Die Steuerung von Drehbewegungen ist das Herzstück moderner Automatisierung und ermöglicht die präzise Bewegung von Roboterarmen, Förderbändern, CNC-Maschinen und unzähligen anderen Anwendungen. Traditionell waren Servogetriebemotoren die bevorzugte Lösung für kontrollierte Drehbewegungen in solchen Systemen. Ihre Vielseitigkeit, ihre relativ günstige Preisgestaltung und die Möglichkeit, Drehmoment und Drehzahl anzupassen, haben ihnen einen zentralen Platz in der Industrietechnik eingebracht.

Mit dem Aufkommen fortschrittlicher Alternativen wie direkt angetriebenen Servomotoren und geschlossenen Regelkreisen überdenken Ingenieure jedoch die Rolle von Getriebemotoren in der modernen Bewegungssteuerung. Sind Getriebe-Servomotoren immer noch die optimale Lösung? Oder haben neuere Technologien sie in puncto Leistung und Zuverlässigkeit übertroffen?

Das Wertversprechen von Servogetriebemotoren

Getriebeservomotoren kombinieren einen herkömmlichen Rotationsservomotor mit einem Untersetzungsgetriebe, wodurch sie ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Geschwindigkeiten liefern und gleichzeitig eine präzise Kontrolle über Position, Geschwindigkeit und Drehmoment beibehalten können.

Hauptvorteile:

• Drehmomentverstärkung: Getriebe vervielfachen das Drehmoment des Motors, sodass ein kleinerer Motor eine größere Last antreiben kann.
• Geschwindigkeitsanpassung: Durch die Reduzierung der Motordrehzahl helfen Getriebe dabei, die optimale Betriebsgeschwindigkeit des Servomotors an die Anforderungen der Anwendung anzupassen.
• Mechanischer Vorteil: Anwendungen, die ein hohes Haltedrehmoment erfordern (wie vertikale Lasten oder Hebemechanismen), profitieren vom zusätzlichen mechanischen Widerstand.

Getriebe-Servomotoren werden häufig in Anwendungen wie den folgenden eingesetzt:

• Verpackungsmaschinen
• Fördersysteme
• Automatisierte Montagelinien
• Wickel- und Spannanwendungen
• Robotik und Portale mit Gelenkdrehmomentbeschränkungen

Aufgrund ihrer einfachen Integration und Kosteneffizienz werden sie seit Jahrzehnten bevorzugt, insbesondere wenn Drehzahlreduzierung und Drehmomentverstärkung entscheidend sind.

Die Nachteile verstehen: Spiel und Steifheit

Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit stellen Servomotoren mit Getriebe Herausforderungen dar, die die Servoleistung beeinträchtigen können – insbesondere Spiel und begrenzte Torsionssteifigkeit.

Was ist Spiel?

Spiel bezeichnet das mechanische Spiel zwischen Zahnrädern oder anderen Getriebekomponenten. Es erzeugt eine Verzögerung zwischen der Motorbewegung und der Lastreaktion. Ändert sich die Bewegungsrichtung, muss der Motor dieses Spiel zunächst ausgleichen, bevor er Drehmoment auf die Last übertragen kann.

Dies führt ein:

• Positionsunsicherheit: Die Encoder-Messwerte spiegeln die Position der Motorwelle wider, nicht die Position der Last.
• Kopplungs-/Entkopplungsverhalten: Bei Richtungsänderungen werden Last und Motor vorübergehend getrennt und wieder verbunden, was die Steuerungspräzision beeinträchtigt.
• Abstimmungsschwierigkeiten: Das Steuerungssystem hat Schwierigkeiten, die Leistung zu optimieren, da das mechanische Verhalten zu Geräuschen und Verzögerungen führt.

Das Spiel wird üblicherweise in Bogenminuten gemessen (1 Bogenminute = 1/60 Grad). Selbst hochpräzise Getriebe können ein Spiel im Bereich von 3 bis 9 Bogenminuten aufweisen.

Was ist Torsionssteifigkeit?

Die Torsionssteifigkeit ist der Widerstand des Systems (Welle, Zahnrad, Kupplung) gegen Verdrehen unter Drehmomenteinwirkung. Ein perfekt steifes System weist keine Durchbiegung auf und überträgt das Drehmoment sofort und präzise. In der Praxis verformen sich alle Materialien unter Belastung leicht, und mechanische Kupplungen wirken wie Torsionsfedern.

Geringe Steifigkeit führt zu:

• Energiespeicherung und -freisetzung: Wie bei einer komprimierten Feder wird Energie aufgebaut und dann freigesetzt, was zu Schwingungen führt.
• Resonanz: Bestimmte Geschwindigkeiten können dazu führen, dass das System unkontrolliert vibriert.
• Langsamere Reaktion: Der Controller muss die Verstärkungseinstellungen begrenzen, um ein Überschwingen oder Instabilität zu vermeiden.

In Kombination mit Spiel führt eine unzureichende Torsionssteifigkeit zu mechanischer Elastizität, die die Bewegungssteuerung erschwert und die Einschwingzeiten des Systems verlängert.

Direkt angetriebene Rotationsservomotoren: Eine bessere Lösung?

Im Gegensatz zu Getriebelösungen montieren direkt angetriebene Rotationsservomotoren die Last ohne Getriebe oder Übertragungssystem direkt am Rotor des Motors.

Leistungsvorteile:

• Kein Spiel: Keine Zahnräder oder Riemen bedeutet keine Bewegungsverzögerung bei Richtungsumkehr.
• Hohe Torsionssteifigkeit: Der kurze, starre mechanische Weg sorgt für eine minimale Auslenkung unter Drehmoment.
• Reibungslose Reaktion: Der Motor reagiert sofort auf Controller-Befehle und ermöglicht so hohe Abstimmungsgewinne und schnelles Einschwingen.
• Minimaler Wartungsaufwand: Keine Getriebeschmierung, Spieleinstellung oder mechanischer Verschleiß.

Direktantriebsmotoren sind mit einer hohen Polzahl und speziellen Wicklungen ausgestattet, um bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zu liefern und so die Funktion des Getriebemotors zu erfüllen, ohne dass ein Getriebe erforderlich ist.

Wo sie glänzen:

• Präzisionspositionierungssysteme (z. B. Halbleiterfertigung)
• Optische Systeme und Inspektionsgeräte
• Große Rundtische und Indexer
• Robotik erfordert hohe Dynamik
• Servopressen und Werkzeugmaschinen

Der Kostenfaktor

Trotz ihrer Leistung sind Direktantriebsmotoren teuer. Der hohe Anteil an magnetischem Material (oft Seltenerdmagnete), enge Fertigungstoleranzen und kundenspezifische Designs treiben die Kosten in die Höhe. Zudem sind sie tendenziell sperriger als Getriebemotoren mit vergleichbarem Drehmoment.

Das heißt, wenn Sie Folgendes berücksichtigen:

• Reduzierter Wartungsaufwand
• Längere Lebensdauer
• Kein mechanischer Verschleiß
• Verbesserte Leistung
• Wegfall von Encoder-Korrekturtechniken

Der langfristige ROI von Direktantriebssystemen kann die anfängliche Investition übersteigen, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen.

Der Mittelweg: Geschlossene Getriebesysteme mit Lastgebern

Um die Leistungslücke zu schließen, ohne den Direktantrieb vollständig zu nutzen, verwenden einige Systeme einen sekundären Encoder auf der Lastseite und bilden so ein vollständig geschlossenes Regelsystem.

Diese Konfiguration:

• Kompensiert Spiel und Nachgiebigkeit durch Messung der tatsächlichen Lastposition.
• Ermöglicht eine präzisere Steuerung als wenn man sich ausschließlich auf die Rückmeldung vom Motor verlässt.
• Maskiert mechanische Verzögerungen durch algorithmische Korrekturen.

Dies führt jedoch zu:

• Erhöhte Systemkomplexität: Zwei Encoder, zusätzliche Verkabelung, Signalaufbereitung.
• Höhere Kosten: Zusätzliche Komponenten, Kalibrierung und Integration.
• Keine Beseitigung mechanischer Probleme: Spiel und Nachgiebigkeit sind weiterhin physikalisch vorhanden.

Diese Systeme sind effektiv, wenn ein Direktantrieb zu teuer ist, Getriebemotoren allein jedoch für die erforderliche Präzision nicht ausreichen.

Konfigurationsvergleich: Getriebe vs. Direktantrieb vs. geschlossener Kreislauf

Merkmal	Servomotor mit Getriebe	Direktantrieb-Servomotor	Getriebe mit Last-Encoder
Spiel (Backlash)	Mäßig (3–9 Bogenminuten)	Kein	Kompensiert (nicht eliminiert)
Torsionssteifigkeit	Gering bis mäßig	Hoch	Gering bis mäßig
Positionsgenauigkeit	Mäßig	Hoch	Hoch
Drehzahl-/Drehmomentanpassung	Ausgezeichnet (durch Getriebe)	Gut (durch Wicklungen)	Ausgezeichnet
Systemkomplexität	Gering	Mittel	Hoch
Wartungsaufwand	Mäßig	Gering	Hoch
Kosten	Niedrig bis mittel	Hoch	Mittel bis hoch
Beste Anwendung	Allgemeine industrielle Nutzung	Hochpräzise Aufgaben	Nachrüstungen oder begrenzte Budgets

Wichtige Überlegungen bei der Auswahl einer Drehbewegungslösung

Bei der Entscheidung, welche Drehbewegungssteuerungstechnologie verwendet werden soll, müssen Ingenieure mehrere Faktoren abwägen:

• Erforderliche Präzision: Ist eine Genauigkeit im Sub-Bogenminutenbereich entscheidend?
• Lastträgheit: Lasten mit hoher Trägheit profitieren von steifen, spielfreien Systemen.
• Zykluszeit und Geschwindigkeit: Schnellere Systeme benötigen eine bessere Reaktion und Abstimmung.
• Budgetbeschränkungen: Getriebemotoren sind bei den Anschaffungskosten im Vorteil, aber nicht beim langfristigen ROI.
• Wartungstoleranz: Getriebesysteme verschleißen, Direktantriebe nicht.
• Installationsraum: Direktantriebe können groß sein und passen möglicherweise nicht in vorhandene Stellflächen.

Which Is the Best Choice?

Es gibt keine allgemeingültige Antwort, aber es lassen sich einige klare Richtlinien ableiten:

• Für die allgemeine industrielle Automatisierung mit geringen Präzisionsanforderungen sind Servogetriebemotoren weiterhin eine solide und kostengünstige Wahl. Sie bieten ausreichend Flexibilität und Drehmomentanpassung für eine Vielzahl von Maschinen.
• Für Hochleistungsanwendungen, insbesondere solche, die Spielfreiheit, schnelle Reaktion und hohe Auflösung erfordern, sind direkt angetriebene Rotationsservomotoren die überlegene Technologie, da sie eine unübertroffene Bewegungssteuerung bei reduzierter Systemkomplexität bieten (wenn auch zu höheren Kosten).
• Für Altsysteme oder Anwendungen mittlerer Preisklasse, bei denen Kostensensibilität besteht, aber eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, können geschlossene Getriebesysteme mit lastseitiger Rückkopplung einen praktischen Kompromiss darstellen.

Letztendlich hängt die Entscheidung von den spezifischen Leistungsanforderungen Ihrer Anwendung, Ihrem Budget und Ihren Lebenszykluserwartungen ab. Getriebe-Servomotoren sind zwar nach wie vor wertvolle Werkzeuge für die Bewegungssteuerung, doch Fortschritte im Motordesign haben zu besseren Lösungen geführt, insbesondere für Anwendungen, bei denen Präzision und Reaktionsfähigkeit von größter Bedeutung sind.
Sind Servogetriebemotoren also die beste Lösung? In vielen Fällen ja. Aber sind sie immer die beste Lösung? Nein – Direktantriebe und Closed-Loop-Lösungen definieren die Möglichkeiten der Drehbewegungssteuerung für die nächste Generation der Automatisierung neu.