Van motor tot aandrijfsysteem

maxon motor ontwikkelt zich meer en meer van een leverancier van onderdelen tot een leverancier van systeemoplossingen. Tot de onderdelen horen motoren, overbrengingen, encoders en snelheids- en positieregelaars. Een systeem bestaat voor ons uit complete aandrijfoplossingen in de zin van mechatronische eenheden en subsystemen, die in een groter geheel zijn geïntegreerd. De aandacht verschuift van de afzonderlijke componenten naar de overkoepelende functionaliteit.

Het uitgangspunt is een aangepast onderdeel, om precies te zijn een platte motor. Voor een betere warmteafvoer is de rotor geperforeerd en zijn een speciale kabel en connector nodig voor de aansluiting op de specifieke motoraandrijfelektronica van de eindgebruiker. In het begin is het precieze doel van de motor en zijn mechanische en elektrische interfaces niet helder. Pas bij nadere beschouwing wordt duidelijk dat de motor een robotgewricht met tandwieloverbrenging aandrijft. Goede redenen voor een geïntegreerde systeemoplossing zijn: een uitgesproken beperkte ruimte in combinatie met een hieruit voortvloeiende complexe montage van de bestaande oplossing en vereiste extra functionaliteiten.

Mechanische vereisten
· Lage toerentallen en hoge koppels vereisen een overbrengingsmotor
· Bewegingsbereik aan de tandwieluitgang: ca. 120°
· Blokkering van het gewricht bij stroomuitval (stoprem)
· Mogelijkheid om de blokkering op te heffen. Systeem blokkeert zich eventueel zelf niet.
· Kabels die door de gewrichten moeten lopen

Elektrische en elektronische vereisten
· Driver voor de borstelloze motor (inclusief commutatie, stroom- en snelheidsregeling)
· Communicatie met een hogere besturing
· Hoeksensor voor motor- en tandwieluitgang, positie-informatie wordt naar de master gestuurd

Dit alles gebeurt in de context van beperkte, vooraf gedefinieerde afmetingen en gewicht. Bovendien moet ervoor gezorgd worden dat de emissies (temperatuur, vibraties en hoorbaar geluid) laag blijven. Het door accu’s aangedreven systeem moet energie-efficiënt werken. En vanzelfsprekend moeten ook de kosten in aanmerking worden genomen.

Deze lijst geeft een goed overzicht van de aspecten die overwogen moeten worden als door de klant en maxon naar een geïntegreerde oplossing gestreefd wordt. Een tevredenstellende uitwerking van deze aspecten vergt een intensieve en open communicatie tussen klant en systeemintegrator.

Afbakening van het systeem

De eerste vraag die beantwoord moet worden: Waar moet het systeem uit bestaan? Waar kunnen redelijke systeemgrenzen worden gedefinieerd, gelet op de functionaliteit die bereikt moet worden? Hoe ziet de systeemomgeving, hoe zien de mechanische, elektrische interfaces eruit? Hoe wordt informatie uitgewisseld en hoe communiceert de eindgebruiker met het volledige systeem?

Bij de ontwikkeling van complexe systemen zijn mensen met verschillende kennisachtergronden en standpunten betrokken. Hoe kan een optimale communicatie plaatsvinden, zodat alle personen de inhoud op dezelfde wijze begrijpen en dezelfde doelen nastreven? Een black box zoals hierboven vermeld kan helpen. Een top-downbenadering, waarbij men zich niet in details verliest, is ook een goede methode. Een ander aspect waaraan bij de samenstelling van complete systemen niet altijd wordt gedacht: Hoe wordt rekening gehouden met de behoeften van de eindgebruiker oftewel hoe worden deze omgezet?
 

Systemen specificeren

De aanleiding voor een systeemontwikkeling verbergt meestal belangrijke aanwijzingen. Deze zijn van nut als doeleinden op papier worden gezet. Is het een nieuwe ontwikkeling? Moet een bestaande oplossing worden verbeterd? Waarom is de bestaande oplossing onbevredigend? De grondslag voor een specificatie is altijd een situatieanalyse: Waar gaat het werkelijk om? Hoe ziet de systeemcontext eruit? Het is belangrijk dat de doelstellingen neutraal worden geformuleerd. Een oplossing mag met andere woorden niet geïmpliceerd worden. In het bovenstaande voorbeeld kan de vereiste blokkering bij stroomuitval ook worden verkregen door een zelfblokkerende overbrenging en niet alleen door een stoprem.

Oplossingen

De doelstellingen dienen als basis voor de ontwikkeling van diverse oplossingen, waarvan de geschiktheid moet worden getest. Mogelijke oplossingen zijn vaak op bestaande producten gebaseerd. In dit verband noem ik het maxon productplatform dat we in de afgelopen jaren hebben opgebouwd. Dankzij dit platform bestaat de mogelijkheid om tijdens de systeemontwikkeling gebruik te maken van bestaande en beproefde componenten, die bovendien snel kunnen worden aangepast. Dit alles verkleint de technologische, tijds- en economische risico's.

maxon systemen verschijnen meestal in een mechatronische context waarin mechanische en elektrische componenten gecombineerd worden: aandrijfmechanismen, actuators, sensoren, controllers. Software wordt steeds belangrijker, bijvoorbeeld in de vorm van besturingsfirmware of een computerprogramma dat een complete installatie bestuurt.

Als je verschillende oplossingen met elkaar in verband brengt, moet je wel appels met appels vergelijken. Voor de klant moeten bijvoorbeeld de kosten voor een geïntegreerd systeem niet alleen worden afgewogen tegen de kosten van een component op zich, maar ook tegen de kosten voor interfaces en montage.
 

Economische randvoorwaarden

Een integraal onderdeel van de situatieanalyse is de vraag of en wanneer een nieuw ontwerp in financiële zin iets oplevert. Welke hoeveelheden kunnen binnen een bepaalde periode worden verwacht? Realistische marktramingen zijn noodzakelijk. Bepaald moet worden of de eenmalige engineering- en gereedschapskosten in de productprijs worden doorberekend of dat ze apart moeten worden betaald. Doorgaans is een berekening van de netto contante waarde (NPV) een uitgangspunt voor de beslissing of een project wel of niet gestart kan worden. Aanvullende criteria zijn ‘strategic fit’-overwegingen en een risicoanalyse.

Volg behalve de hier uiteengezette vereisten ook de stappen en procedures die in het handboek "Selection of high-precision microdrives” staan.
 

Trouwens...

De voorgestelde oplossing voor het heupgewricht van de robot bestaat uit de oorspronkelijk gekozen motor, maar met geïntegreerde elektronica op basis van het maxon ESCON controllerplatform in combinatie met een speciale overbrenging. Motor- en tandwielposities worden door geïntegreerde encoders geleverd. Een speciaal ontworpen stoprem werkt direct op de rotor en bevindt zich in de compacte behuizing. Voor de klant is de montage van dit geïntegreerde systeem veel eenvoudiger en sneller dan de bestaande oplossing die uit afzonderlijke componenten bestaat.