Robotik und Cobots: Präzisions-Laminierstapel für Servomotoren

Wenn Sie einen Roboterarm dabei beobachten, wie er einen Chip auf einer Leiterplatte platziert, oder einen Cobot, der einem Menschen vorsichtig ein Teil übergibt, sehen Sie in Wirklichkeit einen Stapel sehr dünner Stahlbleche, die ihre Aufgabe perfekt erfüllen.

Diese Blätter - die Lamellenpaket im Inneren des Servomotors - in aller Ruhe entscheiden, ob sich Ihr Roboter seidig und sicher oder ruckartig und geräuschvollob Ihr Cobot-Gerät 10 Jahre lang kühl läuft oder sich in drei Jahren selbst kocht. Doch die meisten Diskussionen über Robotik und Cobots erwähnen sie kaum.

Dieser Artikel befasst sich mit der Behandlung von Laminatstapeln als erstklassiger Designhebel in der Robotik und bei Cobots, nicht eine Ware, die man am Ende des Projekts bestellt.

• In den nächsten Abschnitten werden Sie sehen:
  • Wie sich Servomotoren und Lamellenstapel direkt in Genauigkeit, Sicherheit und "Gefühl" bei Cobots niederschlagen
  • Welche Materialien, Dicken und Verbindungsmethoden wirklich wichtig sind (und warum)
  • Wie Geometrietricks wie schräge Stapel und schlitzlose Konstruktionen Zähmung von Rastmoment und Lärm
  • Wie wählt man Stack-Technologien anders aus für Industrieroboter vs. Cobots
  • Eine praktische Checkliste die Sie verwenden können, wenn Sie das nächste Mal einen Laminierungsstapel spezifizieren

1. Servomotoren, Robotik und Cobots: Warum Lamellen plötzlich wichtiger werden

Servomotoren sind die Muskelfasern der Robotik: Sie sind kompakt, haben ein hohes Drehmoment und werden ständig von Feedback-Sensoren überwacht, um präzise Positionen und Geschwindigkeiten zu erreichen. Sie schließen den Regelkreis mit Encodern oder Resolvern, vergleichen die Soll- mit der Ist-Position und korrigieren in Echtzeit, weshalb sie in Robotern, CNC-Maschinen und Automatisierungslinien dominieren.

Bei Industrierobotern ist die Aufgabenstellung meist einfach: hohe Drehmomentdichte, Geschwindigkeit und Betriebszeit. Cobots sind jedoch mit zusätzlichen Einschränkungen verbunden: Rückfahreigenschaften, geringes Rastmoment, geringe Geräuschentwicklung und inhärente Sicherheit wenn ein Mensch dagegen stößt. Diese "weichen" Eigenschaften werden stark von dem beeinflusst, was im Inneren des Magnetkerns - dem Laminatstapel - geschieht, nicht nur von Ihrer Steuerungssoftware.

• Sowohl bei Robotern als auch bei Cobots hat der Lamellenstapel Einfluss:
  • Drehmomentdichte und Wirkungsgrad (wie viel Drehmoment pro Kilogramm ausgeübt wird)
  • Laufruhe bei niedriger Drehzahl (Rastmoment, Drehmomentwelligkeit und "Gefühl")
  • Thermisches Verhalten und Lebensdauer (Kernverlust, Hotspot-Verteilung)
  • Lärm und Vibration (NVH) - besonders kritisch in der Nähe von Menschen
  • Sicherheitsmerkmale wie Rückwärtsfahrbarkeit und nachgiebiges Verhalten bei Robotern

2. Im Inneren des Laminierungsstapels: dünne Stahlbleche, große Auswirkungen

Die meisten Hochleistungs-Servomotoren basieren immer noch auf Elektrostahl Lamellen: Eisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, legiert mit ~0,5-6,5% Silizium, ausgewählt für hohe Permeabilität und geringen Kernverlust. Diese Bleche sind in der Regel 0,1-1,0 mm dick, gestanzt oder geschnitten und dann mit einer Isolierung dazwischen gestapelt, um Wirbelströme zu verhindern.

Dünnere Blätter bedeuten geringerer Wirbelstromverlust bei hohen Schaltfrequenzen - ein zunehmend wichtiges Thema, da Servoantriebe höhere PWM-Frequenzen erreichen und Robotergelenke eine höhere Polzahl und Geschwindigkeit erreichen. Gleichzeitig treibt eine geringere Dicke die Kosten und die Fertigungskomplexität in die Höhe, weshalb sich seriöse Laminierungsanbieter intensiv mit Stanzwerkzeugen, Graten und Beschichtungen befassen.

Wichtige Laminierungsparameter für Roboter- und Cobot-Servomotoren

• Als Roboterdesigner sollten Sie sich das Laminatdesign als drei gekoppelte Drehscheiben vorstellen:
  • Werkstoffsystem - welche Elektrostahlsorte (oder Alternative) Sie wählen
  • Geometrie - Zahnform, Nut/Pol-Kombination, Schräglage und Stapelhöhe
  • Qualität der Montage - Fügeverfahren, Gratkontrolle und Ausrichtungsgenauigkeit

3. Verbindungsmethoden: Wie der Stapel zusammengehalten wird, verändert das, was der Cobot "fühlt".

Diese Hunderte von dünnen Platten halten nicht auf magische Weise zusammen. Sie werden mit Methoden verbunden wie Kleben, Selbstkleben (Backlack), mechanische Verriegelung, Nieten/Schrauben, Stollen und Schweißen.

Die Forschung zeigt ein ständiges Tauziehen: Sie brauchen mechanische Festigkeit und Herstellbarkeit, aber Sie wollen nicht, dass die magnetische Leistung ruinieren indem sie die Isolierung beschädigen oder Eigenspannungen und Verformungen verursachen. Klebeverbindungen sorgen in der Regel für niedrige Kernverluste und eine gute Isolierung, während Schweißen oder aggressive mechanische Verriegelungen die Verluste und das Rauschen erhöhen können, wenn sie nicht sorgfältig kontrolliert werden.

Fügeverfahren vs. Auswirkungen auf Servolaminier-Stapel

• Vor allem für Cobots, geklebte oder selbstgeklebte Stapel sind attraktiv, weil:
  • Sie reduzieren Wirbelstromverluste und damit Wärme und Drift
  • Sie dämpfen Vibrationen und Geräusche - entscheidend, wenn der Roboter neben dem Menschen arbeitet
  • Sie halten die Drehmomentkonstante linearer und vereinfachen so die Abschätzung und Steuerung der Kraft.

4. Geometrie im Stack: Bekämpfung von Cogging, Welligkeit und Rauschen

Wenn sich Ihr Robotergelenk beim Rückwärtsfahren mit der Hand "klapprig" anfühlt, fühlen Sie Rastmoment - parasitäres Drehmoment, das durch die Wechselwirkung von Permanentmagneten mit den Statorzähnen und -blechen entsteht.

Die Designer bekämpfen dies mit einer Mischung aus elektromagnetisches Design und Lamellengeometrie: Anpassung der Nut-Pol-Kombinationen, Änderung der Magnetform, Änderung der Zahnspitzengeometrie und Schrägstellung des Lamellenpakets. A Schiefstehender Rotor oder Stator Die Lamellen werden entlang der Achse leicht verdreht, so dass sich die Oberschwingungen des Schlitzes über die Stapellänge "mitteln", was das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit bei nur geringen Auswirkungen auf die Drehmomentkonstante und den Wirkungsgrad erheblich reduziert.

• In der Robotik und bei Cobots sind die Geometriehebel auf der Laminierungsebene zu finden:
  • Schiefe Rotor-/Statorstapel - Verringerung von Rastmoment, Drehmomentwelligkeit und akustischen Geräuschen, besonders wichtig bei langsamen "Schleichfahrten" und bei Robotern, die in der Nähe von Menschen arbeiten
  • Nutenlose oder zahnlose Statorausführungen - Verwendung eines ringförmigen, laminierten Kerns ohne Zähne zur weitgehenden Eliminierung von Rastmomenten, was bei High-End-Drehmomentfühlern hilfreich ist
  • Optimierte Schlitz/Pol-Kombinationen - fraktionierte Schlitzdesigns, um die Symmetrie zu brechen und Oberwellen zu verbreiten
  • Formgebung und Einkerbung der Zahnspitzen - lokale Optimierungen zur Verringerung von Sättigung und Drehmomentwelligkeit in bestimmten Lastbereichen
  • Blende und ID/OD-Verhältnis - insbesondere bei rahmenlosen Motoren, bei denen sich Getriebe oder Sensoren im Inneren des Rotors befinden

5. Industrieroboter vs. Cobots: unterschiedliche Prioritäten beim Laminieren

Ein industrieller Schweißroboter, der in einer umzäunten Zelle Funken sprüht, hat ein ganz anderes Risikoprofil als ein Cobot, der neben einem menschlichen Bediener Elektronik zusammenbaut. Aber in beiden Fällen bestimmen die Laminatstapel immer noch das Drehmoment, die Glätte und die thermische Hülle, mit der Sie arbeiten können.

Für IndustrieroboterBei der Gestaltung der Laminierung wird in der Regel folgenden Aspekten Vorrang eingeräumt Drehmomentdichte, Effizienz und Kostenbesonders bei großen Stückzahlen. Ein etwas höheres Rastmoment kann oft toleriert werden, weil ein Getriebe, eine steife Struktur und clevere Regelkreise viel verbergen können.

Für Cobots und Exoskelett-ähnliche Systemesind Rückwärtsfahrbarkeit und niedrige Scheinimpedanz entscheidend. Gelenkmotoren mit hoher Drehmomentdichte werden häufig mit niedrigen Getriebeübersetzungen oder Quasi-Direktantriebs-Architekturen kombiniert; in diesem System, jedes bisschen Ruckeln und Reibung wird zu dem verstärkt, was ein Mensch körperlich spürt.

• Bei der Gestaltung von Laminatstapeln sollten Sie die beiden Klassen unterschiedlich behandeln:
  • Gelenke für Industrieroboter
    • Kann mit verriegelten oder geschweißten Stapeln leben, wenn dadurch die Kosten gesenkt und der Durchsatz erhöht wird
    • Streben Sie eine gute, aber nicht perfekte Verzahnungsleistung an; Antriebe und Getriebe helfen, Unzulänglichkeiten zu verbergen
    • Thermische Grenzwerte werden oft durch den Arbeitszyklus und die Umgebung bestimmt, nicht durch den menschlichen Komfort
  • Cobots und menschlich-interaktive Roboter
    • Bevorzugt geklebte / selbstgeklebte Stapel und schräge Lamellen für ein besonders sanftes Drehmoment
    • Forderung nach dünneren Laminaten und besseren Beschichtungen zur Verringerung von Verlusten und Temperaturschwankungen
    • Viel Wert auf die akustische Signatur und das taktile Gefühl beim Backdrive

6. Fertigungsrealitäten: Wie sich Toleranzen im Roboterverhalten niederschlagen

Auf dem Papier ist ein Lamellenstapel nur ein Stapel perfekter Formen. In der Fabrik geben Details wie die Höhe der Grate, die Robustheit der Beschichtung und die Passgenauigkeit der Welle Ihrem Motor seine eigentliche Persönlichkeit.

Hochgeschwindigkeits-Fortschrittstempel- und Schnellstanzpressen sind die Arbeitspferde der Laminierungsproduktion, die Millionen von Stanzungen pro Werkzeug ausführen können. Wenn sie richtig gemacht werden, liefern sie enge Toleranzen und hohe Stapelfaktoren; wenn sie unvorsichtig gemacht werden, hinterlassen sie Grate, die die Isolierung durchdringen und den Verlust zwischen den Schichten und den hörbaren Lärm erhöhen. Viele Anbieter ergänzen das Stanzen mit Laserschneiden, Einzelkerben und Rotationskerben für Prototypen oder große Durchmesser, dann werden die Stapel durch Ineinanderstecken, Kleben oder Schweißen in der Linie zusammengesetzt.

Darüber hinaus sind Inspektionen - CMM-Prüfungen, Bildverarbeitungssysteme, Eisenverlusttests und Franklin-Widerstandsprüfungen - von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass der simulierte Motor auch tatsächlich der Motor ist, den Sie erhalten.

• Fertigungsentscheidungen, die die Leistung von Robotern und Cobots stark beeinflussen:
  • Gratkontrolle - geringere Grate schützen Beschichtungen und halten Kernverluste und Lärm gering
  • Auswahl und Anwendung von Beschichtungen - robuste, gleichmäßige Isolierung sorgt für geringe Verluste und stabile Schräglage während der gesamten Lebensdauer des Motors
  • Stabilität des Stapel- und Fügeprozesses - Konstanter Druck, Temperatur und Ausrichtung sorgen für eine gleichbleibende Rückwärtsfahrbarkeit und ein gleichbleibendes Rastverhalten über alle Chargen hinweg
  • Welle-zu-Stapel-Verbindung (z. B. präzisionsgeformte Löcher, Presspassungen, Einsätze) - beeinflusst Rundlauf, Vibration und langfristige Zuverlässigkeit von Verbindungen

7. Jenseits klassischer Laminate: SMCs, Axialfluss und zukünftige Robotergelenke

Während gestapeltes Elektroband immer noch vorherrschend ist, gibt es einen zunehmenden Trend zu weichmagnetische Verbundwerkstoffe (SMCs) und Axialfluss-Architekturen in Hochleistungsantrieben, einschließlich EVs und Robotik. SMCs verwenden isoliertes Eisenpulver, das in 3D-Formen gepresst wird. Dies ermöglicht die Entwicklung von Motoren mit wirklich dreidimensionalen Flusspfaden und eine vereinfachte Montage im Vergleich zu herkömmlichen Blechen.

Für die Robotik und die Cobots öffnet das die Türen zu flachere, pfannkuchenartige GelenkeDie SMCs ermöglichen integrierte Kühlpfade und Topologien, die mit einfach gestapelten Blechen nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Allerdings bringen SMCs ihre eigenen Kompromisse in Bezug auf Materialkosten, erreichbare Flussdichten und Prozessreife mit sich, so dass viele Designs auf absehbare Zeit weiterhin auf sorgfältig optimierte Laminatstapel angewiesen sein werden.

• Wenn Sie an die Grenzen gehen, sollten Sie das berücksichtigen:
  • Hybride Kerne - Kombination von klassischen Blechen im aktiven Bereich mit SMC oder maschinell bearbeiteten Flussleitern, bei denen 3D-Bahnen helfen
  • Axialfluss-Servokonstruktionen - ermöglicht durch sorgfältig gestanzte Axialbleche oder SMC-Kerne, die eine hohe Drehmomentdichte bei kurzer axialer Länge bieten
  • Moderne Beschichtungen und amorphe Legierungen - um die Kernverluste weiter zu verringern und die Gelenktemperaturen in dicht verpackten Waffen niedrig zu halten

8. Praktische Checkliste: Entwerfen Sie Ihren nächsten Roboter- oder Cobot-Laminierungsstapel

An diesem Punkt kann man sich leicht überfordert fühlen - es gibt viele Knöpfe zu drehen. Um den Überblick zu behalten, gibt es hier eine Checkliste für die menschliche Ebene die Sie durchgehen können, wenn Sie das nächste Mal einen Lamellenstapel für eine Roboterverbindung spezifizieren.

• 1. Gehen Sie von der Interaktion aus, nicht vom Datenblatt.
  • Fragen Sie: Wie sollte sich dieses Gelenk anfühlen, wenn ein Mensch darauf drückt? Daran können Sie ablesen, wie aggressiv Sie mit dem Rastmoment, dem Geräusch und der Rückwärtsfahrbarkeit umgehen müssen.
• 2. Legen Sie Ihr Verlust- und Temperaturbudget explizit fest.
  • Kalkulieren Sie bei Ihrer Antriebsfrequenz und Ihrem Arbeitszyklus grob den Kernverlust gegenüber dem Kupferverlust. Entscheiden Sie auf dieser Grundlage über die Schichtdicke und die Stahlsorte.
• 3. Wählen Sie eine Verbindungsmethode, die Ihren "gefühlten" Zielen entspricht.
  • Cobots und Präzisionsachsen: tendieren zu selbstklebenden oder geklebten Stapeln.
  • Schwerindustrielle Verbindungen: Verriegelung oder Schweißen kann akzeptabel sein, wenn es getestet wird.
• 4. Entscheiden Sie sich frühzeitig für eine Schräglage.
  • Die Schräglage erfordert eine Auswahl der Werkzeuge und Änderungen des Stapelverfahrens. Entscheiden Sie sich bereits in der Phase der Laminierungsspezifikation, nicht erst nachdem Sie den Prototyp gebaut haben.
• 5. Sichern Sie herstellbare Toleranzen, keine Fantasie-Toleranzen.
  • Arbeiten Sie mit Ihrem Laminierungslieferanten zusammen, um die Leistungsfähigkeit der Matrize, die Gratgrenzen und die Beschichtungssysteme auf Ihr Leistungsmodell abzustimmen.
• 6. Prototyp mit dem real Füge- und Stapelverfahren.
  • Ein lasergeschnittener, verschraubter Prototyp verhält sich anders als ein in der Produktion verriegelter oder verklebter Stapel. Prüfen Sie mit etwas, das dem endgültigen Prozess nahe kommt.
• 7. Messen Sie, was die Menschen fühlen werden.
  • Messen Sie nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit, das Rückdrehmoment und die akustischen Spektren. Das ist es, was Betreiber und Endnutzer tatsächlich erleben.

Wenn Sie den Laminierungsstapel wie einen strategische Komponente Anstelle eines Einzelpostens werden sich Ihre Roboter und Cobots anders bewegen - sanfter, leiser, vorhersehbarer und sicherer.

Und wenn das nächste Mal jemand davon schwärmt, wie "natürlich" sich Ihr Robotergelenk anfühlt, dann wissen Sie, dass es mit einem Haufen sehr dünner, sehr sorgfältig zusammengefügter Stahlstücke begann.