Höchster Gleichlauf eingebaut

Wenn Drehzahlen und Momente gewandelt werden sollen, spielen Getriebe eine wichtige Rolle. Verzahnte Bauteile verursachen dabei unvermeidlich ein Ungleichförmigkeit in der Übertragung. Bei Präzisionsgetrieben sind diese Schwankungen außerordentlich klein und meistens gar nicht wahrnehmbar. Bei Applikationen höchster Genauigkeit wirken sie jedoch störend. Ein neuer Servoantrieb bewirkt eine drastische Verbesserung des Gleichlaufes durch die Messung der abtriebseitigen Beschleunigung und ein neues Regelkonzept.

Auch im Informationszeitalter bleibt das Erzeugen und Umformen mechanischer Bewegungen eine zentrale Aufgabe in vielen Bereichen der Technik. Die Anforderungen an die Aktuatoren und Übertragungsglieder steigen dabei jedoch ständig. Die Ziele lassen sich in zwei Klassen formulieren: Bereits bestehende Funktionen sollen weiter optimiert werden oder Lösungen für bisher nicht realisierbare Funktionen werden gesucht. Ein möglicher Ansatz besteht dabei in der mechatronischen Betrachtungsweise des technischen Systems. Dabei wird versucht, durch eine hochgradige Integration von mechanischen, elektrischen, informationsverarbeitenden und weiteren Teilsystemen und Komponenten eine neue Qualität funktionaler Lösungen zu erhalten. Antriebssysteme auf elektromechanischer Basis eignen sich außerordentlich gut zum Erzeugen von definierten Bewegungen. Die digitalen AC-Servoantriebe der Fa. Harmonic Drive AG bieten dabei bereits seit mehreren Produktgenerationen eine technisch hochwertige Lösung für anspruchsvolle industrielle Positionieraufgaben. Die aktuelle Servo-Baureihe mit der Bezeichnung FHA-C ist nun auch mit einem abtriebsseitig integrierten Beschleunigungssensor verfügbar. Dadurch können fortschrittliche Regelungskonzepte Verwendung finden. Weitere wichtige Eigenschaften des Systems sind:

  • hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit
  • erheblich verbesserte Übertragungsgenauigkeit
  • Hohlwelle mit großem Bohrungsdurchmesser
  • kompakte Bauweise
  • integriertes kippsteifes Abtriebslager

Der Servo-Antrieb

Hohlwellenantriebe vom Typ FHA arbeiten seit Jahren zuverlässig in industriellen Anwendungen. Sie verbinden hochübersetzende Präzisonsgetriebe des Harmonic-Drive®-Typs mit hochdynamischen AC-Motoren und fortschrittlichen Encoder-Konzepten. Das Getriebeprinzip ist äußerst ungewöhnlich und technisch interessant. Ein Harmonic Drive Getriebe besteht im wesentlichen aus nur drei konzentrischen Bauteilen: dem Wave Generator (elliptische Scheibe mit aufgezogenem elastischen Lager), dem Flexspline (dünnwandiges topfförmiges Element mit Außenverzahnung) und dem Circular Spline (starres innenverzahntes Hohlrad). Bild 1 zeigt die Getriebefunktion in vier Phasen.

Bei der Montage wird der Flexspline durch den Wave Genarator elliptisch verformt. Dabei wird seine Verzahnung entlang der großen Ellipsenachse mit den Zähnen des fixierten Circular Splines in Eingriff gebracht (1). Bei Drehung des Wave Generators als Antriebsglied wandert dieser Eingriffsbereich (2). Da der Flexspline zwei Zähne weniger hat als der Circular Spline, kommt es bei einer halben Antriebsumdrehung zu einer Relativbewegung beider verzahnten Bauteile um einen Zahn (3) und bei einer vollen Umdrehung von zwei Zähnen (4). Die so erreichte Untersetzung entspricht der halben Zähnezahl des Flexsplines und kann praktisch im Bereich von 30 bis 320 realisiert werden. Wegen des hohen Wirkungsgrades kann das Getriebe jedoch auch zur Übertragung ins Schnelle oder als Summiergetriebe verwendet werden. Darüber hinaus bietet das Funktionsprinzip Spielfreiheit, hohe Genauigkeit, hohe Steifigkeit sowie geringes Gewicht bei hoher Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Die FHA-Servos werden über sinuskommutierte bürstenlose AC Hohlwellenmotore in 320 V oder 560 V-Ausführung angetrieben. Als Motorfeedback-System können Siemens-kompatible Encoder oder Single- bzw. Multiturn HIPERFACE®-Encoder mit jeweils 1024 Inkrementen verwendet werden.

Der Beschleunigungssensor

Wie Bild 2 zeigt, wird die Sensoreinheit auf der Motor-B-Seite angeordnet und über die Hohlwelle angetrieben. So kann die abtriebseitige Beschleunigung gemessen werden, ohne die mechanische Anbindung der Last zu behindern.


Der Sensor misst auch bei bewegtem Antrieb ausschließlich die Winkelbeschleunigung der Welle, da das Ferraris-Prinzip im Gegensatz zu Feder-Masse-Systemen die relative Bewegung zwischen Wirbelstromkörper und Meßaufnehmer erfaßt. Durch die Einbeziehung des Beschleunigungssignals kann das Regelverhaltens des Servoantriebes wesentlich verbessert werden. Das ist dadurch begründet, dass die Beschleunigung unmittelbares Äuqivalent der wirkenden Kräfte ist. Das für die Drehzahlregelung benötigte Ist-Signal wird durch Integration gewonnen, nicht wie bei Encoder-Lösungen durch Differentiation. Differentiation führt immer zu einer zeitlichen Verzögerung und unvermeidlichen Quantisierungsfehlern. Besonders ungünstig sind diese Eigenschaften bei langsamdrehenden Wellen, was für den Servoabtrieb zutrifft. Daher wären hier sehr teure Lösungen mit höchstauflösenden Encodern und schnellen Reglern notwendig.

Die Informationsgewinnung durch Integration hat demgegenüber wesentliche Vorteile, da sie vorausblickend funktioniert und mit moderaten Amplitudenauflösungen und Abtastzeiten auskommt. Eine numerische Integration im Digitalteil moderner Regler ist problemlos möglich, die auftretende Drift kann durch das motorseitige Encoder-Signal gut kompensiert werden. Auf der Basis eines einfachen, von Streckenparametern unabhängigen Beobachters kann so ein vorteilhaftes Regelkonzept realisiert werden.

Anwendungen

Die Abweichung zwischen theoretischem und tatsächlichem Abtriebswinkel eines Getriebes wird Übertragungsgenauigkeit genannt. Bei Harmonic Drive Präzisionsgetrieben wird dieser Wert mit <1 Winkelminute garantiert. Pro Eingangsumdrehung werden funktionsbedingt zwei Perioden dieser winzigen Schwankungen erzeugt. Regen bestimmte Drehzahlen Eigenfrequenzen im System an, kommen dynamische Effekte ins Spiel. Für Applikationen höchsten Anspruchs versprach sich die Harmonic Drive AG eine Verbesserung durch den Einsatz des Ferraris-Sensors. Dazu wurden sowohl im eigenen Haus als auch bei einem Entwicklungspartner Prototypen aufgebaut und Messungen durchgeführt. Parallel wurden Simulationsmodelle für Parameterstudien entwickelt und berechnet. Alle realen und virtuellen Experimente zeigten übereinstimmend Ergebnisse, die die Erwartungen noch übertrafen. Anwendungsnahe Labormessungen zeigten eine Verbesserung der Übertragungsgenauigkeit selbst bei Resonanz auf typisch <10 Winkelsekunden. Bild 4 zeigt den Vergleich zweier Messungen. Die gewonnenen Erfahrungen flossen in das neue Produkt ein, das heute als FHA-C-ACC "AC-Hohlwellenantrieb mit abtriebsseitigem Beschleugungssensor" vorliegt. Der AC-Servo mit Ferraris-Sensor spielt seine Vorteile überall dort aus, wo ein kompakter Antrieb gefordert ist, der höchsten Gleichlauf bei kleinsten Drehzahlen bietet. Die ist typisch bei Anwendungen wie Kristallziehanlagen, Schwenkantrieben in Schleif- und Fräsmaschinen oder Anlagen zum Laserschweißen.

Autor:

Dipl.-Ing. Andreas Kayser

Entwicklung

Harmonic Drive AG

Limburg/Lahn

E-Mail:andreas.kayser@harmonicdrive.de

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Name/Position
Dipl.-Ing. Andreas Kayser
Entwicklung
Anschrift
Harmonic Drive AG
Limburg/Lahn
Direkter Kontakt
andreas.kayser@harmonicdrive.de