Bild: Harmonic Drive

Robuste und präzise Robotergetriebe Große Hohlwelle und geringes Gewicht

29.05.2018

Antriebssysteme von Roboterachsen müssen unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden. Gefragt sind höchste Drehmomentdichte, präzise Bewegungsübertragung, Robustheit und Zuverlässigkeit. Robotergetriebe müssen somit kippsteife Abtriebslager zur direkten Abstützung der Lagerlasten, lebenslange Präzision und Spielfreiheit garantieren.

In vielen Branchen sind Roboter längst ein vertrautes Bild. Neben klassischen Industrierobotern, die redundante Schutz­einrichtungen erfordern, sind zunehmend kollaborative Roboter im Einsatz. Diese „Cobots“ werden flexibel für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt und arbeiten Hand in Hand mit dem Menschen.

Merkmale dieser Handlingsysteme sind eine kompakte und leichte Bauform, sicherheitsrelevante Sensorik, ergonomische Formgebung und hohe Positionier- und Bahngenauigkeit.

Anforderungen ans Antriebssystem

Als Leichtbauroboter mit Traglasten von 0,5 bis 10 kg stellen Cobots besondere Anforderungen an das Antriebssystem. Der Einsatz in Pick-and-Place-Anwendungen etwa erfordert schnelles Beschleunigen und Abbremsen sowie hohe Verfahrgeschwindigkeiten, damit kurze Zykluszeiten realisiert werden können. Je weiter der Gelenkantrieb von der ersten Achse entfernt ist, desto leichter sollte er sein.

Daneben spielen auch die Abmessungen des Antriebes eine zentrale Rolle. Denn mit zunehmender Größe des Getriebes wächst auch das Gewicht der Strukturteile, wie der Gehäuse, überproportional. Speziell die weiter entfernten Handachsen müssen hohe Drehmomente bei geringem Gewicht und kleinen Abmessungen bereitstellen. Gefragt sind daher präzise Bewegungsübertragung, Robustheit und Zuverlässigkeit.

Höchste Drehmomentdichte und Leichtbau

Die Harmonic Drive Getriebeunits der Baureihe SHG-2SH zeichnen sich durch höchste Drehmomentdichte aus. Diese ergibt sich aus ihrem besonderen Funktionsprinzip. Bei einem Wellgetriebe sind zirka 30 Prozent aller Zähne gleichzeitig im Eingriff, wodurch sich die Belastung auf viele Zähne verteilt. Die als sogenannte Simplicity Unit aufgebauten Getriebeunits der Baureihe SHG-2SH von Harmonic Drive bestehen lediglich aus Einbausatz und Abtriebslager. Durch Nutzung der vorhandenen Gehäusestruktur zur Abstützung der Lager der Eingangswelle kann auf einen separaten An- und Abtriebsflansch verzichtet und das Gesamtgewicht deutlich reduziert werden. Dank optimiertem Zahnprofil und besserer Lastverteilung im Wave Generator Lager liegen die übertragbaren Drehmomente der Units der Baureihe SHG noch einmal zirka 30 Prozent höher als beim Vorgängerprodukt HFUS.

Große Hohlwelle zur Kabeldurchführung

Die zentrale Hohlwelle der SHG-2SH Unit bringt entscheidende Vorteile speziell für Roboterarme. So können Versorgungsleitungen für den Antriebsmotor der nächsten Achse ebenso im Inneren der Achse geführt werden wie Steuer-, Sensor- und Pneumatikleitungen für Greifer oder andere Manipulatoren. Die Gefahr, dass sich die gebündelten Leitungen bei Bewegungsabläufen um den Roboterarm wickeln, wird deutlich verringert, die Bewegungsfreiheit steigt. In vielen Leichtbaurobotern dient die Hohlwelle der SHG-2SH Unit gleichzeitig als Rotorwelle des Antriebsmotors.

Lebenslang präzise und spielfrei

Bei der Applikation von Klebstoffen, beispielsweise in der Automobilteilmontage, müssen Roboter vorgegebene Bewegungsbahnen sehr genau und wiederholbar abfahren. Das erfordert präzise Koordination der Roboterachsendrehung durch die Steuerung des Roboters sowie Getriebe mit höchster Präzision. Die Getriebeunits der Baureihe SHG-2SH weisen mit einer Überträgungsgenauigkeit < 1 Winkelminute und einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,1 Winkelminuten eine exzellente Bewegungsübertragung auf, mit der sie entscheidend zur Genauigkeit der Bahnverfolgung und Positioniergenauigkeit des Roboters beitragen. Erreichen lässt sich das nur mit spielfreien und präzisen Getrieben. Der spielfreie Zahneingriff von Wellgetrieben ist ein Resultat der Vorspannung des Getriebes über den sogenannten Coning Effekt. Die Spielfreiheit wird über die komplette Lebensdauer des Getriebes aufrechterhalten.

Robustheit und Zuverlässigkeit

Roboterarme im Dauereinsatz verlangen Zuverlässigkeit, überdurchschnittliche Lebensdauer, Robustheit und Wartungsarmut von der Automatisierungslösung. Die Lebensdauer der Unit der Baureihe SHG-2UH wurde dank verbesserter Schmierstoffe und optimierten Belastungsverhältnissen am Wave Generator Lager im Vergleich zum Vorgängerprodukt HFUS noch einmal um etwa 40 Prozent gesteigert. Die Nennlebensdauer L10 liegt bei 10.000 statt bisher 7.000 Stunden. Die fettgeschmierten Units punkten hierbei mit einer Lebensdauerschmierung, sodass eine Wartung zum Nachschmieren meist überflüssig wird. Der Anwender profitiert von einer höheren Verfügbarkeit des Roboters. Hierzu trägt auch die Überlastfähigkeit des Getriebes bei. Im Fall von Not-Aus-Situationen können hohe Lastspitzen auf das Getriebe einwirken. Die Getriebe der SHG-Baureihe sind diesen Belastungen gewachsen. Das Verhältnis zwischen Kollisionsdrehmoment und Nenndrehmoment liegt abhängig von Baugröße und Untersetzung bei Faktor 4 bis 7.

Zur präzisen Bewegungsübertragung ist neben einem hochgenauen Getriebeeinbausatz außerdem ein Abtriebslager mit höchster Präzision erforderlich. Bei den Units der Baureihe SHG findet das Kreuzrollenlager zwischen dem Circular Spline und dem Flexspline-Abtrieb Platz – kompakter kann ein Lagersystem, welches hohe Axial- und Radialkräfte sowie Kippmomente aufnimmt, nicht aufgebaut sein. In vielen Leichtbaurobotern und Cobots wird aufgrund der hohen Tragfähigkeit und Kippsteifigkeit des Kreuzrollenlagers auf eine weitere Lagerstelle verzichtet, was den Aufbau sowie die Montage der Roboterachse erheblich vereinfacht. Verfügbar sind die Units der Baureihe SHG in drei Varianten, die bei der Integration in die Anwendung ein hohes Maß an konstruktiver Flexibilität bieten.

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