Sicherheitsbremse Abwärme im Antriebssystem von Robotergelenken reduzieren

In einem Robotergelenk sind Leistungselektronik, Antrieb, Getriebe, Sensorik und Bremse hochintegriert. Wärmereduktion spielt daher eine wichtige Rolle. Wie Kendrions kompakte Ansteuermodule für elektromagnetische Bremsen dazu beitragen, lesen Sie hier.

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Kendrion (Villingen) GmbH

Kompakt: das ist das Schlagwort in der Robotik. Viele Komponenten, hohe Leistungen, enge Bauräume – dies alles führt dazu, dass kompakte Lösungen gefragt sind. In vielen Anwendungen kommen daher elektrische Antriebe mit hoher Leistungsdichte zum Einsatz. Gleichzeitig spielt aber auch die Integration elektronischer Baugruppen eine wesentliche Rolle; die kompakten Antriebe sollen zusätzlich möglichst „intelligent“ sein. Dies wirkt sich kritisch auf den Temperaturhaushalt in der Applikation aus, zum Beispiel in einem Robotergelenk, wo Leistungselektronik, Antrieb, Getriebe, Sensorik und Bremse hochintegriert sind. Wärmereduktion wird dann zu einem wichtigen Thema.

Kompakte Ansteuermodule für elektromagnetische Bremsen, die den Haltestrom absenken, sind hier eine praxisgerechte Lösung. Sie reduzieren den Energiebedarf und in Folge dessen auch die Wärmeentwicklung.

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Elektromagnetische Sicherheitsbremsen

Elektromagnetische, bei Ruhestrom gelüftete Bremsen sind ideale Sicherheitsbremsen, wenn bewegte Massen oder Lasten im Stillstand gehalten werden müssen. Bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, zum Beispiel durch Leitungsbruch, wird das System sicher gestoppt. Die Funktionsweise basiert prinzipiell auf einfachen physikalischen Zusammenhängen. Im energielosen Zustand ist die Bremse geschlossen. Fließt Strom durch die Spule, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe anzieht und so den Rotor freigibt.

Das heißt im Umkehrschluss, wenn nicht gebremst wird, verbraucht die Bremse Energie und erzeugt Wärme. Diese Wärmeentwicklung ist immer dann kritisch, wenn die Leistungsdichte im Vordergrund steht oder auch temperaturempfindliche Elektronik im Antrieb integriert werden soll. Je kompakter der Bauraum ist, desto mehr verschärft sich die Problematik. Daher sollten die Komponenten im Antrieb möglichst wenig Wärme erzeugen.

Bremse

Federdruckbremsen für die Robotik

Ansteuermodule für elektromagnetische Aktoren

Kendrion hat auf diese Anforderungen reagiert und speziell für elektromagnetische Aktoren die Ansteuermodule der „Slim Collection“ entwickelt. Sie werden als PWM-Modul für Servomotoren sowie als Übererregungs-, Brücken- oder Einweggleichricher für Asynchronmotoren angeboten und eignen sich für Bremsen bis ca. 225 W Halte- bzw. 450 W Schaltleistung. Zum schnellen und kraftvollen Einschalten kann zeitbegrenzt die volle Schaltspannung zur Verfügung gestellt werden, was die Öffnungszeit verkürzt. Danach schaltet die Elektronik microcontroller-gesteuert auf einen variablen Wert herunter. Diese Absenkung der Haltespannung durch die neuen Ansteuermodule führt zu einer Energieeinsparung von bis zu 75 % im Normalbetrieb des Motors. Der Wärmehaushalt des gesamten Antriebs wird dadurch deutlich entspannt.

Beim Abschalten oder Ausfall der Eingangsspannung wird durch einen integrierten Spannungssensor initiiert, dass die elektronische Ausgangsspannung abgeschaltet wird. Die Bremse schaltet dadurch schneller, fällt ein und kann mit reduziertem Nachlaufweg die Applikation sicher zum Stillstand bringen. Gleichzeitig werden durch induktive Lasten entstehende hohe Abschaltspannungen im Modul auf zulässige Werte begrenzt.

BUCHTIPPDas Buch „Industrieroboter“ ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Es werden die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik vermittelt und Methoden erläutert, wie bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotereinsatz automatisieren lässt.

Bremse mit deutlich schnelleren Schließzeiten

Um beim PWM-Modul ein sauberes Signal im Dauerbetrieb zu erhalten, ist eine Freilaufdiode über der Bremse notwendig. Beim Abschalten der Stromzufuhr wird auf einen Varistor umgeschaltet. Dies ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Lösungen deutlich schnellere Schließzeiten.

Zudem beanspruchen die Ansteuermodule dem Hersteller zufolge deutlich weniger Platz als am Markt vorhandene Lösungen. Dafür gibt es mehrere Gründe: Es werden ausschließlich moderne, hochintegrierte Mikroelektronik- und Leistungsbauteile, also kleine SMD-Bauteile verwendet, die sich automatisiert bestücken lassen. Letzteres gilt auch für die Anschlussklemme. Somit können alle Bauteile mit dem Reflow-Verfahren gelötet werden, was den gesamten Produktionsprozess verkürzt. Dadurch lassen sich auch kostengünstig kleine Losgrößen produzieren.

Dossier Robotik Ausgabe 2018

Robotik in der Automatisierung

Komplette Elektronik auf einer Leiterplatte

Die Elektronik des Ansteuermoduls ist auf einer Leiterplatte untergebracht, die anschließend im Niederdruckverfahren mit bis zu 150 °C temperaturbeständigem Kunststoff umspritzt wird. Dieses aus der Steckertechnologie bekannte Hot-Melt-Verfahren lässt sich dank der Verfügbarkeit hochtemperaturfester Kunststoffe nun auch für die Leistungselektronik nutzen. Der Kunststoff sorgt für gute Wärmeableitung und schützt die Bauteile gegen Vibration, Schock und widrige Umgebungsbedingungen. Ein zusätzliches Gehäuse ist nicht notwendig. Das 60 mm × 24 mm × 13 mm kleine Modul findet antriebsnah oder im Klemmenkasten kleiner und mittlerer Motoren problemlos Platz und wird mit einer zentralen Schraube befestigt. Die Schneidklemme erleichtert den Anschluss der Bremse am Modul. Die Zuleitung der Bremse kann werkzeuglos befestigt werden, dadurch ist ein Anschrauben nicht mehr erforderlich.

Anwendertreff Maschinensicherheit Die Maschinensicherheit ist ein wichtiges Thema: Die richtigen Normen müssen berücksichtigt und die Anforderungen der Maschinenrichtlinie müssen eingehalten werden. Der Anwendertreff Maschinensicherheit unterstützt Entwickler und Konstrukteure , die funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen zu gewährleisten.
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* *Martin von Wysocki, Entwicklung Elektronik, und Dominik Hettich, Head of R&D, Kendrion (Villingen) GmbH

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