DC-Kleinstantriebe sind kompakt, drehmomentstark und dynamisch. Sie lassen sich präzise ansteuern und erfüllen die Anforderungen nach hoher Zuverlässigkeit sowie langer Lebensdauer. Auch die zunehmend automatisierte Landwirtschaft ist auf sie angewiesen, denn Smart-Farming-Konzepte liefern Antworten auf die Frage, wie sich die Ernährung der ­Weltbevölkerung langfristig und ökologisch verträglich sicherstellen lässt.

Die Weltbevölkerung wird weiterwachsen. Alle Prognosen gehen davon aus, dass in diesem Jahrhundert neun bis zehn Milliarden erreicht werden. Zwar bietet die Erde durchaus Potential, alle Menschen mit ausreichend Nahrung zu versorgen. Die Landwirtschaft steht hier allerdings vor einer enormen Herausforderung: Ackerbau und Viehzucht müssen mehr produzieren, ohne dabei lebenserhaltende Ressourcen zu gefährden. Das heißt,  der Pestizid- und Düngereinsatz muss reduziert werden und auch die heute übliche großflächige künstliche Bewässerung ist nicht mehr akzeptabel.

Bisher werden beispielsweise die meisten Arbeitsschritte im Ackerbau wie Säen, Düngen und Pflanzenschutzmaßnahmen auf die Fläche bezogen, die Maschinen verteilen das Material mit dem entsprechenden Durchsatz. Statt nur direkt an den Pflanzen zu wirken, gelangt so zum Beispiel ein Teil des Düngers ins Grundwasser. Die Landwirtschaft ist aber noch mit weiteren Herausforderungen konfrontiert. So erfordern Tätigkeiten wie der Rückschnitt von Obstbäumen oder die Ernte empfindlicher Frucht- und Gemüsesorten aufwendige Handarbeit, während immer mehr Betriebe unter Personalmangel leiden.

Smart-Farming-Konzepte können die Lösung sein. Sie nutzen moderne Technologien, um zugleich die Effizienz der Landwirtschaft zu steigern, schonender mit Ressourcen umzugehen, Menschen von monotoner Arbeit zu entlasten und höhere Erträge zu produzieren. In diesem Zusammenhang ist auch von Precision Farming, Digitalfarming oder e-Farming die Rede. Mit rechnergestützten, vernetzten Abläufen sowie maschinellem Lernen und maßgeschneiderten Roboterfunktionen wird es möglich, bei allen Maßnahmen den Fokus auf die einzelne Pflanze, statt auf die Fläche zu richten. So ließe sich etwa die Verwendung von Herbiziden deutlich reduzieren, Früchte und Gemüse könnten von Robotern in kontinuierlichen Durchgängen automatisch geerntet werden, immer zum optimalen Reifegrad.

Autonom arbeitende Feldroboter statt großer Landmaschinen

Leichte, autonom arbeitende Feldroboter schonen die Böden. Große Landmaschinen hingegen sind bis zu zehn Tonnen schwer und verdichten durch ihr Gewicht den Boden, der dann kaum noch Wasser und Luft aufnehmen kann. Wachstum und Gesundheit der Nutzpflanzen im Bereich der Fahrwege werden ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen. Mit Smart Farming kann man zu gesünderen Böden und mehr Biodiversität beitragen. 

Viele dieser Anwendungen existieren aktuell nur als Studien oder Prototypen. Es gibt Smart Farming aber auch schon in bewährter Praxis, so zum Beispiel bei der gezielten Einzelkornaussaat. Sie wurde ursprünglich für die Forschung und Saatgutzüchtung entwickelt. Die entsprechenden Maschinen können einzelne Saatkörner in genau definierten Abständen ausbringen. Jede Pflanze bekommt genug Platz zum Wachsen, die Fläche wird optimal ausgenutzt. Zugleich wird das Saatgut mit höchster Sparsamkeit verwendet. Die Maschinen verwenden pro Reihe ein Vereinzelungsmodul mit Elektroantrieb. Ein Motor treibt eine mit Schlitzen oder Zähnen versehene Scheibe an, die die einzelnen Körner zum Auslass befördert. Die Steuerung stellt je nach Saatgut den optimalen Abstand genau ein. Dabei können bei Kurvenfahrt die unterschiedlichen Radien der einzelnen Reihen kompensiert werden. Die Zufuhr des Saatguts zu den Scheiben wird mit ebenfalls motorisierten Verschlüssen geregelt.

Robotik für das Gewächshaus

Beim Gemüse- und Blumenanbau in Gewächshäusern werden viele Pflanzen zunächst in kleinen Anzuchttöpfen vorgezogen und später in größere Töpfe oder in Beete umgepflanzt. In modernen Gartenbaubetrieben übernehmen Maschinen das Sortieren und Handhaben von Pflanzen und Töpfen. Ihre Maschinenparks haben große Ähnlichkeit mit Anlagen aus industrieller Produktion und Logistik. Es gibt Fließbänder und Rollenbahnen, auf denen Trays mit den Produkten in verschiedenen Stadien transportiert, sortiert und umgetopft werden. Die eingesetzten Greifer unterscheiden sich nur durch die Form von ähnlichen Vorrichtungen in anderen Branchen. Von Kleinmotoren angetrieben übernehmen sie die automatische Handhabung der einzelnen Töpfe und Pflanzenballen.

Solche Kleinmotoren werden auch bei selbstfahrenden Erntemaschinen für Früchte und Gemüse eine Schlüsselrolle spielen. Diese Maschinen haben die Serienreife für den breiten Einsatz zwar noch nicht erreicht, doch die Richtung der technischen Entwicklung ist abzusehen: Kameragestützte Sensoren erkennen anhand von Farbe und Form den Reifegrad von Erdbeeren oder Paprikaschoten und erfassen deren genaue Position. Der Bordcomputer steuert anhand dieser Daten einen Roboterarm, der mit einer Art Schere und einer Auffangvorrichtung bestückt ist. Die Prototypen dieser Technologie stecken voller Elektromotoren, vom Einzelradantrieb über den Roboterarm bis zur Schneidevorrichtung und dem Sammelsystem für das Erntegut.

Hohe Anforderungen an kleine Elektroantriebe

Anders als die traditionellen landwirtschaftlichen Großgeräte sind die Maschinen und Komponenten des Smart Farming in der Regel kompakter und leichter. Das heißt, dass für die Motoren oft nur wenig Einbauplatz vorgesehen ist. Trotzdem müssen sie als Antriebe von Säscheiben, Klappen, Greifern, Roboterarmen oder Scheren genug Kraft liefern, um die jeweilige Aufgabe in zahllosen Zyklen zuverlässig zu erledigen. Zugleich sollen sie hocheffizient arbeiten, denn die autonomen Einheiten beziehen ihre Energie meist aus Akkus. Zudem gilt es, die Antriebselektronik in vernetzte Strukturen einzubinden und eine intelligente Steuerung zu ermöglichen. Darüber hinaus müssen die Antriebe in der landwirtschaftlichen Umgebung aber auch in hohem Maße robust sein, damit sie selbst unter rauen Bedingungen zuverlässig und dauerhaft funktionieren. Große Temperaturschwankungen und starke mechanische Belastungen sind in Landwirtschaft und Gartenbau gang und gäbe. Und last but not least dürfen bei all dem die Kosten nicht aus dem Blick geraten. 

Faulhaber hat gleich mehrere Geräteserien im Programm, mit denen dieser Spagat gelingt. Dazu zählen beispielsweise die wartungsfreien bürstenlosen und kompakten DC-Flachmotoren der Serie BXT. Sie bauen in axialer Richtung ungewöhnlich kurz. Durch eine innovative Wickeltechnik und optimierte Auslegung sind die Motoren 14, 16 und 21 mm lang, liefern aber Drehmomente bis 134 mNm bei einem Durchmesser von 22, 32 beziehungsweise 42 mm. Zur exakten Drehzahlregelung oder bei hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit werden durchmesserkonforme, magnetische Encoder oder Speed Controller vollständig in die gehäusten Motorvarianten integriert, wobei sich der Antrieb lediglich um 6,2 mm verlängert. Die passenden Metallplanetengetriebe der Baureihe GPT zeichnen sich ebenfalls durch eine robuste, kurze Bauweise, ein hohes Drehmoment und feine Abstufungen der zahlreichen Untersetzungsverhältnisse aus.

Eine ebenfalls solide und kosteneffiziente Antriebslösung sind die Kupfergraphitmotoren der CXR-Linie in Verbindung mit darauf abgestimmten Getrieben. Ihr Kommutierungssystem ist widerstandsfähig und eignet sich für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb, wie es bei der automatischen Sortierung gefordert ist. Optionale inkrementale Encoder ermöglichen auch hier eine sehr genaue Positionierung. Für die Vernetzung der Antriebssysteme stehen verschiedene Steuerungen, beispielsweise mit CANopen-Schnittstelle, zur Verfügung. 

Autor
Kevin Moser, Business Development bei Faulhaber