kundenspezifische Lösung, Bild: Maxon Motor

Die kundenspezifische Lösung für ein Roboter-Hüftgelenk besteht aus dem ursprünglich gewählten Flachmotor – allerdings mit integrierter elektronischer Ansteuerung (auf Basis eines Maxon-Escon-Kontrollers) und kombiniert mit einem Sondergetriebe. Motor- und Getriebepositionen werden über integrierte Encoder ermittelt. Bild: Maxon Motor

Der Schweizer Antriebsspezialist Maxon Motor entwickelt sich immer stärker vom Komponenten- zum Systemlieferanten. Als Komponenten sind Motoren, Getriebe, Encoder sowie Kontroller zur Drehzahl- und Positionsregelung zu verstehen. Ein System dagegen ist eine komplette Antriebslösung, die als mechatronische Einheit und Subsystem in einen größeren Kontext eingebunden wird. Der Fokus liegt dabei auf der zu erfüllenden Gesamtfunktion und nicht mehr auf den im Detail verwendeten Komponenten, wie das Anwendungsbeispiel eines Hüftgelenks für einen Roboter zeigt. Ausgangslage ist eine kundenspezifisch angepasste Komponente, genauer: ein Flachmotor. Zur besseren Kühlung ist der Rotor mit Löchern versehen. Zudem ist ein spezieller Kabelanschluss mit Stecker gefordert, um die vom Kunden beigestellte Motorsteuerung einzubinden. Die genaue Funktion des Motors und seine mechanischen und elektrischen Schnittstellen sind zunächst nicht bekannt. Erst intensivere Kontakte mit dem Kunden ergeben, dass der Motor ein Robotergelenk über ein Getriebe antreibt. Hier bietet sich eine stärker integrierte Gesamtlösung an, denn es herrschen stark eingeschränkte Platzverhältnisse, die Montagesituation der bestehenden Lösung ist komplex und mehrere Zusatzfunktionen werden benötigt.

Anforderungsliste einer integrierten Lösung

Wissenshintergrund Grafik, Bild: Maxon Motor
Bei der Entwicklung von komplexeren Systemen sind meist Personen mit unterschiedlichen Sichtweisen und unterschiedlichem Wissenshintergrund beteiligt. Die Black-Box-Betrachtung kann helfen, die Kommunikation so zu gestalten, dass alle am Prozess beteiligten Personen dasselbe verstehen und dieselben Ziele verfolgen. Dadurch lassen sich Missverständnisse vermeiden, die durch die unterschiedlichen Sichtweisen und die verschiedenen Wissenshintergründe ansonsten entstehen können. Bild: Maxon Motor

Und so sehen die mechanischen Anforderungen aus: Kleine Drehzahlen und hohe Drehmomente verlangen eine Motor-Getriebe-lösung, der Bewegungsumfang am Getriebeabgang beträgt circa 120 Grad. Erforderlich sind ein Blockieren des Gelenks bei Stromausfall (Haltebremse) und die Möglichkeit, die Blockade zu lösen; das System darf nicht selbsthemmend sein. Es braucht eine Kabeldurchführung für Leitungen, die durch die Hüfte gehen. Und das sind die elektrischen und elektronischen Anforderungen: Ansteuerung des bürstenlosen Motors (Kommutierung, Strom- und Drehzahlregelung), Kommunikation mit übergeordneter Steuerung, Winkelsensor im Motor und am Getriebeabgang, die Positionsinformation geht an die übergeordnete Steuerung. All dies findet im Kontext eingeschränkter, vorgegebener Abmessungen und Gewichtsverhältnisse statt. Im Weiteren sind die Emissionen – Temperatur, Vibrationen, Geräusche – klein zu halten. Da der Antrieb batteriebetrieben ist, soll er möglichst energieeffizient arbeiten. Und natürlich sind die Kosten zu berücksichtigen. Diese Anforderungsliste zeigt exemplarisch die Aspekte, die es bei einer integrierten Lösung zu beachten gilt und die nur mit intensivem und offenem Gedankenaustausch zwischen dem Kunden und dem Systemlieferanten geklärt werden können.

Die Systemgrenzen klären

Auf dem Weg zur Lösung geht es zunächst um die Systemabgrenzung. Es stellt sich die Frage, was alles zum System gehören soll. Wo sind sinnvolle Systemgrenzen anzusetzen unter Berücksichtigung der zu erreichenden Funktionalität? Wie sieht die Systemumgebung, wie sehen die elektrischen, mechanischen Schnittstellen aus? Wie werden die Informationen ausgetauscht und wie kommuniziert der Endbenutzer bei Gesamtsystemen? Auch die Sichtweisen auf Systeme spielen eine Rolle: Bei der Entwicklung von komplexeren Systemen sind meist Personen mit unterschiedlichen Sichtweisen und unterschiedlichem Wissenshintergrund beteiligt. Wie kann man die Kommunikation optimal gestalten, sodass alle dasselbe verstehen und dieselben Ziele verfolgen? Eine Black-Box-Betrachtung, wie skizziert, kann helfen. Sinnvoll ist auch eine Top-down-Herangehensweise, die sich nicht in Details verliert. Ein weiterer Aspekt, der häufig bei Gesamtsystemen vernachlässigt wird: Wie können die Bedürfnisse des Endanwenders berücksichtigt werden?

Hintergrundinfos

Über den Autor

  • Urs Kafader ist seit über 20 Jahren für die technische Ausbildung bei Maxon Motor verantwortlich. Er führt Schulungen zur Technik und zum Einsatz von Maxon-Produkten durch – für die Mitarbeitenden am Hauptsitz in Sachseln, für das internationale Verkaufsnetz, aber auch für Kunden.
  • Der promovierte Physiker absolvierte zusätzlich einen MBA in Produktionswissenschaften. Seine berufliche Laufbahn begann er am Institut für Festkörperphysik der ETH Zürich.

Die Systeme spezifizieren

Der Auslöser für eine Systementwicklung kann wichtige Hinweise zur Formulierung des Zielkatalogs enthalten. Ist es eine Neuentwicklung? Geht es um die Verbesserung einer bestehenden Lösung? Warum ist die bestehende Lösung unbefriedigend? Grundlage einer Spezifikation ist immer eine Situationsanalyse: Worum geht es und welche Ziele sollen erreicht werden? Wie sieht der Systemkontext aus? Wichtig ist, dass der Zielkatalog lösungsneutral formuliert wird. Zum Beispiel kann man sich im obigen Beispiel fragen, ob das Blockieren bei Stromausfall nur mittels Haltebremse erreicht werden kann oder vielleicht auch durch ein selbsthemmendes Getriebe. Der Zielkatalog dient als Basis, um Lösungsvarianten zu erarbeiten, die dann auf ihre Tauglichkeit beurteilt werden. Mögliche Lösungen basieren häufig auf bestehenden Produkten. In diesem Zusammenhang sind die von Maxon entwickelten Produktplattformen wichtig. Sie erlauben bei der Systementwicklung einen Rückgriff auf bestehende und erprobte Komponenten, die zudem rasch angepasst werden können. Dies verkleinert das Entwicklungsrisiko in technischer, zeitlicher und ökonomischer Hinsicht. Systeme von Maxon Motor sind meist im mechatronischen Umfeld zu Hause. Sie verbinden mechanische und elektronische Komponenten: Mechanik, Aktuatoren, Sensoren, Kontroller. Dabei spielt Software eine immer wichtigere Rolle, zum Beispiel in Form von Kontroller-Firmware oder als Programm, das eine ganze Anlage steuert. Bei der Beurteilung von Lösungsvarianten ist sicherzustellen, dass Gleiches mit Gleichem verglichen wird. Zum Beispiel sind für den Kunden die Kosten für ein Gesamtsystem im Vergleich zu den Kosten für individuelle Komponenten unter Berücksichtigung der Mehraufwände für Schnittstellen und Montage aufzurechnen.

Die ökonomische Randbedingungen abstecken

Integraler Bestandteil der Situationsanalyse ist, ob und wann sich eine Neuentwicklung lohnt. Welche Stückzahlen sind in welcher Zeit zu erwarten? Dazu sind realistische Marktabschätzungen nötig. Es muss geklärt werden, ob die Entwicklungs- und Werkzeugkosten auf den Produktpreis geschlagen oder separat als einmalige Fixkosten (NRE-Kosten/non recurring engineering costs) abgerechnet werden. Grundsätzlich kann eine Wirtschaftlichkeitsberechnung (NPV/net present value) als Basis zur ökonomischen Projektbeurteilung dienen. Weitere Kriterien sind auch der strategische Fit und eine Risikoabschätzung. Neben den hier skizzierten Aspekten gilt grundsätzlich die Vorgehensweise, wie sie im Buch «Auslegung von hochpräzisen Kleinstantrieben» ausgeführt ist.

Das Endergebnis: vereinfachte und verkürzte Montage

Übrigens: Die vorgeschlagene Lösung für das Roboter-Hüftgelenk besteht aus dem ursprünglich gewählten Flachmotor – allerdings mit integrierter elektronischer Ansteuerung (auf Basis eines Maxon-Escon-Kontrollers) und kombiniert mit einem Sondergetriebe. Motor- und Getriebepositionen werden über integrierte Encoder ermittelt. Die speziell konstruierte Haltebremse wirkt direkt auf den Rotor des Motors und ist im kompakten Gehäuse untergebracht. Für den Kunden vereinfacht und verkürzt sich die Montage erheblich gegenüber der vorherigen Lösung aus Einzelkomponenten. aru