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antriebstechnik 6/2018

antriebstechnik 6/2018

Große Hohlwelle –

Große Hohlwelle – geringes Gewicht Robotergetriebe ermöglichen höhere Dynamik und verkürzte Taktzeiten beim Bauteilhandling 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 Hightech-Geräten wie Industrierobotern realisiert. Integrierte Getriebe der Harmonic Drive AG tragen zu einer höheren Dynamik und einer Verkürzung der Taktzeiten beim Bauteilhandling bei. D er 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 die Pharmaproduktion oder Anwendungen bei der Elektronikmontage noch Nachhol­ Sebastian Finhold ist Produktmanager Mechanik bei der Harmonic Drive AG in Limburg bedarf. 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 flexibel für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden. Merkmale all dieser Handlingsysteme sind eine kleine und kompakte Bauform, sicherheitsrelevante Sensorik, ergonomische Formgebung und eine hohe Positionier- und Bahngenauigkeit. Der Einsatz in Pick-&-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. Achsen von Robotern müssen bei der Beschleunigung und Verzögerung des Roboters hohe Drehmomente übertragen. Gleichzeitig darf der Antrieb selbst nur ein geringes Eigengewicht und 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. 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 58 antriebstechnik 6/2018

SPECIAL I ROBOTIK UND AUTOMATION 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 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 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 geringer Wert, wenn man bedenkt, dass er das Resultat der Wiederholgenauigkeit von bis zu sechs Achsen ist und diese Genauigkeit über die komplette 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 bspw. 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. 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 Ge triebe frei von störendem Umkehrspiel. Somit erreichen die Getriebe der SHG-Baureihe eine Wiederholgenauigkeit kleiner ± 0,1 Winkelminuten. Die Spielfreiheit wird durch die prinzipbedingte Vorspannung des Wellgetriebes über den Coning Effect erreicht. Bei der Montage des Wave-Generators wird der Flexspline im Bereich der großen Hauptachse der Ellipse konisch aufgeweitet. Wird nun der Circular Spline montiert, so wird der Flexspline-Topf wieder in Richtung des Wave-Generators elastisch verformt. Dies bewirkt eine konstante Vorspannung der Verzahnung von Flexspline und Circular Spline, die einen spielfreien Zahneingriff über die komplette Lebensdauer des Getriebes ermöglicht. Bei der Applikation von Klebstoffen, z. B. in der Montage von Automobilteilen, muss eine vorgegebene Bewegungsbahn 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 z. B. 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, z. B. 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 aufgrund 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. Diese erlaubt 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 komplexen Bewegungsabläufen um die vorderen Roboterachsen wickeln. Foto: Harmonic Drive AG www.harmonicdrive.de

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