Wie man einen Servomotor auswählt: Ihr Leitfaden für die wichtigsten Punkte, auf die Sie achten sollten

Die Wahl des falschen Servomotors ist ein leicht zu begehender Fehler. Aber er kann Sie Zeit und Geld kosten. Er kann auch eine Menge Probleme verursachen. Dieser Artikel ist mein Leitfaden, der Ihnen helfen soll, diese Probleme zu vermeiden. Ich werde Ihnen die wichtigsten Dinge zeigen, die Sie beachten müssen. Wir werden über alles sprechen, von Geschwindigkeit und Drehmoment bis hin zu Trägheit und Software. Wenn Sie diesen Artikel gelesen haben, wissen Sie, wie Sie einen Servomotor auswählen, der die richtige Wahl für Ihre Aufgabe ist.

Was ist ein Servomotor und warum ist ein Servoantrieb eine große Sache?

Beginnen wir mit den einfachen Fakten. Ein Servomotor ist eine besondere Art von Elektromotor. Er ist für eine sehr genaue Steuerung seiner Position, seiner Geschwindigkeit und der Geschwindigkeit, mit der er auf Touren kommt, ausgelegt. Stellen Sie sich einen Roboterarm in einer Fabrik vor. Er muss sich immer wieder an dieselbe Stelle bewegen. Das ist eine Aufgabe für einen Servomotor. Er verwendet ein Rückmeldewerkzeug, z. B. einen Encoder. Dieses Werkzeug teilt einer Steuerung mit, wo er sich befindet. Dadurch werden seine Bewegungen sehr genau und man kann sich auf sie verlassen.

Es gibt keinen Servomotor ohne Servoantrieb. Der Servoantrieb ist sozusagen das Gehirn des gesamten Systems. Er erhält einen Befehl, z. B. "Fahre mit Geschwindigkeit Y zu Punkt X". Dann sendet er die richtige Menge an Spannung und Strom an den Servomotor, um dies zu erreichen. Der Servoantrieb überprüft auch die Rückmeldung des Motors. Dadurch wird sichergestellt, dass der Motor das tut, was er tun soll. Ein guter Servoantrieb und ein guter Servomotor, die zusammenarbeiten, sind der Ausgangspunkt für jedes gute Bewegungssteuerungssystem.

Wie beginnen Sie bei der Auswahl eines Servomotors für Ihren Auftrag?

Der allererste Schritt besteht darin, alles über Ihre Anwendung zu wissen. Bevor Sie sich überhaupt einen Servomotor ansehen, müssen Sie festlegen, was Sie tun wollen. Was ist der Zweck Ihrer Maschine? Was wollen Sie bewegen? Dies ist der wichtigste Teil des gesamten Prozesses. Ein Fehler an dieser Stelle wird später zu Problemen führen. Für Ihre genaue Anwendung müssen Sie alle Details herausfinden.

Stellen Sie sich diese Fragen zu Ihrer Bewerbung:

• Was ist die Ladung? Wie schwer ist die Sache oder die Nutzlast, die Sie transportieren wollen?
• Wie wird es sich bewegen? Wird es sich in einer Linie bewegen oder umdrehen? Handelt es sich um eine einfache Hin- und Herbewegung oder um ein komplexeres Profil?
• Wie sieht die Umgebung aus? Befindet sich der Servomotor an einem heißen, kalten, nassen oder staubigen Ort? Die Umgebung ist ein sehr wichtiger Faktor.
• Wie ist der physikalische Aufbau? Verwenden Sie Teile wie Riemen, Schrauben oder ein Direktantriebssystem? Jedes dieser Systeme hat unterschiedliche Anforderungen für die jeweilige Anwendung.

Wenn Sie Ihre Bewerbung klar und deutlich beschreiben, erhalten Sie eine Liste der Dinge, die Sie benötigen. Diese Liste ist Ihr Leitfaden. Sie wird Ihnen bei der Auswahl des richtigen Servomotors für Ihre Automatisierungsanwendung helfen. Dies ist die Grundlage für ein gut funktionierendes Projekt. Wenn Sie keine klare Vorstellung von der Anwendung haben, können Sie eigentlich nur raten.

Wie können Sie die benötigte Geschwindigkeit und das Drehmoment ermitteln?

Nachdem Sie Ihre Anwendung verstanden haben, müssen Sie die Geschwindigkeit und das Drehmoment berechnen. Das Drehmoment ist eine Drehkraft. Man kann es sich als die "Kraft" vorstellen, die der Servomotor haben muss. Bei der Geschwindigkeit geht es darum, wie schnell sich der Motor drehen muss, um die Bewegung in der zur Verfügung stehenden Zeit auszuführen. Sie müssen diese Zahlen für Ihre genaue Anwendung berechnen.

Sie müssen zwei Arten von Drehmoment für Ihre Anwendung kennen:

Sie müssen die Drehmomentanforderungen für jeden Teil des Bewegungszyklus ermitteln. Das bedeutet, dass Sie das für die Beschleunigung der Last erforderliche Drehmoment ermitteln müssen. Dazu gehört auch das Drehmoment, das benötigt wird, um sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zu bewegen (um die Reibung zu überwinden). Und Sie brauchen das Drehmoment, um die Bewegung abzubremsen. Das höchste Drehmoment, das zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt wird, ist das erforderliche Spitzendrehmoment. Das durchschnittliche Drehmoment über den gesamten Zyklus hinweg hilft bei der Ermittlung des kontinuierlichen Drehmomentbedarfs. Die Kenntnis Ihrer Anforderungen an Geschwindigkeit und Drehmoment ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Auswahl eines Servomotors.

Was ist Trägheit, und warum ist die Anpassung der Trägheit so wichtig?

Trägheit ist ein Wort, das vielleicht schwer zu verstehen ist, aber die Idee ist es nicht. Trägheit bedeutet, dass ein Objekt seine Geschwindigkeit nicht ändern will. Ein schwerer Ball hat mehr Trägheit als ein leichter Ball. Es ist schwieriger, ihn in Bewegung zu setzen und ihn zum Stillstand zu bringen. In einem Servosystem wird die Trägheit der Last berücksichtigt. Ebenso wichtig ist die Trägheit des beweglichen Teils des Servomotors, des Rotors. Die Verbindung zwischen diesen beiden ist als Trägheitsverhältnis bekannt.

Eine korrekte Trägheitsanpassung ist sehr wichtig, damit das System gut funktioniert. Das Trägheitsverhältnis ist die Trägheit der Last geteilt durch die Trägheit des Motors. Eine gute allgemeine Regel ist, dieses Verhältnis unter 10 zu 1 zu halten. Wenn zum Beispiel die Motorträgheit 1 beträgt, sollte die Lastträgheit 10 oder weniger betragen. Wenn das Verhältnis zu hoch ist, wird es für den Servomotor sehr schwierig, die Last zu steuern. Es ist, als würde man versuchen, ein sehr schweres Objekt mit einem sehr kleinen Muskel zu steuern. Das System könnte über sein Ziel hinausschießen, wackeln und nur schwer genau sein.

Ein schlechtes Trägheitsverhältnis ist eine häufige Herausforderung. Sie können die Lastträgheit anhand der Form und des Gewichts jedes beweglichen Teils in Ihrer Anwendung berechnen. Wenn Ihr Trägheitsverhältnis zu hoch ist, machen Sie sich keine Sorgen. Es gibt eine hervorragende Lösung. Die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes ist eine gute Möglichkeit, die Trägheit besser abzustimmen. Dieses einfache Bauteil kann einen großen Unterschied darin ausmachen, wie gut Ihr Servomotor die Last bewältigen kann.

Wie kann man eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve lesen, um zu sehen, was ein Motor leisten kann?

Jeder Servomotor hat eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve. Dieses Diagramm ist eines der wichtigsten Werkzeuge, die Sie verwenden werden. Die Kurve zeigt Ihnen, was der Servomotor zu leisten imstande ist. Sie gibt an, wie viel Drehkraft der Motor bei verschiedenen Geschwindigkeiten aufbringen kann. Die Firma, die den Motor herstellt, gibt Ihnen diese Kurve für jeden Servomotor, den sie verkauft.

Die Drehzahl-Drehmoment-Kurve besteht aus zwei Hauptteilen:

• Der kontinuierliche Bereich: Dies ist normalerweise ein kastenförmiger Bereich im unteren Teil der Kurve. Wenn Ihr Arbeitspunkt (eine bestimmte Geschwindigkeit und ein bestimmtes Drehmoment) in diesem Bereich liegt, kann der Servomotor dort sehr lange laufen. Er wird nicht überhitzen. Dies ist der Bereich für den Dauerbetrieb.
• Die intermittierende Region: Dieser Bereich befindet sich oberhalb des kontinuierlichen Bereichs. Der Servomotor kann hier für kurze Zeit arbeiten. Hier befindet sich das für die Beschleunigung benötigte Spitzendrehmoment. Bleibt der Motor zu lange in diesem Bereich, wird er überhitzt und könnte kaputt gehen.

Wenn Sie einen Servomotor auswählen, müssen Sie sich seine Kennlinie ansehen. Sie müssen sicher sein, dass Ihr Bedarf an kontinuierlichem Drehmoment innerhalb des kontinuierlichen Bereichs liegt. Sie müssen auch prüfen, ob Ihr Spitzendrehmomentbedarf im intermittierenden Bereich der Kurve liegt. Wenn Ihr Bedarf außerhalb der Kurve liegt, ist der Servomotor für Ihre Anwendung nicht geeignet. Die Kurve gibt Ihnen eine klare Antwort auf die Frage, was der Motor leisten kann.

Was ist das RMS-Drehmoment und warum sollten Sie es für Ihr Bewegungsprofil herausfinden?

Viele Arbeiten laufen nicht nur mit einer einzigen Geschwindigkeit und einem einzigen Drehmoment. Sie haben ein komplexes Bewegungsprofil. Ein Bewegungsprofil beschreibt alle Bewegungen, die der Motor in einem vollständigen Zyklus ausführt. Er kann beschleunigen, dann mit einer konstanten Geschwindigkeit laufen und dann langsamer werden. Das Drehmoment ist während dieses gesamten Profils unterschiedlich. Wie kann man also feststellen, ob der Servomotor zu heiß wird? Man muss das RMS-Drehmoment berechnen.

RMS steht für Root Mean Square. Das klingt hart, ist aber nur eine Methode zur Ermittlung des durchschnittlichen Drehmoments über das gesamte Bewegungsprofil. Es ist eine besondere Art von Durchschnittswert. Er berücksichtigt die Wärme, die durch die Motorleistung entsteht. Betrachten Sie es als einen zeitgewichteten Durchschnitt. Er gibt den Teilen des Zyklus mit hohem Drehmoment mehr Bedeutung. Diese RMS-Zahl zeigt das konstante Drehmoment, das die gleiche Wärmemenge im Servomotor erzeugen würde.

Nachdem Sie den Effektivwert des Drehmoments für Ihr Bewegungsprofil ermittelt haben, müssen Sie ihn anhand der Drehzahl-Drehmoment-Kurve des Motors überprüfen. Das von Ihnen ermittelte RMS-Drehmoment muss bei der Durchschnittsgeschwindigkeit innerhalb des kontinuierlichen Bereichs der Kurve liegen. Dies ist eine sehr wichtige Prüfung. Wenn es außerhalb des kontinuierlichen Bereichs liegt, wird der Servomotor langsam immer heißer. Nach einiger Zeit wird er überhitzen. Eine gute Auslegungssoftware kann diese RMS-Berechnung für Sie durchführen. Das macht diesen wichtigen Schritt sehr viel einfacher.

Wann ist die Verwendung eines Getriebes für Ihren Servomotor sinnvoll?

Manchmal ist ein Servomotor allein nicht die beste Lösung. Bei vielen industriellen Automatisierungslösungen verwenden wir ein Untersetzungsgetriebe, das auch als Getriebe bezeichnet wird. Ein Getriebe ist ein mechanisches Werkzeug, das die Geschwindigkeit gegen mehr Drehkraft austauscht. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 wird beispielsweise die Ausgangsgeschwindigkeit um das 10-fache verringert. Dafür wird das Ausgangsdrehmoment um das 10-fache erhöht (nach einem kleinen Verlust an Effizienz).

Es gibt zwei Hauptgründe für die Verwendung eines Getriebes:

• Für ein höheres Drehmoment: Wenn Ihre Anwendung ein sehr hohes Drehmoment, aber keine hohe Geschwindigkeit benötigt, ist ein Getriebe die perfekte Wahl. Sie können einen kleineren, billigeren Servomotor verwenden und ein Getriebe hinzufügen. So erhalten Sie das benötigte hohe Drehmoment. Dies kann eine viel bessere Lösung sein als der Kauf eines sehr großen und leistungsstarken Servomotors mit Direktantrieb. Dies ist ein üblicher Kompromiss bei der Konstruktion von Maschinen.
• Bessere Trägheitsanpassung: Wie wir bereits erwähnt haben, ist ein hohes Trägheitsverhältnis nicht gut. Ein Untersetzungsgetriebe ist der beste Weg, dieses Problem zu lösen. Ein Getriebe senkt die Lastträgheit, die der Motor empfindet. Es senkt sie um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 ist die Trägheit des Servomotors also 100 Mal geringer! Dadurch ist es für den Motor viel einfacher, die Last mit Präzision zu steuern. Meiner Erfahrung nach ist die Verwendung eines Getriebes oft das Geheimnis für ein System, das reibungslos funktioniert und auf das man sich verlassen kann.

Spielt die tatsächliche Größe des Servomotors eine Rolle?

Ja, die physische Größe des Servomotors macht wirklich einen Unterschied. Dies ist ein wichtiger Aspekt, den Sie nicht vergessen dürfen. Nachdem Sie sich das Drehmoment, die Geschwindigkeit und die Trägheit angesehen haben, müssen Sie prüfen, ob der Servomotor wirklich in Ihre Maschine passt. Ein zu großer Motor kann zwar gut funktionieren, aber er nützt nichts, wenn Sie ihn nicht dort unterbringen können, wo er hin soll.

Bevor Sie Ihre endgültige Wahl treffen, besorgen Sie sich die Zeichnungen des Servomotors und des Getriebes, falls Sie einen solchen verwenden wollen. Sehen Sie sich die Abmessungen genau an. Vergleichen Sie sie mit dem Platz, der Ihnen in Ihrer Maschine zur Verfügung steht. Vergessen Sie nicht, Platz für die Kabel und Stecker zu lassen, denn auch sie brauchen Platz. Eine gute Ausrichtung der Motorwelle zur Last ist ebenfalls sehr wichtig für eine lange und problemlose Lebensdauer.

Ein weiterer Grund, warum die Größe wichtig ist, hat mit Kosten und Effizienz zu tun. Ein größerer Motor ist nicht immer die bessere Wahl. Ein überdimensionierter Servomotor kostet mehr Geld in der Anschaffung. Außerdem verbraucht er mehr Strom. Außerdem hat er ein höheres Rotorträgheitsmoment. Dadurch kann sich Ihr Trägheitsverhältnis verschlechtern, wenn Ihre Lastträgheit sehr gering ist. Das Hauptziel besteht darin, einen Servomotor zu wählen, der genau die richtige Größe hat - nicht zu klein und nicht zu groß. Auf diese Weise erhalten Sie eine Konstruktion, die effizient ist und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

Welche anderen wichtigen Dinge beeinflussen Ihre Wahl eines Servos?

Neben den wichtigsten Faktoren wie Drehmoment, Geschwindigkeit und Trägheit gibt es noch weitere Punkte, an die man denken muss. Diese Details können einen großen Einfluss darauf haben, wie gut Ihre Automatisierungsanwendung funktioniert. Ein wichtiger Faktor ist die Umgebung, in der die Maschine eingesetzt wird. Wenn Ihre Maschine in einer sehr heißen oder kalten Umgebung eingesetzt wird, müssen Sie einen Servomotor wählen, der für diese Temperaturen geeignet ist. Wenn die Umgebung staub- oder wasserhaltig ist, benötigen Sie möglicherweise einen Motor mit einer speziellen Dichtung, um ihn zu schützen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Spannung, die Sie haben. Wie hoch ist die Eingangsspannung in Ihrem Gebäude? Servoantriebssysteme werden mit vielen Spannungswerten verkauft, wie 120 VAC, 240 VAC oder 480 VAC. Sie müssen einen Servoantrieb und ein Motorsystem auswählen, das mit der bei Ihnen vorhandenen Spannung funktioniert. Es gibt auch gleichstrombetriebene Systeme. Diese werden häufig in mobilen oder batteriebetriebenen Automatisierungsanwendungen eingesetzt.

Denken Sie schließlich auch an das Feedback-Tool. Bei den meisten neuen Servomotoren handelt es sich um bürstenlose AC-Motoren, die mit hochauflösenden Encodern ausgestattet sind. Der Encoder teilt dem Servoantrieb die genaue Position der Motorwelle mit. Je besser die Auflösung des Encoders ist, desto genauer ist die Steuerung. Für die meisten Aufgaben ist ein normaler Encoder ausreichend. Aber für eine Anwendung, die eine sehr gleichmäßige Bewegung bei einer sehr niedrigen Geschwindigkeit erfordert, benötigen Sie möglicherweise einen speziellen Encoder mit einer höheren Auflösung.

Wie kann Software Ihnen bei der Auswahl des richtigen Servomotors helfen?

Vor langer Zeit mussten wir all diese Berechnungen mit Stift und Papier durchführen. Das hat viel Zeit gekostet und man konnte leicht etwas falsch machen. Heutzutage sind die Dinge viel einfacher. Die meisten Unternehmen, die Servomotoren und Servoantriebe herstellen, stellen kostenlos Auslegungssoftware zur Verfügung. Diese Software ist ein wunderbares Hilfsmittel. Sie kann Ihnen helfen, den besten Servomotor auszuwählen.

Diese Software hilft Ihnen durch den gesamten Prozess. Sie geben alle Informationen über Ihre Anwendung ein. Dazu gehören das Gewicht Ihrer Last, die Bewegungen, die Sie ausführen müssen (das Bewegungsprofil), die mechanischen Teile wie Schrauben oder Riemen und die Zykluszeit. Die Software übernimmt dann die ganze schwierige Arbeit für Sie. Sie berechnet die Geschwindigkeit, das Spitzendrehmoment und das RMS-Drehmoment. Sie berechnet auch das Trägheitsmoment der Last.

Die Software durchsucht dann alle Produkte, die das Unternehmen vertreibt. Sie gibt Ihnen eine Liste von Servomotoren, Servoantrieben und Getriebesätzen, die für Ihre Anwendung geeignet sind. Sie zeigt Ihnen, wie viel zusätzliche Leistung jedes Produkt hat. Dies hilft Ihnen bei der Auswahl einer zuverlässigen Lösung mit einem guten Maß an Sicherheitsreserven. Die Verwendung dieser Software ist der beste Weg, um sicher zu sein, dass Sie den richtigen Servo ausgewählt haben.

Wichtige Dinge zu beachten

• Beginnen Sie mit Ihrer Anwendung. Legen Sie klar und deutlich fest, was das System leisten soll, bevor Sie sich Teile ansehen.
• Finden Sie heraus, was Sie brauchen. Sie müssen die Geschwindigkeit, das Spitzendrehmoment und das Dauerdrehmoment (RMS) ermitteln, die für Ihr genaues Bewegungsprofil erforderlich sind.
• Vergessen Sie die Trägheit nicht. Ein schlechtes Trägheitsverhältnis führt oft zu schlechter Leistung. Versuchen Sie, ein Verhältnis von 10 zu 1 oder weniger zu erreichen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Gang zur Unterstützung.
• Verwenden Sie die Drehzahl-Drehmoment-Kurve. Überprüfen Sie immer, ob die von Ihnen berechneten Spitzen- und Dauerarbeitspunkte sicher innerhalb der offiziellen Motorkennlinie liegen.
• Denken Sie an die Details in der Praxis. Vergewissern Sie sich, dass der Servomotor physisch in Ihre Maschine passt und dass er mit Ihrer Eingangsspannung funktioniert.
• Verwenden Sie die Software des Herstellers. Die Software zur Größenbestimmung ist ein großartiges, kostenloses Werkzeug. Sie macht die Arbeit schneller, einfacher und viel korrekter. Das ist der beste Weg, um ein gutes Gefühl bei der Auswahl des Servomotors zu haben.