Wellgetriebemotor vs. Wellgetriebe-Aktuator: Was sind die Unterschiede?

In der Robotik und industriellen Automatisierung sind Harmonic-Getriebemotoren und Harmonic-Aktuatoren weit verbreitete Präzisionsantriebsprodukte. Beide nutzen üblicherweise die Harmonic-Drive-Technologie und bieten Vorteile wie kompakte Bauformen, hohe Untersetzungsverhältnisse, geringes Umkehrspiel und eine präzise Bewegungsübertragung. Sie kommen häufig in Robotergelenken, Präzisions-Drehmechanismen und automatisierten Anlagen zum Einsatz.

Auf dem Markt gibt es jedoch keine allgemein verbindliche Abgrenzung zwischen diesen beiden Produktbezeichnungen. Verschiedene Hersteller verwenden möglicherweise Harmonic-Getriebemotor und Harmonic-Aktuator für Produkte mit ähnlichen oder sogar überlappenden Konfigurationen. Einige Harmonic-Getriebemotoren integrieren Encoder, Bremsen, Sensoren und sogar Servoregler, während bestimmte Harmonic-Aktuatoren relativ einfache Motor-Getriebe-Konfigurationen verwenden.

Diese Begriffe sollten daher nicht als zwei vollständig getrennte Produktkategorien betrachtet werden.

Worin bestehen also die Unterschiede zwischen einem Harmonic-Getriebemotor und einem Harmonic-Aktuator? Um ihre jeweiligen Eigenschaften besser zu verstehen, vergleicht dieser Artikel sie hinsichtlich Produktdesign, Integrationsgrad, Steuerungsfunktionen, Installation, Inbetriebnahme und Anwendungsanforderungen und unterstützt Anlagenhersteller so bei der Auswahl der passenden Antriebslösung.

1. Was ist ein Harmonic-Getriebemotor?

Ein Harmonic-Getriebemotor ist ein Präzisionsantriebsprodukt, das die Harmonic-Drive-Technologie zur Drehzahlreduzierung und Drehmomentübertragung nutzt. Das grundlegende Funktionsprinzip besteht darin, dass ein Motor die Antriebsleistung bereitstellt, während ein Harmonic-Getriebe die Drehzahl reduziert und das Ausgangsdrehmoment erhöht, um die Bewegungsanforderungen von Präzisionsmaschinen zu erfüllen.

Aus Sicht des Produktdesigns liegt der Schwerpunkt eines Harmonic-Getriebemotors vor allem auf dem Zusammenspiel von Motor und Harmonic-Getriebesystem. Je nach Herstellerdesign kann es sich um eine relativ einfache Motor-Getriebe-Antriebseinheit oder um eine hochintegrierte Einheit mit Encodern, Bremsen, Sensoren und Antriebselektronik handeln.

1.1 Hauptkomponenten eines Harmonic-Getriebemotors

Ein typischer Harmonic-Getriebemotor kann mehrere Komponenten umfassen. Der Motor, bei dem es sich um einen Servomotor, einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen rahmenlosen Drehmomentmotor handeln kann, liefert die Drehleistung. Das Harmonic-Getriebe nutzt Flexspline, Circular Spline und Wellengenerator, um ein hohes Untersetzungsverhältnis und eine präzise Bewegungsübertragung zu erzielen. Die Abtriebswelle oder der Abtriebsflansch überträgt das drehzahlreduzierte Drehmoment auf die angetriebene Anlage, während das Gehäuse strukturelle Unterstützung und mechanischen Schutz bietet.

Je nach Produktkonfiguration können außerdem Komponenten wie Encoder, Bremsen, Sensoren und Servoregler in das System integriert sein.

1.2 Wie funktioniert ein Harmonic-Getriebemotor?

Das grundlegende Übertragungsprinzip eines Harmonic-Getriebemotors basiert auf der Harmonic-Drive-Technologie. Wenn der Motor den Wellengenerator dreht, verformt sich der Flexspline kontrolliert elastisch und greift in den Circular Spline ein. Da Flexspline und Circular Spline unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, führt ihre Relativbewegung zu einer Reduzierung der Drehzahl.

Mit diesem Mechanismus kann ein Harmonic-Getriebemotor in einer kompakten Bauform ein hohes Untersetzungsverhältnis und ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment erzielen. Werden zusätzliche Komponenten wie Encoder, Bremsen und Servoregler integriert, kann das Produkt außerdem umfassendere Funktionen für Positionsrückmeldung, Bewegungssteuerung und Bremsen bereitstellen.

1.3 Typische Anwendungen von Harmonic-Getriebemotoren

Harmonic-Getriebemotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die präzise Drehbewegungen und kompakte Getriebestrukturen erfordern. Dazu zählen Industrieroboter, kollaborative Roboter, automatisierte Montageanlagen, CNC-Maschinen, optische Prüfsysteme, medizinische Geräte und Automatisierungssysteme für die Halbleiterindustrie. Je nach mechanischer Konfiguration und Steuerungsfunktionen lassen sie sich an unterschiedliche Bewegungsanforderungen in Industriemaschinen und Robotersystemen anpassen.

2. Was ist ein Harmonic-Aktuator?

Ein Harmonic-Aktuator ist eine integrierte Bewegungseinheit auf Basis der Harmonic-Getriebetechnologie. Statt sich ausschließlich auf die Kraftübertragung zu konzentrieren, ist er darauf ausgelegt, durch das koordinierte Zusammenspiel mechanischer, elektrischer und rückmeldender Komponenten bestimmte Bewegungsaufgaben auszuführen.

Zusätzlich zu Motor und Harmonic-Getriebe kann ein Harmonic-Aktuator je nach vorgesehener Anwendung ein Abtriebslager, einen Encoder, eine Bremse, einen Drehmomentsensor und einen Servoregler integrieren. Das Design zielt darauf ab, die erforderliche Abtriebsbewegung, Positionsrückmeldung, Bremsfähigkeit und Systemintegration in einer kompakten Einheit bereitzustellen.

2.1 Hauptkomponenten eines Harmonic-Aktuators

Ein typischer Harmonic-Aktuator kann mehrere Funktionskomponenten enthalten. Ein rahmenloser Drehmomentmotor liefert die Antriebsleistung und ermöglicht die kompakte Integration mit dem Harmonic-Getriebe. Das Harmonic-Getriebe ermöglicht hohe Untersetzungsverhältnisse und eine präzise Drehmomentübertragung, während Encoder die motorseitige oder abtriebsseitige Position und Drehzahl überwachen. Eine Bremse kann je nach Anwendungsanforderung für mechanisches Halten oder Bremsen sorgen, und ein Abtriebslager stützt die Last und nimmt die vorgegebenen Axial-, Radial- und Momentenbelastungen auf.

Bei Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Rückmeldung kann ein Drehmomentsensor das Abtriebsdrehmoment messen und Strategien zur Kraftregelung oder nachgiebigen Bewegung unterstützen. Je nach Produktdesign kann ein Servoregler extern installiert oder in den Aktuator integriert werden.

Nicht jeder Harmonic-Aktuator umfasst alle diese Komponenten. Die tatsächliche Konfiguration hängt vom Herstellerdesign und den funktionalen Anforderungen der Anwendung ab.

2.2 Wie funktioniert ein Harmonic-Aktuator?

Ein Harmonic-Aktuator nutzt den Motor zum Antrieb des Harmonic-Getriebes, wodurch die Drehzahl reduziert und das Ausgangsdrehmoment erhöht wird. Sein Design legt jedoch größeres Gewicht auf das koordinierte Zusammenspiel des gesamten Antriebssystems.

Ein Aktuator mit zwei Encodern kann beispielsweise die motorseitige und die abtriebsseitige Position unabhängig voneinander überwachen. Das Steuerungssystem kann diese Rückmeldesignale nutzen, um die tatsächliche Abtriebsbewegung zu überwachen und Strategien zur Erkennung und Kompensation von Positionsfehlern zu unterstützen.

Ist zusätzlich ein Drehmomentsensor integriert, kann der Aktuator Änderungen des Abtriebsdrehmoments messen und Rückmeldungen für Kraftregelung, Impedanzregelung und nachgiebige Bewegungen bereitstellen. Der Nutzen eines Harmonic-Aktuators geht daher über die Kraftübertragung hinaus und umfasst integrierte Bewegungsfunktionen und Rückmeldefunktionen.

2.3 Typische Anwendungen von Harmonic-Aktuatoren

Harmonic-Aktuatoren eignen sich für Anlagen, die kompakte Bauformen, präzise Positionierung und integrierte Bewegungssteuerung erfordern. Zu den typischen Anwendungen zählen Industrieroboter, kollaborative Roboter, humanoide Roboter, Exoskelett-Roboter, medizinische Roboter, Präzisions-Drehtische, Automatisierungsanlagen für die Halbleiterindustrie sowie hochpräzise Positionier- und Montagesysteme.

3. Harmonic-Getriebemotor vs. Harmonic-Aktuator: sechs wesentliche Unterschiede

Da sich die beiden Produktbezeichnungen auf dem Markt überschneiden, wäre die Annahme unzutreffend, dass ein Harmonic-Getriebemotor keine Encoder, Bremsen oder Servoregler enthalten kann oder dass jeder Harmonic-Aktuator all diese Komponenten integrieren muss. Beim Vergleich der Designansätze und funktionalen Schwerpunkte lassen sich jedoch mehrere wesentliche Unterschiede feststellen.

3.1 Schwerpunkt des Produktdesigns

Bei einem Harmonic-Getriebemotor liegt der Schwerpunkt vor allem auf der Kombination von Motor und Harmonic-Getriebesystem. Sein Hauptzweck ist die Kraftübertragung, Drehzahlreduzierung und Drehmomenterhöhung mithilfe der Harmonic-Drive-Technologie.

Ein Harmonic-Aktuator legt größeren Wert auf die vollständige Bewegungsausführung. Neben der Kraftübertragung kann sein Design auch Positionsrückmeldung, Bremsen, Lastabstützung, Sensorik und Bewegungssteuerung berücksichtigen.

Der wesentliche Unterschied liegt in den Designprioritäten des Produkts und nicht im Vorhandensein oder Fehlen einer bestimmten Einzelkomponente.

3.2 Integrationsgrad des Systems

Harmonic-Getriebemotoren sind in verschiedenen Integrationskonfigurationen erhältlich. Einige Produkte bestehen hauptsächlich aus einem Motor und einem Harmonic-Getriebe, sodass Anlagenhersteller weitere Komponenten entsprechend den Systemanforderungen auswählen können. Andere Modelle integrieren möglicherweise Encoder, Bremsen, Sensoren und Servoregler in einer kompakten Einheit.

Bei Harmonic-Aktuatoren liegt im Allgemeinen ein größerer Schwerpunkt auf der Gesamtintegration des Systems. Dabei werden mehr der für die Bewegungsausführung erforderlichen Komponenten in einer Baugruppe zusammengefasst. Dadurch kann sich die Zahl externer Komponenten verringern und die mechanische sowie elektrische Integration für Anlagenhersteller vereinfachen.

3.3 Rückmelde- und Steuerungsfunktionen

Positionsrückmeldung und Bewegungssteuerung sind für Präzisionsanlagen von großer Bedeutung. Ein Harmonic-Getriebemotor kann je nach Anwendung mit verschiedenen Encoder- und Servoreglerkonfigurationen ausgestattet werden; seine Rückmeldefunktionen hängen von der tatsächlichen Produktkonfiguration ab.

Ein Harmonic-Aktuator legt im Allgemeinen größeren Wert auf umfassende Rückmeldefunktionen. So können beispielsweise zwei Encoder die motorseitige und abtriebsseitige Position unabhängig überwachen, während ein integrierter Drehmomentsensor das tatsächliche Abtriebsdrehmoment misst und Rückmeldungen für Kraftregelung und nachgiebige Bewegungen bereitstellt.

Für Anwendungen, die eine anspruchsvollere Bewegungssteuerung und mehrere Rückmeldesignale erfordern, kann ein Aktuator mit den passenden Sensoren die geeignetere Lösung sein.

3.4 Installation und Inbetriebnahme

Beim Aufbau eines Antriebssystems mit einem Harmonic-Getriebemotor müssen Anlagenhersteller je nach Produktdesign möglicherweise externe Komponenten auswählen und konfigurieren, mechanische Verbindungen herstellen, die elektrische Verdrahtung vornehmen, Encoder-Schnittstellen konfigurieren und Servoparameter abstimmen.

Ein hochintegrierter Harmonic-Aktuator kann einen Teil dieser Arbeiten reduzieren, da mehrere mechanische und elektrische Komponenten bereits in der Einheit montiert sind. Das kann die Installation vereinfachen und den Umfang der externen Verkabelung und mechanischen Montage verringern.

Ein integrierter Aktuator erfordert jedoch weiterhin eine Inbetriebnahme auf Systemebene, einschließlich Kommunikationskonfiguration, Abstimmung der Steuerungsparameter, mechanischer Installation und Bewegungstests.

3.5 Flexibilität des Systemdesigns

Harmonic-Getriebemotoren bieten Flexibilität bei der Systemkonfiguration. Hersteller mit etablierten Servosteuerungsplattformen ziehen es möglicherweise vor, Regler, Encoder und Sensoren selbst auszuwählen und an die bestehende Anlagenarchitektur anzupassen.

Harmonic-Aktuatoren setzen stärker auf einen integrierten Designansatz. Für Anlagenhersteller, die den Aufwand für die Auswahl und Integration externer Komponenten reduzieren möchten, kann ein hochintegrierter Aktuator eine komfortablere Lösung sein.

Die Wahl hängt davon ab, ob das Projekt Konfigurationsflexibilität oder eine stärker integrierte Bewegungseinheit priorisiert.

3.6 Kosten- und Wartungsaspekte

Die Gesamtkosten dieser beiden Lösungen sollten nicht allein anhand der Kaufpreise der einzelnen Produkte bewertet werden.

Bei Verwendung eines Harmonic-Getriebemotors müssen Anlagenhersteller möglicherweise auch externe Servoregler, Encoder, Bremsen, Steckverbinder, Befestigungskomponenten und den Arbeitsaufwand für die mechanische und elektrische Integration berücksichtigen.

Ein Harmonic-Aktuator kann aufgrund seines integrierten Designs einen höheren Anschaffungspreis haben, aber die Zahl externer Komponenten reduzieren sowie Montage und Inbetriebnahme vereinfachen. Der tatsächliche Kostenvorteil hängt von der Produktkonfiguration, dem Projektvolumen und der Systemarchitektur ab.

Bei der Wartung sollten Hersteller außerdem die Wartungsfreundlichkeit der Komponenten, die Fehlerdiagnose, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und den technischen Support des Lieferanten berücksichtigen.

4. Wie wählt man zwischen einem Harmonic-Getriebemotor und einem Harmonic-Aktuator?

Bei der praktischen Entwicklung von Anlagen sollte die Auswahl der passenden Lösung anhand der mechanischen Last, der Bewegungsanforderungen, der Steuerungsarchitektur und der Einbaubeschränkungen erfolgen und nicht allein anhand der Produktbezeichnung.

4.1 Auswahl anhand des Ausgangsdrehmoments und der Lastanforderungen

Im ersten Schritt sind das erforderliche Nennausgangsdrehmoment, das Spitzenausgangsdrehmoment und der tatsächliche Betriebszyklus zu bestimmen. Bei Anlagen, die über längere Zeit kontinuierlich betrieben werden, sind Nenndrehmoment und thermische Leistung besonders wichtig. Die Auswahl sollte nicht ausschließlich auf dem Spitzendrehmoment basieren.

Hersteller sollten außerdem dynamische Lasten beim Anfahren, Beschleunigen, Abbremsen und bei Notstopps berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das ausgewählte Antriebssystem den tatsächlichen Betriebsbedingungen entspricht.

4.2 Anforderungen an Positioniergenauigkeit und Rückmeldung berücksichtigen

Für Anwendungen, die eine grundlegende Positions- und Drehzahlregelung erfordern, können Motor, Encoder und Regler entsprechend der vorhandenen Steuerungsarchitektur ausgewählt werden.

Für Anwendungen, die eine genauere abtriebsseitige Rückmeldung, Positionsüberwachung oder drehmomentbasierte Nachgiebigkeitsregelung erfordern, kann ein integrierter Aktuator mit zwei Encodern oder einem Drehmomentsensor geeigneter sein.

Dabei ist zu beachten, dass die Encoderauflösung nicht mit der tatsächlichen Positioniergenauigkeit des gesamten Antriebssystems gleichzusetzen ist. Getriebefehler, mechanische Steifigkeit, Lastbedingungen, Temperaturschwankungen und Regelungsalgorithmen können die endgültige Positionierleistung beeinflussen.

4.3 Einbauraum und Integrationsanforderungen bewerten

In der Robotik und bei Präzisionsautomatisierungsanlagen ist der Einbauraum oft begrenzt. Bei der Produktauswahl sollten deshalb Außendurchmesser, axiale Länge, Gewicht, Hohlwelle und Befestigungsschnittstellen berücksichtigt werden.

Wenn die Anlage eine kompakte Bauform mit weniger externen Anschlüssen und integrierten Motor-, Getriebe- und Rückmeldekomponenten erfordert, kann ein hochintegrierter Harmonic-Aktuator eine geeignete Option sein.

4.4 Steuerungssysteme und Kommunikationsprotokolle prüfen

Die Kompatibilität mit der vorhandenen Steuerungsarchitektur ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Hersteller sollten prüfen, ob das Produkt die erforderlichen Kommunikationsschnittstellen wie CAN, CANopen, EtherCAT oder andere Protokolle unterstützt.

Bei Systemen mit externen Servoreglern müssen Motorparameter und Encoder-Schnittstellen mit dem ausgewählten Regler kompatibel sein. Bei integrierten Aktuatoren sollten Ingenieure vor der endgültigen Auswahl die verfügbaren Steuerungsmodi, Kommunikationsprotokolle, Reglerkonfigurationen und den Zugriff auf Parameter prüfen.

5. HONPINE Harmonic-Drive- und integrierte Aktuatorlösungen

Für Hersteller, die Robotersysteme und automatisierte Anlagen entwickeln, erfordert die Auswahl einer geeigneten Harmonic-Drive-Lösung mehr als die Prüfung von Untersetzungsverhältnis und Ausgangsdrehmoment. Auch die Kompatibilität von Motor, Harmonic-Getriebe, Encodern, Bremse, Sensoren und Steuerungssystem muss bewertet werden.

HONPINE ist auf Präzisionsgetriebe und Bewegungssteuerungsprodukte spezialisiert und bietet Harmonic-Getriebe, Harmonic-Drehaktuatoren, Planetengetriebe und Robotergelenkmodule für verschiedene industrielle Anwendungen an.

Um unterschiedlichen Integrations- und Bewegungssteuerungsanforderungen gerecht zu werden, bietet HONPINE mehrere Harmonic-Drive-Lösungen an.

Das HAG-Harmonic-Gelenkmodul von HONPINE integriert beispielsweise je nach Konfiguration einen Motor, ein Harmonic-Getriebe, Encoder, eine Bremse sowie entsprechende Antriebs- und Sensorkomponenten. Es ist für die Anforderungen an präzise Bewegungen in Robotergelenken ausgelegt.

Die Harmonic-Gelenkmodule der HPJM-Serie zeichnen sich durch ein kompaktes, integriertes Design aus, das einen rahmenlosen Drehmomentmotor, ein Harmonic-Getriebe, eine Bremse, Encoder sowie zugehörige Sensor- und Antriebskomponenten kombiniert. Diese Module eignen sich für humanoide Roboter, kollaborative Roboter und andere Anwendungen mit Robotergelenken.

Für Roboteranwendungen, die eine Erfassung des Abtriebsdrehmoments und eine Regelung nachgiebiger Bewegungen erfordern, bieten die Harmonic-Gelenkmodule der TCHL-Serie von HONPINE eine zusätzliche Lösung mit integriertem Drehmomentsensor.

Mit verschiedenen Produktserien kann HONPINE Präzisionsgetriebelösungen anbieten, die auf das erforderliche Ausgangsdrehmoment, Untersetzungsverhältnis, Einbaumaße, die Rückmeldekonfiguration und die Steuerungsanforderungen abgestimmt sind.

6. Fazit

Harmonic-Getriebemotoren und Harmonic-Aktuatoren sind beide Präzisionsantriebsprodukte, die auf der Harmonic-Getriebetechnologie basieren. Ihre Strukturen und Funktionen können sich überschneiden, und verschiedene Hersteller verwenden möglicherweise unterschiedliche Bezeichnungen für ähnliche Produktkonfigurationen. Ihr tatsächlicher Integrationsgrad lässt sich daher nicht allein anhand der Produktnamen bestimmen.

Aus Designperspektive liegt der Schwerpunkt von Harmonic-Getriebemotoren stärker auf dem Motor und dem Harmonic-Getriebesystem, während Harmonic-Aktuatoren stärker auf integrierte Bewegungsausführung und Systemfunktionen ausgerichtet sind.

Für Anlagenhersteller ist nicht allein entscheidend, welche Produktbezeichnung gewählt wird, sondern ob die ausgewählte Lösung die Anforderungen der Anwendung an Drehmoment, Drehzahl, Positioniergenauigkeit, Rückmeldung, Bremsen, Einbauraum und Steuerungskompatibilität erfüllt.

Durch die Bewertung dieser Faktoren können Hersteller die am besten geeignete Harmonic-Drive-Lösung für ihre Robotik- und industriellen Automatisierungssysteme ermitteln.