis, verreikende ervaring en een duidelijk begrip van de vereisten en kritische factoren.

Elke vorm van technologische vooruitgang moet op de toepassing gericht zijn. Op een bepaald moment moeten betere prestatiekarakteristieken of nieuwe technologieën resultaten  opleveren in de vorm van een betere kwaliteit en/of lagere kosten. Met betrekking tot aandrijftechnologie voor machines en draagbare apparaten betekent dit:

• Betere dynamica verbetert de productieve output.
• Snellere aandrijfbesturing verbetert de precisie en de productkwaliteit.
• Een efficiënter aandrijfsysteem verbetert de energie-efficiëntie van het hele systeem.

Om deze doelen te kunnen bereiken, moeten aandrijfsystemen worden geselecteerd die  bij de toepassing en de specifieke vereisten passen, waarbij rekening met de toepassingscontext moet worden gehouden.

Het grote geheel

De eerste stap die voor de specificatie en optimalisering van een aandrijfsysteem moet worden genomen, is dat aande technische en commerciële vereisten van het uiteindelijke systeem de juiste prioriteiten moeten worden verleend. Zo'n systeem kan bijvoorbeeld een machine, een robot of een draagbaar apparaat zijn. Het gebeurt snel dat het grotere geheel uit het oog wordt verloren en alle aandacht uitgaat naar overwegingen die alleen relevant zijn in iemands eigen vakgebied. In het algemeen wordt de aandrijving gekozen door ingenieurs tijdens de ontwerpfase. De prestaties, kosten en beperkingen van een aandrijvingsoplossing worden echter beïnvloed door talloze factoren alsook andere systeemcomponenten. Het is daarom van essentieel belang om van de knowhow van experts uit verschillende vakgebieden tijdens de idee- en conceptfase gebruik te maken.

Expertisepools

Een systeembenadering en interdisciplinariteit zijn twee sleutelfactoren die vanaf het conceptontwerp tot en met de massaproductie-implementatie in aanmerking moeten worden genomen. Vaak is het niet mogelijk om intern over alle competenties op hetzelfde hoge niveau te beschikken. Externe partners met veel ervaring bieden een gelegenheid voor een bredere interdisciplinaire uitwisseling van ideeën. Idealiter is de partner ook in staat om verantwoordelijkheid te nemen voor de ontwikkeling en productie van deelsystemen, om ontwikkelingsrisico’s te reduceren en de gereedheid voor de marktintroductietijd te versnellen.

maxon = aandrijfsystemen & engineering

Met meer dan 50 jaar ervaring en meer dan 2800 medewerkers wereldwijd, reikt de kennis van maxon absoluut verder dan alleen een aandrijfmotor. Met eigen ontwikkeling en productie, omvat de productportefeuille van maxon gelijkstroommotoren met en zonder borstels, overbrengingen, spindels, encoders, motorregelaars, master-controllers, en batterijbeheersystemen. maxon componenten en klantspecifieke aandrijfsystemen worden gebruikt in robotica, medische en laboratorium-engineering, industriële automatisering, de automobielindustrie, en in ruimtevaarttoepassingen van de aarde tot Mars. Bij veel projecten draait het niet alleen om de brede productportefeuille, maar ook om de interdisciplinariteit en verreikende ervaring van de maxon applicatieteams en de mogelijkheid om geheel nieuwe aandrijfoplossingen te ontwikkelen. maxon heeft experts voor motoren, overbrengingen, elektronica en besturing. Ze kennen de eisen van specifieke toepassingsgebieden en nemen al in de beginfase aan de bespreking van een idee deel. Waarom de experts in de verschillende vakgebieden zo doorslaggevend kunnen zijn voor een aandrijfsysteem wordt duidelijk als we kijken naar de individuele componenten en de factoren die ze beïnvloeden.

Bovenaan beginnen: Focus op de master

Het topniveau “intelligentie”, oftewel de master, stuurt bewegingscommando’s naar de motorregelaar en controleert procesinformatie (bijvoorbeeld koppel, toerental, positie, status).

• Hoe de taken worden gedeeld tussen de master en de motorregelaar is cruciaal belang voor de beoordeling van de vereiste prestatie en selectie van de master, de motorregelaar en de communicatie-interface.
• Als een snelle cyclische gegevensuitwisseling (bijvoorbeeld elke milliseconde) in de machines nodig is, dan is een master met een realtimebesturingssysteem (bijvoorbeeld PLC) en een snelle interface (bv. CAN, EtherCAT) vereist.
• Als complexe bewegingssequenties kunnen worden voorgeconfigureerd en autonoom worden uitgevoerd in de motorregelaar, dan is het voldoende om een pc (gangbaar in laboratoriumautomatisering) te gebruiken, of een microcontroller (zoals gebruikt in draagbare apparaten, bijvoorbeeld schroevendraaiers en boormachines uit de industriële automatisering of medische technologie).

maxon: DC/BLDC-motoren en positieregelaars.

Focus op de motorregelaar

De motorregelaar is de verbinding tussen de master en de motoren alsook de feedbackapparaten (bijvoorbeeld encoders). Controllers en de vermogenstrap worden gebruikt om stroom-, toerental- en positecommando’s om te zetten in spanningen en stromen in de motorfasen.

• Snelle controllercycli en complexe algoritmen maken nauwkeurige en dynamische aandrijfbewegingen mogelijk.
• Geavanceerde vermogenstrappen leveren de piekstromen die voor een snelle acceleratie noodzakelijk zijn. Ze hebben een hoge energie-efficiëntie. Geïntegreerde motor- en signaalfilters verbeteren de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en immuniteit tegen storing/ruis.

Focus op de encoder

Toerental- en positieregeling vereisen feedbackapparaten (oftewel encoders of lineaire schalen) om informatie over de huidige positie van de motor en/of uitgaande as terug te geven.

• De resolutie en locatie van deze encoders bepalen de theoretische precisielimieten van de positionering.

Focus op de motor

De motor zet elektrische energie om in mechanische energie, bijvoorbeeld beweging en koppel.

• DC- of BLDC-motoren met hoge overbelastingscapaciteit kunnen een compact ontwerp hebben, omdat hoge koppels beschikbaar zijn voor kortstondige dynamische versnellingsfasen.
• Motoren met een lage rotor-inertie reduceren het koppel dat nodig is om de rotor te versnellen, waardoor de energie-efficiëntie en de dynamiek toenemen.
• Hoge motorefficiëntie verbetert daardoor de algemene energie-efficiëntie en reduceert de warmteontwikkeling, wat met name bij draagbare apparaten een belangrijke factor speelt.

Focus op de overbrenging

De precisie, speling, elasticiteit en efficiëntie van de overbrenging en mechanische clusters…

• … bepalen de nauwkeurigheid van de uitgangspositionering.
• … hebben invloed op de dynamica, bijvoorbeeld de tijd waarna de doelpositie is bereikt en gestabiliseerd.
• … spelen een rol voor energie-efficiëntie.

Uitdaging: integratie

Om alle componenten in een eenheid te integreren die zo compact mogelijk is, is het nodig om rekening te houden met de thermische aspecten van wederzijdse opwarming onder belasting. Om dure herontwerpen te voorkomen, moeten werkingspuntberekeningen en thermische evaluaties voor de elektrische motor en de elektronica in een vroeg stadium tijdens de PoC-fase worden uitgevoerd.

Uitdaging: batterijbedrijf

Op batterijen werkende toepassingen vereisen bekwaamheid in het optimaliseren van energie-efficiëntie en batterijbeheer.

maxon deuraandrijving: BLDC-motor, overbrenging, encoder, positieregelaar geïntegreerd in een compacte eenheid.

Voorbeeld: geïntegreerd deuraandrijfsysteem

Miljarden mensen gebruiken elke dag een lift. Naast de hoofdaandrijving, hebben liften compacte deuraandrijvingen nodig die worden gemonteerd in de kleine ruimte boven de deur. De “smart”-aandrijvingen ontvangen commando’s om de deur te openen en te sluiten via een bussysteem. De aandrijvingen moeten deze commando’s betrouwbaar uitvoeren en aan strenge veiligheidsvoorschriften voldoen.

Samen met een toonaangevende liftfabrikant heeft maxon de Door Drive ontwikkeld, die deuren met een gewicht van maximaal 400 kg kan bewegen. Dit stille en energie-efficiënte aandrijfsysteem integreert een maxon EC 90-flat motor met hoog koppel en encoder, een optionele riemtransmissie, alsook een EPOS positieregelaar in een compacte eenheid. De data-uitwisseling vindt via CAN plaats. Specifieke algoritmen voor besturings- en krachtmonitoring zorgen voor een gelijkmatige maar dynamische deurbeweging, nauwkeurige positionering en beveiliging tegen knelgevaar.

Samen met een toonaangevende liftfabrikant heeft maxon de Door Drive ontwikkeld, die deuren met een gewicht van maximaal 400 kg kan bewegen. Dit stille en energie-efficiënte aandrijfsysteem integreert een maxon EC 90-flat motor met hoog koppel en encoder, een optionele riemtransmissie, alsook een EPOS positieregelaar in een compacte eenheid. De data-uitwisseling vindt via CAN plaats. Specifieke algoritmen voor besturings- en krachtmonitoring zorgen voor een gelijkmatige maar dynamische deurbeweging, nauwkeurige positionering en beveiliging tegen knelgevaar.

maxon ontwierp en ontwikkelde het systeem in samenwerking met een klant, waarbij interdisciplinaire kennis van experts in de toepassings- en veiligheidstechnologie, werktuigbouwkunde, controllertechniek, elektronica-ontwikkeling, thermodynamica en softwareontwikkeling werd samengebracht. Dit dergelijke oplossing kan niet worden bereikt door gewoon maar enkele individuele componenten met elkaar te combineren: Voor specifieke toepassingen moeten nieuwe aandrijfoplossingen worden ontwikkeld. Hiervoor is knowhow nodig. maxon is de ideale partner voor aandrijfsystemen, controllers en batterijbeheer.

Laat hieronder een op- of aanmerking achter.