antriebstechnik 6/2023

SPECIAL: AUTOMATION UND

SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTIK PRÄZISIONSWELLGETRIEBE GETRIEBEINTERNE SENSORIK REDUZIERT TAKTZEITEN Performance-Steigerung von Cobots und Leichtbaurobotern ist ein Ziel, welches auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden kann. Eines ist der Einsatz sensorisierter Präzisionswellgetriebe. Eine neue, in Präzisionswellgetriebe integrierte Drehmomentsensorik für Cobots ermöglicht auch kürzere Taktzeiten. Das ist ein bedeutender Fortschritt für den breiten Einsatz der Robotik in der Industrieautomation, davon ist man bei Schaeffler überzeugt. Wenn Cobots Prozesse feinfühlig und kraftgesteuert ausführen sollen und das Teaching „smooth“ vonstattengehen soll, kann man kaum auf eine Sensorik zur Ermittlung der äußeren Kräfte verzichten. Für die Messung äußerer Kräfte und Momente sind am Cobotmarkt hauptsächlich Sensormodule verbreitet, das heißt Sensoren, die als eigenständige Komponente für Cobots entwickelt und angeboten werden. Diese erfordern zusätzlichen Bauraum und müssen konstruktiv in den Cobot integriert werden. KONZEPTE FÜR DREHMOMENTSENSOREN Bei diesen Sensoren werden die Kräfte und Momente mit Hilfe einer elastischen Struktur, auf der die eigentliche Sensorik (DMS) meist aufgeklebt ist, erfasst. Die konstruktive Auslegung dieser Sensoren ist prinzipbedingt ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung und niedriger Verformung. Für Anwendungen, bei denen der Endeffektor eine Bahnkurve oder Position unter Last exakt einhalten muss, ist die durch den Sensor verursachte Positionsabweichung von großem Nachteil. Konkrete Bauformen sind als 6-Achs-Force-Torque-Sensoren am Endeffektor oder an die Gelenkachsen geflanschte Sensormodule bekannt. Der Ansatz der Schaeffler-Entwickler besteht darin, für die Messung der Drehmomente kein zusätzliches elastisches Element, sondern ein vorhandenes Bauteil des Antriebsstrangs im Gelenk zu nutzen. Damit wird keine weitere Elastizität in die Cobotsstruktur eingebracht und die Steifigkeit der Cobots bleibt auch mit Sensorik zu 100 % erhalten. Welche Vorteile bietet nun dieses interne Konzept? STEIFIGKEIT UND EINFLUSS AUF DIE POSITIONIERZEIT Cobots sind aufgrund ihrer schlanken Bauform und folglich ihrer höheren Elastizität im Vergleich zu Industrierobotern deutlich benachteiligt. Bei größeren Beschleunigungen schwingt die schlanke Cobotstruktur spürbar – vor allem beim Positionieren mit maximaler Abbremsung. Was man durch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an kurzer Taktzeit gewinnt, verliert man durch ein längeres Einschwingen beim Positionieren wieder. Einen großen Einfluss auf die Eigenfrequenz von Cobots haben folgende Faktoren: n die Kippsteifigkeit der Gelenklager bzw. Getriebehauptlager n die Torsionssteifigkeit der Getriebe und die Torsionssteifigkeit der Drehmomentsensoren. 26 antriebstechnik 2023/06 www.antriebstechnik.de

EXTERNES VERSUS INTERNES DREHMOMENTSENSOR-KONZEPT Bei externen Drehmomentsensoren kann durch die zusätzlich eingebrachte Elastizität die Torsionssteifigkeit eines Gelenks auf 25 % bis 60 % des ursprünglichen Wertes sinken. Bei dem von Schaeffler entwickelten Konzept bleibt die Torsionssteifigkeit des Gelenks zu 100 % erhalten. Den Einfluss der Torsionssteifigkeit von Drehmomentsensoren auf das dynamische Verhalten von Cobots soll ein Vergleich dieser beiden Konzepte in einem Worst-Case-Szenario verdeutlichen. Als Vergleichsbasis dient das Präzisionswellgetriebe RT1 von Schaeffler einmal mit integrierter Sensorik und einmal mit externem Sensormodul. Dabei beschleunigt der Motor jeweils ein Massenträgheitsmoment von 7,6 kgm 2 aus Null heraus und bremst den Antrieb wieder bis zum Stillstand. Der Antrieb mit externem Sensormodul (Diagramm 1) zeigt deutlich ein instabiles Verhalten mit sehr großen Beschleunigungsspitzen. Um das dynamische Verhalten zu verbessern, wurden in einer zweiten Simulation die Regelparameter angepasst. So konnten die Beschleunigungsspitzen reduziert werden, allerdings zu Lasten der Positionierzeit. Diese steigt auf 1,2979 s (Diagramm 2). Diagramm 3 zeigt das dynamische Verhalten des RT1-T-Getriebes mit integriertem Drehmomentsensor. Die Positionierzeit beträgt nur 0,99241 s und ist damit um 0,3 s kürzer. Auch ohne Anpassung der Regelparameter klingen die Schwingungen hier schnell ab. Diese Simulation wurde für die Drehachse eines einzigen Gelenks durchgeführt. Selbstverständlich sind die Verhältnisse bei sechs Gelenken mit ihren veränderlichen räumlichen Lagen eines Cobots wesentlich komplexer und die Auswirkungen sehr viel größer. Das vereinfachende Beispiel verdeutlicht jedoch den positiven Einfluss von Drehmomentsensoren auf die Positionierzeit, wenn diese die Torsionssteifigkeit des Gelenks nicht reduzieren. NEU PD Serie Präzisions- Doppelrohr- Lineareinheiten BEWÄHRTE TECHNOLOGIE FÜR DIE MESSUNG VON BETRIEBSLASTEN In der Entwicklung, Applikation und Serienproduktion integrierter Drehmomentsensoren verfügt Schaeffler über jahrelange Erfahrung. Die als Sensotect bekannte Sensortechnologie findet beispielsweise in der Windenergie und in der Automobilindustrie erfolgreich Anwendung. Die Funktionalitä t wird durch eine Submikrometer dü nne, dehnungsempfindliche PVD-Metallbeschichtung realisiert, die durch Mikrobearbeitung strukturiert wird. Das Bauteil selbst wird zum Sensor und der Sensor wird zum Bauteil. Für die Anwendung in der Robotik wurde der Flexspline des Präzisionswellgetriebes genutzt, da diese direkt im Kraftfluss liegt. Zusätzlicher Bauraum wird nicht benötigt. Klebstoffe und Transferpolymere sind nicht erforderlich. Herausragend sind auch eine sehr geringe Hysterese- und Linearitä tsabweichung, auch aufgrund fehlender Störfaktoren. Ebenso werden kleinste Kraft- und Drehmomentänderungen zuverlässig erfasst, was das „smooth Direct-Teach-in“, die Bedienung und die Selbstoptimierung von Cobots wesentlich vereinfacht. 01 02 01 Bauraumneutral: Auch mit der integrierten Drehmomentsensorik ändert sich die Außenkontur des Präzisionswellgetriebes nicht 02 Die dehnungsempfindliche PVD-Metallbeschichtung sowie Steuer- und Signalaufbereitungselektronik sind direkt auf der Flexspline aufgebracht Bei höheren Anforderungen an die Führungsgenauigkeit. Geschlossene und mechanisch bearbeitete Schlitten und Endelemente für eine verzugsfreie Montage. Die Auswahlmöglichkeiten erstrecken sich dabei über das gesamte Durchmesser-Programm: Ø 18, 30, 40, 50 und 60 mm, zudem sind drei Präzisionsstufen wählbar. Auch mit Kugelumlaufspindel, Kugelbüchsen und hartverchromten Vollwellen erhältlich. inocon.de