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Das Robotergetriebe – große Hohlwelle und geringes Gewicht

Im Zeitalter von Industrie 4.0 geht der Trend in vielen Branchen hin zur Modernisierung und Automatisierung von bisher manuell durchgeführten Prozessen. Ein Großteil dieser Automatisierung wird mit High-Tech-Geräten wie beispielsweise Industrierobotern realisiert. Der Einsatz von Robotern senkt die Produktionskosten, erhöht die Anlagenverfügbarkeit und verbessert die Produktqualität. Während in klassischen Industriebereichen, wie der Fahrzeugproduktion, der Einsatz von Industrierobotern schon seit vielen Jahren Standard ist, haben heute viele andere Industriebereiche, wie zum Beispiel die Pharmaproduktion oder Anwendungen bei der Elektronikmontage, noch Nachholbedarf. Aufgrund der geringeren Bauteilgewichte sind in solchen Anwendungen Roboter mit kleinen Traglasten von 0,5 bis ca. 10 kg gefragt. Die Roboterhersteller haben sich diesem Trend gestellt und eine Vielzahl von Allroundrobotern mit kleinstem Platzbedarf und hoher Verfügbarkeit entwickelt.

Neben dem klassischen Konzept von Industrierobotern, die redundante Schutzeinrichtungen erfordern, haben sich in den letzten Jahren die kollaborativen Roboter etabliert. Die sogenannten „Cobots“ sind Leichtbauroboter, die Hand in Hand mit dem Menschen arbeiten können, ihn bei vielen Prozessschritten unterstützen und sehr flexibel für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden. Merkmale all dieser Handlingssysteme sind eine kleine und kompakte Bauform, sicherheitsrelevante Sensorik, ergonomische Formgebung und eine hohe Positionier- und Bahngenauigkeit. Der Einsatz in Pick and Place-Anwendungen erfordert schnelles Beschleunigen und Abbremsen sowie hohe Verfahrgeschwindigkeiten – im Rahmen der zulässigen Bewegungsgeschwindigkeiten für Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) – um optimale Zykluszeiten realisieren zu können. 

Anforderungen an das Antriebssystem

Das Antriebssystem der Roboterachsen muss vielen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Gefragt sind höchste Drehmomentdichte, präzise Bewegungsübertragung, Robustheit und Zuverlässigkeit, oft eine große Hohlwelle sowie ein kompaktes Abtriebslager mit hoher Tragfähigkeit.

Höchste Drehmomentdichte und Leichtbau

Achsen von Robotern müssen bei der Beschleunigung und Verzögerung des Roboters hohe Drehmomente übertragen. Gleichzeitig darf der Antrieb selbst nur ein geringes Eigengewicht und sehr kompakte Abmessungen aufweisen. Je weiter der Gelenkantrieb von der ersten Achse entfernt ist, desto leichter sollte er sein, denn sein Gewicht erhöht das Massenträgheitsmoment für die vorgeschalteten Achsen und reduziert somit die Dynamik bzw. die Traglast des Roboters. Dabei spielt nicht nur das eigentliche Gewicht des Getriebes eine Rolle, sondern auch seine Abmessungen. Denn mit zunehmender Größe des Getriebes wächst auch das Gewicht der Strukturteile, wie der Gehäuse, überproportional. Speziell die weiter entfernten Handachsen müssen daher hohe Drehmomente bei geringem Gewicht und kleinen Abmessungen bereitstellen.

Die Harmonic Drive® Getriebeunits der Baureihe SHG-2SH zeichnen sich durch höchste Drehmomentdichte aus. Sie ergibt sich aus ihrem besonderen Funktionsprinzip. Bei einem Wellgetriebe sind untersetzungsabhängig bis zu 30 % aller Zähne gleichzeitig im Eingriff, wodurch sich die Belastung auf viele Zähne und symmetrische Belastungszonen verteilt. Durch ein optimiertes Zahnprofil und eine bessere Lastverteilung im Wave Generator-Lager wurden die übertragbaren Drehmomente der SHG-Unit noch einmal um ca. 30 % gegenüber dem Vorgängerprodukt HFUS gesteigert. Das Getriebe trägt somit zu einer höheren Dynamik und einer Verkürzung der Taktzeiten beim Bauteilhandling bei. 

Das SHG-2SH ist als sogenannte Simplicity Unit aufgebaut. Es besteht ausschließlich aus dem Einbausatz und dem 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. Somit eignet sich diese Bauform ideal für die bewegten Roboterachsen, bei denen die Reduktion des Gewichtes eine deutliche Verbesserung der Dynamik und Tragfähigkeit des Roboterarms zur Folge hat. 

Lebenslange Präzision und Spielfreiheit

Bei der Montage von Elektronikbauteilen ist höchste Präzision bei der Positionierung des Roboterarms gefragt, um eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen. Typischerweise wird eine Wiederholgenauigkeit des Roboters von ± 0,1 mm gefordert. Dies bedeutet, wenn der Roboterarm eine Position anfährt, verschwenkt und anschließend die gleiche Position erneut anfährt, so erreicht er die ursprüngliche Position mit einer maximalen Abweichung von ± 0,1 mm. Ein beachtlich kleiner Wert, wenn man bedenkt, dass er das Resultat der Wiederholgenauigkeit von bis zu 6 Achsen ist und diese Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer des Roboters erhalten werden soll.Eine solche Genauigkeit lässt sich nur mit spielfreien Getrieben realisieren. Spielfreiheit bedeutet, dass sich der Getriebeabtrieb bei blockiertem Getriebeeingang unter wechselnder Drehmomentrichtung nicht bewegt. Planetengetriebe beispielsweise benötigen prinzipbedingt immer ein definiertes Zahnflankenspiel, damit es nicht zu einem Verklemmen oder übermäßigem Verschleiß kommt.Wellgetriebe zeichnen sich dagegen durch einen spielfreien Zahneingriff aus. Dies wird durch die prinzipbedingte Vorspannung des Getriebes über den sogenannten Coning?Effekt erreicht. Die Spielfreiheit wird über die komplette Lebensdauer des Getriebes aufrechterhalten. Selbst bei fortgeschrittener Betriebszeit und beginnendem Verschleiß bleibt die Vorspannung des Zahneingriffs erhalten und das Getriebe frei von störendem Umkehrspiel. Somit erreichen die Getriebe der SHG-Baureihe eine Wiederholgenauigkeit kleiner ± 0,1 Winkelminuten. 

Bei der Applikation von Klebstoffen, beispielsweise in der Montage von Automobilteilen, muss eine vorgegebene Bewegungsbahn sehr genau und wiederholbar abgefahren werden. Dies erfordert einerseits eine präzise Koordination der Drehung der Roboterachsen durch die Steuerung des Roboters, andererseits auch Getriebe mit höchster Übertragungsgenauigkeit. Die Übertragungsgenauigkeit ist ein Maß für die Abweichung zwischen dem theoretischen Abtriebswinkel, der sich bei der Drehung des Getriebeeingangs um einen bestimmten Winkel ergeben soll, und dem realen Abtriebswinkel, der sich am Getriebeausgang einstellt. Je kleiner der Übertragungsfehler des Getriebes ist, umso besser kann beispielsweise der Roboterarm einem vorgegebenen Bahnprofil folgen. Die Getriebeunits der Baureihe SHG weisen eine exzellente Übertragungsgenauigkeit von < 1 Winkelminute auf und tragen somit entscheidend zur Genauigkeit der Bahnverfolgung des Roboters bei. 

Robustheit und Zuverlässigkeit

Roboter sind häufig im Dauereinsatz, zum Beispiel beim Bauteilhandling oder Palettieren von Komponenten. Solche Anwendungen verlangen Zuverlässigkeit, überdurchschnittliche Lebensdauer, Robustheit und Wartungsarmut von der Automatisierungslösung.Die SHG-Getriebe bieten in diesen Anwendungen einen entscheidenden Vorteil. Die Lebensdauer des Einbausatzes wurde dank verbesserter Schmierstoffe und optimierten Belastungsverhältnissen am Wave Generator-Lager im Vergleich zum Vorgängerprodukt HFUS noch einmal um etwa 40 % gesteigert. Die Nennlebensdauer L10 liegt bei 10 000 statt bisher 7 000 Stunden. Die fettgeschmierten Units punkten hierbei mit einer Lebensdauerschmierung, eine Wartung zum Nachschmieren wird daher meist überflüssig. 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 durchaus gewachsen. Das Verhältnis zwischen Kollisionsdrehmoment und Nenndrehmoment liegt abhängig von Baugröße und Untersetzung bei Faktor 4 bis 7. Durch ein optimiertes Verzahnungsprofil wurde das Kollisionsdrehmoment gegenüber dem Vorgängergetriebe HFUS zudem um etwa 30 % gesteigert. 

Große Hohlwelle

Die Getriebebauform 2SH bietet eine zentrale Hohlwelle. Die Vorteile der Hohlwellenkonstruktion für die Robotik liegen auf der Hand. Sie ermöglicht einerseits die Durchführung von Versorgungsleitungen für den Antriebsmotor der nächsten Achse, andererseits können Steuer-, Sensor- und Pneumatikleitungen für den Greifer oder andere Manipulatoren im Inneren der Achse durchgeführt werden. Dies minimiert die Gefahr, dass sich die gebündelten Leitungen bei sehr komplexen Bewegungsabläufen um die vorderen Roboterachsen wickeln. Zudem bedeutet dies eine erhebliche Erweiterung der Bewegungsfreiheit des Roboters. 

Präzises und kippsteifes Abtriebslager

Zur präzisen Bewegungsübertragung ist neben einem hochgenauen Getriebeeinbausatz auch ein Abtriebslager mit höchster Präzision erforderlich. Bei der Bauform 2SH 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 werden. In vielen Leichtbaurobotern und Cobots wird aufgrund der hohen Tragfähigkeit und Kippsteifigkeit des Kreuzrollenlagers auf eine weitere Lagerstelle verzichtet. Dies vereinfacht den Aufbau wie auch die Montage der Roboterachse erheblich. 

Konsequente Funktionsintegration

Ein weiterer Beitrag zum Leichtbau des Roboterarms ist die Integration von weiteren Funktionen in das Getriebe. Die Hohlwelle der SHG-2SH Unit wird in vielen Leichtbaurobotern gleichzeitig als Rotorwelle des Antriebsmotors genutzt. Hierfür werden die Magnete des permanent erregten Synchronmotors direkt auf der Hohlwelle des Getriebeeingangs befestigt. Das Wicklungspaket sitzt direkt neben der Getriebeunit. Motor und Getriebe bilden eine kompakte Einheit. Die koaxiale Anordnung von Motor und Getriebe hat gleich mehrere Vorteile. Der Antriebsmotor muss nicht parallel zum Getriebe gesetzt werden, somit entfällt die Notwendigkeit einer Stirnrad- oder Riemenvorstufe. Darüber hinaus wird die Hohlwelle des Getriebes nicht vom Motor verdeckt und kann für die Kabeldurchführung von Versorgungsleitungen genutzt werden. Aufgrund der Funktionsintegration kann das Gesamtgewicht der Antriebsachse wesentlich reduziert werden. 

Variantenvielfalt

Die Units der Baureihe SHG sind in drei Varianten verfügbar, die eine konstruktive Flexibilität bei der Integration in die Anwendung ermöglichen. Neben der Simplicity Unit SHG-2SH, die sich aufgrund der großen Hohlwelle und dem geringen Gewicht ideal für Roboterachsen eignet, gibt es zwei weitere Getriebevarianten. 

Die Unit SHG-2UH besitzt eine gelagerte und vollständig gedichtete Hohlwelle zur Durchführung von Versorgungsleitungen, Wellen oder Kabel für weiterführende Antriebssysteme. Der Antrieb erfolgt meist über einen parallel gesetzten Servomotor mittels Riemen- oder Zahnradstufe. 

Die Unit SHG-2SO ist wie die 2SH-Variante als Simplicity Unit aufgebaut und verzichtet auf einen separaten An- und Abtriebsflansch. Sie verwendet einen Wave Generator mit Eingangsbohrung und eignet sich ideal für die direkte und platzsparende Anbindung eines Standard-Servomotors. Diese Bauform wird häufig in den Grundachsen vieler Roboter verwendet.  

Die Getriebeunits SHG in den Bauformen 2SO, 2UH und 2SH (v. l. n. r.) sind erhältlich in zehn Baugrößen mit den Untersetzungen 50, 80, 100, 120 und 160 bei einem wiederholbaren Spitzendrehmoment zwischen 23 und 3419 Nm. Sie kombinieren die herausragenden Eigenschaften des Einbausatzes SHG-2A – große Hohlwelle, gesteigertes Drehmoment, höhere Lebensdauer, lebenslange Präzision – mit einem kippsteifen und hochgenauen Kreuzrollenlager. Dies erlaubt die direkte Abstützung der Lagerlasten der Anwendung auf kürzestem Bauraum.  

Ihr Ansprechpartner für Presseanfragen

Saskia Groth
Marketing und Kommunikation

Fon: +49 6431 5008-214

E-Mail: saskia.groth@harmonicdrive.de