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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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ServomotorenZahn um Zahn

Klein und leicht, aber auch präzise und hochdynamisch - das sind die Anforderungen an heutige Antriebssysteme. Wie der Weg zu einer solch effizienten Lösung aussehen kann, zeigt das Unternehmen Harmonic Drive. Eine neue Getriebegeneration bietet nicht nur ein verbessertes Leistungsgewicht sondern ermöglicht zusätzlich eine höhere Drehmomentkapazität und längere Lebensdauer.

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Servomotoren: Zahn um Zahn

Die Forderungen der Industrie nach immer präziseren und dynamischeren Maschinensystemen erfordern ein Umdenken in der Antriebstechnik. Insbesondere müssen neben hoher Präzision und Dynamik auch die Anforderungen an den Bauraum und das Gewicht des Antriebes beachtet werden. Das ist aber nur mit einem sehr hohen Integrationsgrad von allen beteiligten Komponenten in einem Antriebssystem möglich. Angefangen vom Getriebe und Motor, über die Lagerung, bis hin zum Feedbacksystem und der entsprechenden Gehäusestruktur. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es zwingend notwendig, die einzelnen Bauelemente eines solchen Antriebes zu beherrschen und technologische Weiterentwicklungen auf den Gebieten der Werkstofftechnik, Lagertechnik, Schmierstoffe, Magnetsysteme und Feedbacksysteme konsequent umzusetzen.

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Harmonic Drive gehört mit zu den Firmen, die auf diesem Gebiet führend sind. Das Unternehmen entwickelt und fertigt Getriebe, Präzisionsplanetengetriebe, Servomotoren, Servoantriebe mit integriertem Präzisionsgetriebe sowie komplette kundenspezifische Antriebssysteme. Zu den Hauptanwendungen neben dem Werkzeugmaschinenbau in allen seinen Facetten gehören die Industrie- und Servicerobotik, die Halbleiter- und Solarindustrie, Messmaschinen und Optische Systeme, die Medizintechnik. Hinzu kommen anspruchsvolle Luftfahrt- und Defence-Anwendungen. In fast allen Bereichen setzt sich der genannte Trend nach präziseren und effizienteren Maschinen durch.

Anforderungen erkennen

Das bedeutet für Getriebe, Servoantriebe und Servomotoren, dass weiter an Bauraum- und Gewichtsreduktion gearbeitet werden muss, wobei insbesondere die höhere Dynamik und Präzision einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung der Maschinen leistet. Welche Lösungen bietet das Unternehmen, um den genannten Anforderungen gerecht zu werden?

Um die Richtung einer Entwicklung für Präzisionsgetriebe und Servoantriebe festzulegen, ist es elementar, die zukünftigen Anwendungen und deren Anforderungen sehr detailliert zu kennen. Von Vorteil ist, wenn zusätzlich übergreifend ähnliche technische Ansprüche vorhanden sind. Es gibt vier Hauptanforderungen, welche die Entwicklungsziele eindeutig vorgeben: So führt eine Verkürzung der Positionier-Prozesszeiten zu dynamischeren Antriebssystemen und damit zu höheren Beschleunigungsmomenten. Die zweite Forderung hängt damit zusammen, dass anspruchsvolle Endprodukte eine noch höhere Laufruhe und Präzision im Antrieb erfordern. Die beiden letzten Punkte betreffen den Raumbedarf und Gewicht sowohl für ortsfeste als auch mitbewegte Antriebe sowie die nachhaltige Steigerung der Effizienz im gesamten System.

Hinzu kommt, dass anspruchsvolle Positionierprozesse und perfekte Oberflächen bei der Werkstückbearbeitung immer häufiger eine Spielfreiheit des Getriebes über die gesamte Lebensdauer sowie eine perfekte Laufkultur des Gesamtantriebssystems erfordern. Für die Getriebe bedeutet dies eine perfekte Werkstoffauswahl und Verzahnungsauslegung in Verbindung mit Optimierungen im Herstellungsprozess der Verzahnungen. So entstehen bei der Entwicklung neuer Getriebegenerationen, unter Berücksichtigung des sehr speziellen Zahneingriffsverhaltens, optimierte Verzahnungen. Hier hat Harmonic Drive mit seinen kompakten, leichten und präzisen Getrieben eine gute Basis geschaffen. Detaillierte Simulationen bei der Getriebe- und Motorauslegung gewährleisten darüber hinaus, dass hocheffiziente und bauraumsparende Komponenten entstehen. Wichtig bei der Auslegung und konstruktiven Ausführung der einzelnen Bauteile ist auch der modulare Aufbau, der zu deutlich mehr Wirtschaftlichkeit und Flexibilität führt.

Entwicklungszeiten reduzieren

Eine Leistungssteigerung im Präzisionsgetriebebau unter Beibehaltung anspruchsvoller Getriebeeigenschaften wie Spielfreiheit, Übertragungsgenauigkeit, Torsionssteifigkeit und Wiederholgenauigkeit bedeutet, die Drehmomentkapazität bei gleichem Bauraum spürbar zu erhöhen. „Um diese Ziele zu erreichen“, erklärt Dr. Matthias Mendel, Leiter Konstruktion und Entwicklung, „haben wir unsere Werkstoffe und Bauteile weiter optimiert. Hierzu wurden umfangreiche Simulationsmodelle aufgebaut, um die Entwicklungszeiten möglichst kurz zu gestalten. Denn die Variationsvielfalt bei der Ideenfindung soll nicht durch eine hohe Anzahl von gefertigten Prototypen überprüft werden sondern bereits in der Simulationsphase am Modell aufgezeigt werden.“

Derzeit wird bei Harmonic Drive an einer neuen Getriebegeneration mit einer spürbaren Leistungssteigerung gearbeitet. Für die erste realisierte Baugröße 20 ist der Entwicklungsprozess erfolgreich abgeschlossen. „Mit einer völlig neuen Flexspline-Kontur und optimierter Wärmebehandlung ist es uns gelungen, 30 Prozent höhere Lasten über dieses Bauteil zu übertragen“, so Dr. Mendel. Und er ergänzt: „Aufgrund der verbesserten Ellipsengeometrie des Wave Generators und neuer Zahnformen für Flexspline und Circular Spline konnte auch die Getriebelebensdauer spürbar erhöht werden.“ Ein positiver Nebeneffekt, aufgrund der verbesserten Drehmomentkapazität bei gleichen Abmessungen und gleichem Gewicht, ist ein verbessertes Leistungsgewicht. Dies konnte von 293 Nm/kg im Standardgetriebe auf 382 Nm/kg erhöht werden - auch das geht in Richtung Leichtbau. Damit hat das Unternehmen alle drei Komponenten, aus denen jedes Harmonic Drive Getriebe besteht, geändert, beziehungsweise optimiert: Den zentralen Wave-Generator als angetriebenes Bauteil, der ihn umgebende Flexspline, eine zylindrische Stahlbüchse mit Außenverzahnung und den außen liegenden Circular-Spline, ein ebenfalls zylindrischer Ring mit Innenverzahnung.

Der ellipsenförmige Wave Generator verformt bei Montage in den topfförmigen, dünnwandigen Flexspline diesen elliptisch, so dass im Bereich der großen Halbachse eine konische Aufweitung des Flexsplines erfolgt. Diese konische Aufweitung führt zu einem Verkippen der Flexspline-Verzahnung, so dass diese nicht achsparallel zur Mittelachse dieses Bauteils verläuft. Durch dieses Phänomen taucht der Zahn des Flexsplines in Abhängigkeit der axialen Position (über die Zahnbreite) unterschiedlich tief in die Gegenverzahnung des Circular Splines ein. Gleichzeitig verändert sich die so genannte Bahnkurve des Flexspline-Zahnes in Abhängigkeit der axialen Position über die Zahnbreite. In Richtung des geschlossenen Flexsplines flacht die Bahnkurve des Flexspline-Zahnes ab, wodurch nicht nur die Überdeckung in radialer Richtung reduziert wird, sondern es auch zu Interferenzen, also Zahneingriffsstörungen, im Bereich des beginnenden Zahnkontaktes zwischen Flexspline-Zahn und Circular Spline-Zahn kommen kann. Im Bereich der Öffnung des Flexsplines wiederum taucht der Flexspline-Zahn am tiefsten in die Lücke des Circular Spline-Zahnes ein.

In diesem Bereich wird ein vordefiniertes Übermaß, die Vorspannung des Harmonic Drive Getriebes, in der Verzahnung realisiert. Bei ungünstiger Auslegung der Zahnform beziehungsweise bei nicht korrigiertem Zahn kann es hier ebenfalls zu Interferenzen kommen. Um dieses unterschiedliche Zahneingriffsverhalten über die Breite der Verzahnung anforderungsgerecht zu gestalten, wird über die Endrückname (Materialabtrag an der Flanke) ein optimales Zahneingriffsverhalten eingestellt. Der Flexspline-Zahn erhält so eine veränderliche Profilverschiebung über die Zahnbreite.

Leichtbau-Chirurgie- Robotik

Hohe Leistungsdichte, ein geringes Gewicht und eine spielfreie Verzahnung sind Kernmerkmale der Harmonic Drive Getriebe. Das ermöglicht den Einsatz für hochpräzise Positionieraufgaben sowie eine feinfühlige Drehmomentregelung – also ideal für die Leichtbaurobotik. Diese Getriebetechnologie kommt daher in zahlreichen Forschungssystemen des Instituts für Robotik und Mechatronik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zum Einsatz.

Der wachsende Einsatz von Leichtbaurobotern im direkten Kontakt mit dem Menschen erfordert immer kompaktere Systeme bei gleichzeitig steigender Anzahl integrierter sensorischer Komponenten zur Wahrnehmung der Umgebung. Ein typisches Beispiel hierfür ist der DLR Miro Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden, einem Eigengewicht unter zehn Kilogramm und einer Traglast von bis zu drei Kilogramm. Er wurde für ein breites medizinisches Anwendungsspektrum entwickelt - unter anderem für die minimal invasive Telechirurgie. Neben einer hohen Präzision und Robustheit im Einsatz, sind gerade bei mehrarmigen Setups die beschränkten Platzverhältnisse am Operationstisch eine große Herausforderung an die Kompaktheit des Systems. Dazu Dr. Ulrich Hagn, Abteilung Robotersysteme am DLR: „Da externe Kabelschlaufen aus Hygienegründen vermieden werden sollten, stellte sich bei diesem Einsatz die Verlegung des Kabelbaumes durch die kompakten Gelenke als Flaschenhals dar. Hier liefert die Hohlwellenbauform der Harmonic Drive Getriebe durch alle Baureihen hindurch die ideale Lösung.“
Zudem verfügen diese Servoantriebe und kundenspezifische Antriebssysteme über einen hohen Integrationsgrad, was den Konstruktionsaufwand beim Kunden erheblich reduziert - hinzu kommt die standardmäßige Verfügbarkeit als Einbausatz. Damit ist für den Einsatz im DLR Miro Roboterarm die Kombination aus Spielfreiheit, geringem Gewicht und der Hohlwellenausführung das Alleinstellungsmerkmal gegenüber Planeten- und Zykloidgetrieben - auch bei kleinen Getriebegrößen.

Dr. Matthias Mendel, Harmonic Drive/ Dr. Peter Stipp

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