antriebstechnik 4/2025

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK IN DER ROBOTIKSebastian Finhold,Product Management,Harmonic Drive, LimburgHARMONIC DRIVEMEHR ZÄHNE IM EINGRIFFHarmonic Drive: Hier steht der Unternehmensname für eine kompletteProduktgruppe, dem Wellgetriebe oder eben Harmonic Drive. Das Unternehmenverlässt sich nicht auf seine Erfahrung, sondern arbeitet stetig an derWeiterentwicklung des bekannten Getriebeprinzips. Die neueste Innovation istdie Triangle-Technologie. Wir sprachen mit Sebastian Finhold, Produktmanagerbei Harmonic Drive, darüber, ob die Weiterentwicklung als „revolutionär“bezeichnet werden kann.Harmonic Drive ist seit Jahrzehnten ein Synonym fürhochpräzise Antriebslösungen. Was sind die Merkmaledes Harmonic Drive Wellgetriebes?SEBASTIAN FINHOLD: Harmonic Drive Getriebe, oderauch Wellgetriebe genannt, sind Präzisionsgetriebe, diesich durch eine hohe einstufige Getriebeuntersetzungund höchste Genauigkeit auszeichnen. Die hohe Untersetzungermöglicht die Verwendung kompakter Servomotoren.Eine leichte Vorspannung zwischen dem ellipsenförmigenWave-Generator-Lager, dem außenverzahntenFlexspline und dem innenverzahnten Circular Splinebewirkt eine spielfreie Bewegungsübertragung, die überdie komplette Lebensdauer des Getriebes erhalten bleibt.Da sich etwa 30% aller Zähne in zwei Zahneingriffsbereichengleichzeitig im Eingriff befinden, wird dasDreh moment auf viele Zähne verteilt, was zu einer hohenDrehmomentdichte und folglich einem kompakten32 antriebstechnik 2025/04 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK IN DER ROBOTIKDesign des Getriebes führt. Das Funktionsprinzip ermöglichtzudem die Konstruktion einer zentralen Hohlwelle, die fürKabel- oder Wellendurchleitungen genutzt werden kann.Nun hat das Unternehmen Harmonic Drive die sogenannteTriangle-Technologie entwickelt und spricht da von einer„revolutionären Weiterentwicklung“ des bekannten Funktionsprinzips.Was ist das Neue und warum ist es so revolutionär?SEBASTIAN FINHOLD: Die Harmonic Drive Triangle-Technologiebasiert auf dem bekannten Harmonic Drive Funktionsprinzip,und zeichnet sich ebenfalls durch eine spielfreie undpräzise Bewegungsübertragung bei kompaktem Bauraum aus.Der Wave Generator besitzt jedoch keine elliptische, sonderneine abgerundete Dreiecksform, die nun drei statt zwei Zahneingriffsbereichezwischen Flexspline und Circular Spline bewirkt.Bei einer Getriebeuntersetzung von beispielsweise 100zu 1 besitzt der Flexspline nun 300 anstelle von 200 Zähnen aufdem gleichen Umfang. Bei kleinerer Zahnhöhe sind nun alsoauch mehr Zähne im Eingriff, auf die die Last verteilt wird.Was sind die größten Vorteile der Triangle-Technologie?SEBASTIAN FINHOLD: Aufgrund der höheren Anzahl an imEingriff befindlichen Zähnen weisen Triangle-Getriebe einedeutlich höhere Torsionssteifigkeit von etwa 30 bis 40 % gegenüberklassischen Harmonic Drive Getrieben auf. Dadurch wirddie Verdrehung des Antriebssystems unter Last merklichHARMONIC DRIVE STEHT FÜRINNOVATIONEN HOCHPRÄZISERANTRIEBSTECHNIK KOMBINIERTMIT DEM KNOW-HOW EINESLANGJÄHRIGEN PLAYERSreduziert. Die höhere Torsionssteifigkeit führt aber auch zueiner geringeren Schwingungsanfälligkeit des Antriebssystems,da die Eigenfrequenz, also die Frequenz, bei der das System zuSchwingungen neigt, in höhere Bereiche verschoben wird. Nichtzuletzt weisen Getriebe nach dem Triangle-Prinzip eine außergewöhnlichhohe Übertragungsgenauigkeit von weniger als0,5 Winkelminuten auf. Dies ermöglicht hochpräzise Anwendungenund verringert gleichzeitig die Schwingungsanregungdes Antriebsstranges.Es ist uns dabei gelungen, die positiven Eigenschaften derTriangle-Technologie auf die leistungsgesteigerten Getriebe-Einbausätze CSG und SHG zu übertragen, deren Drehmomenteum etwa 30% höher liegen, als die klassischen HFUC und HFUS-Getriebe. Die Harmonic Drive Triangle-Technologie verbindetsomit State-of-the-Art Getriebeperformance mit erhöhter Verdrehsteifigkeit.Die Technologie kann zudem auf zahlreicheGetriebeformen übertragen werden, also auf die Cup-Type Bauform,bei denen der Flexspline tassenförmig ausgeführt ist, wieauch die Silkhat-Type Bauform, bei der der Flexspline die Formeines Zylinderhuts hat.Was war die größte Hürde bei der Entwicklung derTriangle-Technologie?01 Harmonic Drive kann mehr als Getriebe: Das IHD-Systemumfasst ein spielfreies Getriebe, einen kompakten Servo-Motor,ein duales Motorfeedbacksystem zur Positionsmessung und einenleistungsfähigen Motion ControllerSEBASTIAN FINHOLD: Das grundlegende Funktionsprinzipeines Wellgetriebes mit drei Zahneingriffsbereichen hat bereitsWalton Musser, der Erfinder des Harmonic Drive Getriebes, Anfangder 1960ziger Jahren dargestellt. Die Umsetzung der Technologiein zuverlässige Antriebstechnik ist jedoch auch mit einigenHerausforderungen verbunden.Bei einem klassischen Wellgetriebe wird die Deflektion, also derAuf- und Abwärts-Hub der Flexsplinezähne auf einem Umfangvon 180° realisiert. Beim Triangle-Getriebe muss der Hub desFlexsplines innerhalb von lediglich 120° abgeschlossen sein.Dies wird nur teilweise kompensiert durch die kleinere Amplitudeaufgrund der geringeren Zahnhöhe. Das bedeutet höhereBelastungen für die verformten Komponenten Wave-Generator-Lager und Flexspline, welche durch Anpassung der Verzahnungsgeometrieausgeglichen werden muss. Die Entwicklungder Triangle-Technologie war daher ein iterativer Prozess,der aus Entwurf der Verzahnung, detaillierte Finite-Elemente-Analysen, sowie Produktion und Tests von Prototypen bestand.Da hierbei Neuland bei der Verzahnungsentwicklung betretenwurde, waren die ersten Prototypen in den Lebensdauertestsnicht gleich erfolgreich. Daher wurde der Entwicklungsprozesswiederholt, bis die Tests erfolgreich absolviert wurden.Der Harmonic Drive SE war es dabei wichtig, dass nur Produktemit technischer Reife auf den Markt gebracht werden, sodassdie Kunden auf die Tragfähigkeit und Genauigkeit nicht nur imNeuzustand, sondern auch über die komplette Getriebelebensdauervertrauen können.Aufgrund des höheren Belastungszustandes kann die HarmonicDrive Triangle-Technologie nicht auf alle klassischen Wellgetriebeuntersetzungenübertragen werden. Je nach Baugröße sindUntersetzungen im Bereich 80 bis 160 realisierbar.Ergeben sich aus diesen Fähigkeiten auch neue Anwendungsbereichefür Harmonic Drive Wellgetriebe?SEBASTIAN FINHOLD: Zunächst sehen wir, dass die positivenEigenschaften der Technologie Leistungssteigerungen in klassischenAnwendungsbereichen ermöglichen. In Schwenkachsenvon Fräsmaschinen ermöglicht die höhere Verdrehsteifigkeitgrößere Vorschubraten und bessere Oberflächenqualitäten derWerkstücke. In Grundachsen von Industrierobotern kann aufgrundder geringeren Schwingungsneigung eine Zielpositionschneller angefahren werden, ohne dass das System zu Schwingungenneigt.www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2025/04 33