Mini-Harmonic-Getriebe für kleine Roboterarme und Desktop-6-Achs-Roboter

Die Entwicklung kleinerer und leichterer Robotersysteme stellt neue Anforderungen an Robotergelenke. Kleine Roboterarme, Desktop-Roboterarme und kompakte 6-Achs-Roboterarme finden zunehmend Anwendung in der Elektronikmontage, Laborautomation, im Bildungsbereich, in der Forschung und in anderen beengten Umgebungen. Diese Roboter müssen flexible Mehrachsenbewegungen ermöglichen, ohne dabei für ihren vorgesehenen Arbeitsbereich zu groß oder zu schwer zu sein.

Ein kleiner 6-Achs-Roboterarm nutzt typischerweise sechs Drehgelenke, um Position und Ausrichtung seines Endeffektors zu steuern. Diese Bauweise verleiht dem Roboter eine hohe Flexibilität, stellt aber gleichzeitig höhere Anforderungen an die Gelenkkonstruktion. Jedes Gelenk muss ein ausreichendes Drehmoment und eine hohe Positioniergenauigkeit gewährleisten und dabei Größe und Gewicht im Rahmen halten.

Bei diesem Roboterarmtyp ist das Getriebe mehr als nur eine einfache Antriebskomponente. Seine Größe, sein Zahnflankenspiel, sein Untersetzungsverhältnis, seine Drehmomentdichte und seine mechanische Konfiguration beeinflussen die Konstruktion des gesamten Roboters maßgeblich. Ein Mini-Harmonisches-Getriebe bietet eine kompakte Getriebelösung für Robotergelenke, die hohe Untersetzungsverhältnisse, geringes Zahnflankenspiel, hohe Drehmomentdichte und – bei Hohlbauweise – eine interne Kabelführung erfordern.

Für Hersteller, die kleine 6-Achs-Roboterarme, Desktop-Roboterarme, leichte kollaborative Roboterarme und kompakte Automatisierungsanlagen entwickeln, sind Mini-Harmonische Reduziergetriebe aufgrund dieser Eigenschaften besonders relevant für die moderne Konstruktion von Robotergelenken.

Warum benötigen kleine Roboterarme Mini-Harmonische Reduzierstücke?

Ein kleiner Roboterarm lässt sich nicht einfach durch Verkleinerung eines herkömmlichen Industrieroboters konstruieren. Je kleiner der Roboter wird, desto wichtiger wird das Verhältnis zwischen Gelenkgröße, Gelenkgewicht, Motordrehmoment und verfügbarem Bauraum.

Ein typischer 6-Achs-Roboterarm besitzt mehrere in Reihe geschaltete Drehgelenke. Das Gewicht eines Gelenks wird von den Gelenken getragen, die sich näher an der Basis befinden. Ist das Schulter- oder Ellbogengelenk unnötig schwer, benötigen die vorgelagerten Gelenke ein höheres Drehmoment, um den Roboter zu bewegen. Dies kann zu größeren Motoren, größeren Strukturbauteilen und einem insgesamt schwereren Roboter führen.

Bei einem Desktop-Roboterarm wird dieses Problem noch deutlicher, da das gesamte System kompakt genug sein muss, um auf einer Werkbank oder in einer kleinen Automatisierungszelle eingesetzt werden zu können.

Ein kompaktes Untersetzungsgetriebe mit hoher Drehmomentdichte kann daher mehr leisten als nur ein kleineres Getriebe. Es kann Ingenieuren helfen, die Abmessungen der Gelenke zu reduzieren, das Robotergewicht zu kontrollieren und die mechanische Struktur des gesamten kleinen 6-Achs-Roboterarms zu optimieren.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Mini-Harmonische Reduziergetriebe für kompakte Robotergelenke in Betracht gezogen werden.

Was ist ein Mini-Harmonischer Reduzierer für einen kleinen Roboterarm?

Ein Mini-Harmonic-Reducer ist ein kompaktes Präzisionsgetriebe, das auf Harmonic-Transfer-Technologie basiert. Seine Hauptfunktion besteht darin, die hohe Drehzahl eines Motors in eine niedrigere Drehzahl und ein höheres Drehmoment für ein Robotergelenk umzuwandeln.

Das hohe Untersetzungsverhältnis von Harmonic-Transfer-Getrieben ermöglicht es, mit einem relativ kompakten Getriebe eine erhebliche Drehzahlreduzierung zu erzielen, ohne dass mehrere Getriebestufen erforderlich sind. Typische Untersetzungsverhältnisse für Roboteranwendungen liegen je nach Modell bei 30:1, 50:1, 80:1 und 100:1.

Bei einem kleinen Roboterarm kann das grundlegende Antriebssystem aus einem Motor, einem Mini-Harmonischen Reduziergetriebe und einem Abtriebsgelenk bestehen. In Kombination mit einem rahmenlosen Drehmomentmotor, einem Encoder und einer Bremse kann das Reduziergetriebe auch Teil eines stärker integrierten Robotergelenkaktuators werden.

Diese Architektur ist besonders relevant für kleine Roboterarme, Desktop-Roboterarme, Desktop-6-Achs-Roboter, kleine kollaborative Roboterarme und kompakte Robotergelenke, bei denen der verfügbare Installationsraum begrenzt ist und jede Komponente sorgfältig integriert werden muss.

Hauptvorteile von Mini-Harmonischen Untersetzungsgetrieben für kleine Roboterarme

Kompakte Größe und hohes Untersetzungsverhältnis

Einer der wichtigsten Vorteile eines Mini-Harmonischen Reduziergetriebes ist die Möglichkeit, innerhalb einer kompakten Getriebestruktur ein relativ hohes Untersetzungsverhältnis zu erreichen.

Untersetzungsverhältnisse wie 30:1, 50:1, 80:1 und 100:1 ermöglichen es dem Motor und dem Getriebe, die erforderliche Drehzahl und das erforderliche Drehmoment zu erreichen, ohne auf mehrere Untersetzungsstufen angewiesen zu sein.

Bei einem kleinen 6-Achs-Roboterarm kann die Reduzierung der Getriebestufen die Gelenkstruktur vereinfachen und den Außendurchmesser des Gelenks besser kontrollieren. Dies ist besonders wichtig für Desktop-Roboterarme, da übergroße Gelenke die Stellfläche vergrößern und den verfügbaren Arbeitsbereich einschränken können.

Ein kompaktes Untersetzungsgetriebe mit hoher Übersetzung gibt Roboterkonstrukteuren daher mehr Freiheit bei der Entwicklung kleinerer Glieder und stärker integrierter Gelenke.

Geringes Spiel für präzise Robotergelenkbewegungen

Geringes Spiel ist bei einem sechsachsigen Roboterarm besonders wichtig, da die Endposition des Endeffektors von der koordinierten Bewegung mehrerer Gelenke abhängt.

Spiel kann bei einer Änderung der Drehrichtung zu Bewegungsverlusten führen. Tritt dieser Fehler wiederholt an mehreren Gelenken auf, kann dies die Positioniergenauigkeit des Endeffektors beeinträchtigen.

Mini-Harmonische Reduziergetriebe sind für präzise Kraftübertragung ausgelegt und zeichnen sich durch sehr geringes Spiel aus. Je nach Präzisionsgrad und Modell kann das Spiel ≤ 1 Bogenminute betragen, wobei hochpräzise Ausführungen im Bereich von einigen zehn Bogensekunden erhältlich sind.

Bei kleinen 6-Achs-Roboterarmen kann diese Eigenschaft die wiederholbare Positionierung und die kontrollierte Bahnbewegung in Anwendungen wie der Leiterplattenbestückung, dem Schrauben, dem Dosieren, dem Löten, der Bauteilhandhabung und der Inspektion unterstützen.

Hohe Drehmomentdichte für leichte Roboterarme

Bei einem leichten Roboter muss das Ausgangsdrehmoment zusammen mit dem Gewicht und den Abmessungen des Gelenks berücksichtigt werden.

Ein Untersetzungsgetriebe, das das erforderliche Drehmoment in einem kompakten Gehäuse bereitstellen kann, ermöglicht es den Ingenieuren, die Gelenkmasse zu kontrollieren, ohne die mechanische Leistungsfähigkeit des Roboters zu beeinträchtigen.

Dies ist besonders wichtig für serielle 6-Achs-Roboterarme. Ein leichteres Ellbogen- oder Handgelenk reduziert die Belastung der Schulter und anderer vorgelagerter Gelenke. Dadurch lässt sich der gesamte Roboter potenziell mit kleineren Motoren, leichteren Bauteilen und kompakteren Gelenken optimieren.

Bei Desktop-Roboterarmen und leichten kollaborativen Roboterarmen ist die Drehmomentdichte aufgrund dieses Zusammenhangs zwischen Gelenkgewicht und Gesamtleistung des Roboters ein wichtiger Konstruktionsfaktor.

Hohlwelle für interne Kabelführung

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines kleinen Roboterarms ist das Kabelmanagement.

Ein Sechs-Achs-Roboter benötigt möglicherweise Platz für Motorkabel, Encoder-Verkabelung, Sensorkabel, Pneumatikschläuche und Endeffektoranschlüsse. Externe Kabelführung kann das Risiko von Kabelbiegungen, -verdrehungen, -zug und -beeinträchtigungen bei kontinuierlichen Gelenkbewegungen erhöhen.

Ein Hohlwellen-Mini-Harmonikreduzierer bietet einen zentralen Durchgang, der je nach Konfiguration für die interne Kabel- und Schlauchführung genutzt werden kann.

Bei einem 6-Achs-Roboterarm für den Schreibtisch vereinfacht dies die mechanische Konstruktion und ermöglicht eine sauberere Gelenkstruktur. Die interne Kabelführung reduziert zudem die Menge der außen am Roboterarm sichtbaren Kabel und bietet Herstellern mehr Gestaltungsfreiheit bei der Entwicklung kompakter Roboterglieder und Gelenkgehäuse.

Koaxiale Integration mit rahmenlosen Drehmomentmotoren

Die koaxiale Eingangs- und Ausgangskonfiguration der Oberwellenübertragung eignet sich gut für Robotergelenkarchitekturen.

Wenn ein Mini-Harmonisches Getriebe mit einem rahmenlosen Drehmomentmotor kombiniert wird, können die Motorkomponenten direkt in das Robotergelenkgehäuse integriert werden, anstatt auf ein herkömmliches Motorgehäuse angewiesen zu sein.

Durch die so entstehende Verbindung können Motor, Getriebe, Encoder, Bremse, Lager und Gehäuse in einer einzigen kompakten Baugruppe integriert werden.

Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Hersteller, die ihren eigenen kleinen Roboterarm entwickeln, da das Gelenk um den verfügbaren mechanischen Bauraum herum konstruiert werden kann und nicht durch die äußeren Abmessungen eines Standard-Servomotors eingeschränkt ist.

Mini-Harmonische Getriebe für kleine 6-Achs-Roboterarme

Ein kleiner 6-Achs-Roboterarm ist eine der geeignetsten Anwendungen für ein kompaktes Präzisionsgetriebe, da jede Achse eine kontrollierte Drehbewegung erfordert, während die gesamte mechanische Struktur leicht bleiben muss.

Die Sechs-Achs-Konfiguration ermöglicht es dem Roboter, sowohl die Position als auch die Ausrichtung seines Endeffektors zu steuern. Dadurch eignet er sich für Aufgaben, bei denen das Werkzeug ein Werkstück aus verschiedenen Richtungen anfahren muss.

Die Leistungsfähigkeit des gesamten Roboters hängt jedoch vom Zusammenspiel aller sechs Gelenke ab.

Geringes Spiel trägt zur gleichbleibenden Positionierung bei. Eine hohe Drehmomentdichte hilft, das Gelenkgewicht zu kontrollieren. Ein hohes Untersetzungsverhältnis ermöglicht die für das Gelenk erforderliche Drehmomentverstärkung. Eine Hohlkonstruktion vereinfacht die Kabelführung.

Aus diesem Grund können Mini-Harmonische Reduziergetriebe eine wichtige Rolle in der mechanischen Architektur kompakter Sechs-Achs-Roboter spielen.

Mini-Harmonische Reduzierstücke für Desktop-Roboterarme

Die Anforderungen an einen Desktop-Roboterarm unterscheiden sich etwas von denen eines großen Industrieroboters.

Ein Desktop-Roboterarm muss auf eine Werkbank passen, in einem begrenzten Arbeitsbereich funktionieren und leicht genug sein, um einfach installiert oder neu positioniert werden zu können.

Dies macht eine kompakte Konstruktion der Verbindungen besonders wichtig.

Ein Mini-Harmonisches-Getriebe kann Herstellern helfen, kleinere Drehgelenke zu entwickeln, ohne dabei das für kontrollierte Roboterbewegungen erforderliche Untersetzungsverhältnis und die Präzision zu beeinträchtigen.

Dadurch eignet sich die Technologie für Desktop-Automatisierungssysteme, Roboterarme für Bildungszwecke, Laborroboter, Forschungsplattformen und kompakte Fertigungsanlagen.

Bei diesen Anwendungen kann die Kombination aus kompakten Abmessungen, geringem Spiel, hoher Drehmomentdichte und interner Kabelführung wichtiger sein als eine extrem hohe kontinuierliche Ausgangsdrehzahl.

Mini-Oberschwingungsdämpfer in der 3C-Elektronikautomatisierung

Die 3C-Elektronikindustrie ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für kleine Roboterarme und Desktop-6-Achs-Roboter.

Die Elektronikfertigung ist oft durch kleine Bauteile, beengte Arbeitsbereiche, häufige Produktwechsel und präzise Montagevorgänge gekennzeichnet. Ein Sechs-Achs-Roboter bietet die nötige Flexibilität, um Werkzeuge und Bauteile aus verschiedenen Winkeln zu positionieren.

Leiterplattenschrauben

Ein kleiner Sechs-Achs-Roboter kann einen Schraubendreher transportieren und ihn zwischen verschiedenen Befestigungspositionen auf einer Leiterplatte oder einer elektronischen Baugruppe bewegen. Geringes Spiel und wiederholgenaue Gelenkbewegungen tragen zu einer gleichbleibenden Werkzeugpositionierung bei wiederholten Arbeitsgängen bei.

Leiterplattendosierung

Für Dosieranwendungen ist es erforderlich, dass das Werkzeug kontrollierten Bahnen um elektronische Bauteile folgt. Die Positionierungsgenauigkeit jedes Robotergelenks kann die Präzision und Konsistenz der Dosierbahn beeinflussen.

Löten

Ein kompakter Sechs-Achs-Roboterarm kann ein Lötwerkzeug um eine Leiterplatte positionieren und Bauteile aus verschiedenen Richtungen anfahren. Diese Flexibilität ist besonders nützlich, wenn das Werkstück Bauteile an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Ausrichtungen enthält.

Komponentenhandhabung und Montage

Kleine Roboterarme können Pick-and-Place- und Montagevorgänge in kompakten Arbeitsstationen durchführen. Ihre leichte Bauweise und die geringen Gelenkabmessungen machen sie geeignet für Automatisierungssysteme mit begrenztem Installationsraum.

Sichtprüfung

Ein Desktop-Roboterarm kann eine Kamera oder einen Inspektionssensor tragen und sich um ein Produkt bewegen, um Bilder aus verschiedenen Positionen und Winkeln aufzunehmen. Die sechsachsige Bewegung bietet eine größere Flexibilität bei der Inspektion als einfache lineare Positioniersysteme.

Einschränkungen von Mini-Harmonischen-Reduzierern

Ein Mini-Harmonisches-Untersetzungsgetriebe ist nicht für jede Anwendung die optimale Getriebelösung. Seine Vorteile kommen besonders dann zum Tragen, wenn ein Robotergelenk Kompaktheit, Präzision, hohe Untersetzung und hohe Drehmomentdichte erfordert.

Stoßbelastungen erfordern sorgfältige Berücksichtigung.

Die harmonische Kraftübertragung nutzt ein flexibles Übertragungselement als Teil ihres Funktionsprinzips. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und ein hohes Untersetzungsverhältnis, jedoch müssen starke Stoßbelastungen und wiederholte unkontrollierte Kollisionen bei der Roboterkonstruktion sorgfältig berücksichtigt werden.

Bei einem kleinen kollaborativen Roboter oder einem Desktop-Roboterarm sollte das Getriebe entsprechend dem zu erwartenden Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, der externen Last, der Beschleunigung und den Kollisionsbedingungen ausgewählt werden.

Nicht primär für den kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ausgelegt.

Ein Mini-Harmonisches Untersetzungsgetriebe ist primär für eine hohe Untersetzung und präzise Abtriebsbewegung ausgelegt, nicht jedoch für eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Abtriebsrotation.

Dadurch eignet es sich hervorragend für Robotergelenke, bei denen der Motor typischerweise mit höherer Drehzahl arbeitet, während das Gelenk eine kontrollierte Bewegung mit niedrigerer Drehzahl und höherem Drehmoment erfordert.

Anwendungen, die eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsrotation des Abtriebs erfordern, benötigen möglicherweise eine andere Getriebearchitektur.

Die richtige Größe bleibt unerlässlich

Die kompakte Größe eines Mini-Harmonischen Reduziergetriebes bedeutet nicht, dass die Lastanforderungen vernachlässigt werden können.

Bei der Auswahl des Getriebes sollten Roboterhersteller das Nenndrehmoment, das Spitzendrehmoment, die Ausgangsdrehzahl, das Trägheitsmoment der Last, die Beschleunigung, den Arbeitszyklus, die externen Momentenbelastungen und die Betriebsumgebung berücksichtigen.

Bei einem sechsachsigen Roboter muss das Getriebe auch in Bezug auf die Position des Gelenks innerhalb der Roboterstruktur bewertet werden, da Schulter-, Ellbogen- und Handgelenke erheblichen Belastungen ausgesetzt sein können.

Mini-Harmonisches-Getriebe vs. Planetengetriebe für kleine Roboterarme

Mini-Harmonische Reduziergetriebe und Planetengetriebe können beide in Roboterantriebssystemen eingesetzt werden, ihre mechanischen Eigenschaften sind jedoch unterschiedlich.

Für kleine Roboterarme und Desktop-6-Achs-Roboter ist ein Mini-Harmonic-Reducer besonders attraktiv, wenn beim Design kompakte Gelenkabmessungen, hohe Untersetzungsverhältnisse, geringes Spiel und hohe Drehmomentdichte im Vordergrund stehen.

Ein Planetengetriebe kann von Vorteil sein, wenn bei der Anwendung der Schwerpunkt auf Hochgeschwindigkeitsbetrieb, Effizienz oder spezifischen Lastcharakteristika liegt.

Die Auswahl sollte daher auf den tatsächlichen Anforderungen des Roboters basieren und nicht auf der Annahme, dass ein bestimmter Getriebetyp generell besser ist.

Für ein kompaktes Sechs-Achs-Robotergelenk, das ein hohes Untersetzungsverhältnis und sehr geringes Spiel bei begrenztem Bauraum erfordert, bietet sich ein Mini-Harmonikgetriebe an. Für Anwendungen, die eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsausgabe oder andere Übertragungscharakteristika erfordern, ist ein Planetengetriebe möglicherweise besser geeignet.

Wann sollte man einen Mini-Harmonischen Reduzierer für einen kleinen Roboterarm wählen?

Ein Mini-Harmonisches Getriebe ist dann eine Überlegung wert, wenn das Robotergelenk eine kompakte Bauform mit präziser Bewegung und hohem Drehmoment kombinieren muss.

Dies ist insbesondere relevant bei der Entwicklung eines kleinen 6-Achs-Roboterarms, eines Desktop-Roboterarms oder eines leichten kollaborativen Roboterarms, bei denen Gelenkdurchmesser und Gewicht direkten Einfluss auf die Gesamtkonstruktion des Roboters haben.

Es ist auch dann ein starker Kandidat, wenn der Roboter ein geringes Spiel für wiederholgenaue Positionierung, ein hohes Untersetzungsverhältnis in einem kompakten Gehäuse oder eine Hohlstruktur für die interne Kabelführung erfordert.

Für Hersteller, die ein integriertes Robotergelenk mit rahmenlosem Drehmomentmotor, Encoder und Bremse entwickeln, kann der Mini Harmonic Reducer auch als zentrale Präzisionsgetriebekomponente dienen.

Abschluss

Die Entwicklung von kleinen Roboterarmen, Desktop-Robotern und kleinen 6-Achs-Robotern verändert die Anforderungen an die Gelenkantriebe von Robotern. Ein kompakter Roboterarm benötigt mehr als nur ein ausreichendes Drehmoment. Seine Gelenke müssen hinsichtlich Größe, Gewicht, Präzision, Untersetzungsverhältnis, Kabelführung und mechanischer Integration optimal aufeinander abgestimmt sein.

Ein Mini-Harmonic-Reduziergetriebe erfüllt diese Anforderungen durch eine kompakte Getriebestruktur, ein hohes Untersetzungsverhältnis, geringes Zahnflankenspiel, eine hohe Drehmomentdichte, eine koaxiale Bauweise und Hohlwellenoptionen bei geeigneten Modellen.

Bei kleinen Sechs-Achs-Robotern können diese Eigenschaften den Herstellern helfen, kompakte und leichte Gelenke zu entwickeln, ohne dabei die für Anwendungen wie die 3C-Elektronikmontage, das Verschrauben von Leiterplatten, das Dosieren, Löten, die Bauteilhandhabung und die Sichtprüfung erforderliche Präzision zu beeinträchtigen.

Die Technologie hat jedoch ihre Grenzen. Starke Stoßbelastungen, dauerhaft hohe Drehzahlen und anspruchsvolle externe Lasten erfordern eine sorgfältige technische Bewertung und entsprechende Dimensionierung. Ein Mini-Harmonisches Getriebe sollte daher anhand der gesamten Betriebsbedingungen des Roboters und nicht nur anhand seiner physikalischen Abmessungen ausgewählt werden.

Für Hersteller, die kompakte Robotergelenke für kleine 6-Achs-Roboterarme und Desktop-Roboterarme bauen möchten, ist der Mini Harmonic Reducer dank seiner Kombination aus kompakter Größe, geringem Spiel, hoher Drehmomentdichte und interner Kabelführung eine praktische Präzisionsgetriebelösung.