Wie dimensioniert man Roboter-Gelenkmodule für einen Roboterarm? Ein praxisnaher Leitfaden für die Entwicklung

Einleitung

Die Auswahl des richtigenRobotergelenkmodulsist ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion eines Roboterarms. Die Gelenkauswahl sollte jedoch nicht mit einem einfachen Vergleich der Motordrehmomentwerte beginnen. Ein Roboterarm ist ein gekoppeltes mechanisches System, und die Leistung eines Gelenks kann die Last-, Trägheits- und dynamischen Anforderungen anderer Gelenke unmittelbar beeinflussen.

Ein gängiger Ansatz besteht darin, ein Gelenkmodul entsprechend der Nennnutzlast des Roboters auszuwählen. Dies kann zu einer über- oder unterdimensionierten Konstruktion führen, da die Nutzlast nur einen Teil der Gesamtlast darstellt. Das Gelenk muss außerdem die nachgelagerte mechanische Struktur bewegen, einschließlich Gliedern, Endeffektoren, Kabeln, Sensoren und anderen integrierten Komponenten. Während der Beschleunigung und Verzögerung ist zusätzliches Drehmoment erforderlich, um die Rotationsträgheit zu überwinden. Das ausgewählte Gelenk muss daher sowohl statische als auch dynamische Anforderungen erfüllen und gleichzeitig eine angemessene Sicherheitsreserve gewährleisten.

Die Gelenkmasse ist ein weiterer Faktor, der leicht übersehen wird. Ein schwereres Gelenk bietet möglicherweise eine höhere Drehmomentkapazität. Wird diese zusätzliche Masse jedoch weit von der Roboterbasis entfernt installiert, kann sie die von den übrigen Teilen des Roboterarms erfahrene Trägheitslast erhöhen. Dies kann letztlich größere vorgeschaltete Motoren erfordern und die Beschleunigungsleistung des gesamten Systems verringern.

Aus diesem Grund besteht das Ziel der Dimensionierung von Robotergelenken nicht darin, das größte verfügbare Gelenk auszuwählen. Vielmehr gilt es, das kleinste praktikable Gelenk zu bestimmen, das die erforderlichen Drehmoment-, Drehzahl-, Steifigkeits-, Wärmeleistungs- und Betriebsanforderungen erfüllt, ohne Masse und Trägheit des Roboterarms unnötig zu erhöhen.

Dieser Artikel erläutert einen praxisnahen technischen Ansatz zur Dimensionierung vonRobotergelenkmodulen für Roboterarme, mit Fokus auf Lastberechnung, Rotationsträgheit, Gelenkmasse, Drehmomentdichte, mechanische Integration und Optimierung auf Systemebene.

1. Die Auswahl von Robotergelenken sollte mit dem mechanischen Modell beginnen

Vor der Auswahl eines Robotergelenkmoduls sollte der Roboterarm als mechanisches Modell mit den Abmessungen und Massen der Glieder, der Nutzlast, dem Endeffektor, den Gelenkpositionen und den ungefähren Schwerpunkten dargestellt werden.

Der Zweck dieses Modells besteht nicht unbedingt darin, zu Beginn des Projekts eine komplexe Simulation zu erstellen. Bereits ein vereinfachtes mechanisches Modell kann wertvolle Informationen über die Drehmomentanforderungen jeder Achse liefern.

Für jedes Gelenk muss der Ingenieur verstehen, welche nachgelagerte Masse das Gelenk bewegen muss und in welchem Abstand sich diese Masse von der Gelenkachse befindet.

Eine einfache statische Näherung lässt sich wie folgt ausdrücken:

T = m × g × L

Dabei steht T für das Gravitationsdrehmoment, m für die nachgelagerte Masse, g für die Erdbeschleunigung und L für den senkrechten Abstand zwischen der Gelenkachse und dem Massenschwerpunkt.

Diese Gleichung zeigt, warum das erforderliche Drehmoment nicht allein aus der Nutzlast bestimmt werden kann. Die Masse der robotereigenen Glieder und Komponenten kann einen wesentlichen Anteil am Drehmomentbedarf ausmachen, insbesondere wenn der Arm in ausgefahrenen Positionen arbeitet.

Ein korrekter Prozess zur Gelenkdimensionierung sollte daher mit der mechanischen Struktur und nicht mit dem Produktkatalog beginnen.

2. Die Nutzlast ist nur ein Teil der Gelenklast

Wenn ein Roboterarm mit einer bestimmten Nutzlastkapazität beschrieben wird, liegt die Annahme nahe, dass die Nutzlast das erforderliche Gelenkdrehmoment bestimmt.

Tatsächlich ist das Gelenk für die Bewegung der gesamten nachgelagerten Baugruppe verantwortlich.

Je nach Roboterstruktur kann dies die Nutzlast, den Endeffektor, Glieder, Lager, Kabel, Sensoren und weitere, weiter außen am Arm angeordnete Gelenkmodule umfassen.

Je weiter eine Masse von einer Gelenkachse entfernt ist, desto größer ist ihr Beitrag zum Gravitationsdrehmoment.

Wenn sich ein Roboterarm beispielsweise horizontal ausstreckt, kann sich der Abstand zwischen der Gelenkachse und dem nachgelagerten Massenschwerpunkt erheblich vergrößern. Dieselbe Nutzlast, die bei eingeklapptem Arm ein relativ geringes Drehmoment erzeugt, kann bei vollständig ausgestrecktem Arm ein wesentlich höheres Drehmoment verursachen.

Das bedeutet, dass bei der Gelenkdimensionierung repräsentative und ungünstigste Roboterstellungen berücksichtigt werden sollten, statt sich auf eine einzelne Nennposition zu stützen.

Die praktische Frage lautet nicht einfach:

"Wie hoch ist die Nutzlast des Roboters?"

Sondern:

"Welche gesamte nachgelagerte Masse muss dieses Gelenk bewegen, und wo befindet sich diese Masse unter den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen?"

Diese Unterscheidung ist grundlegend für die Konstruktion eines zuverlässigen Roboterarms.

3. Dynamische Bewegungen erzeugen Trägheitsdrehmoment

Statische Drehmomentberechnungen bieten einen hilfreichen Ausgangspunkt, reichen aber für einen Roboterarm, der schnell beschleunigen und verzögern muss, nicht aus.

Während dynamischer Bewegungen muss das Gelenk außerdem Drehmoment erzeugen, um die Rotationsträgheit der nachgelagerten Struktur zu beschleunigen.

Die grundlegende Beziehung lautet:

T_inertia = J × α

Dabei steht J für die äquivalente Rotationsträgheit und α für die Winkelbeschleunigung.

Der Gesamtdrehmomentbedarf kann daher wie folgt betrachtet werden:

T_required = T_gravity + T_inertia + T_external

Der externe Anteil kann Kräfte des Endeffektors, Prozesslasten, Kabelkräfte oder andere anwendungsspezifische Störungen umfassen.

Dies ist besonders wichtig, wenn der Roboterarm für schnelles Pick-and-Place, Maschinenbeschickung, Montage, Inspektion oder andere Anwendungen mit häufigem Beschleunigen und Verzögern ausgelegt ist.

Ein Gelenk, das unter statischen Bedingungen ausreichend erscheint, kann im dynamischen Betrieb deutlich mehr Drehmoment erfordern.

Aus diesem Grund sollten Ingenieure nach Möglichkeit das tatsächliche Bewegungsprofil verwenden. Die maximale Drehzahl allein bestimmt den dynamischen Drehmomentbedarf nicht. Beschleunigung, Verzögerung, Nutzlastverteilung und die Rotationsträgheit der bewegten Struktur können ebenso wichtig sein.

4. Die Gelenkmasse kann die Anforderungen des gesamten Roboters verändern

Eine der wichtigsten Überlegungen bei der Dimensionierung von Robotergelenken ist die Masse des ausgewählten Gelenks selbst.

Wird ein Gelenkmodul in einem Roboterarm installiert, wird sein Gewicht Teil der nachgelagerten Last anderer Gelenke.

Das bedeutet, dass die Auswahl eines schwereren Gelenks den Drehmomentbedarf des gesamten mechanischen Systems verändern kann.

Betrachten wir ein einfaches Beispiel. Wird ein schwereres Gelenk nahe dem Ende des Roboterarms installiert, trägt seine Masse zur Last bei, die von den näher an der Roboterbasis liegenden Gelenken beschleunigt werden muss. Erfordert die zusätzliche Masse ein größeres vorgeschaltetes Gelenk, wird dieses selbst schwerer, wodurch die Last erneut steigen kann.

Dadurch entsteht eine Beziehung auf Systemebene zwischen Gelenkgröße und Robotermasse.

Der Effekt wird bei Betrachtung der Rotationsträgheit noch bedeutender. Für eine vereinfachte Punktmasse kann die Rotationsträgheit näherungsweise wie folgt berechnet werden:

J = m × r²

Dabei ist m die Masse und r der Abstand von der Drehachse.

Da der Abstand quadriert wird, kann bereits eine relativ geringe Zunahme der distalen Masse einen unverhältnismäßig großen Einfluss auf die von einem vorgeschalteten Gelenk wahrgenommene Trägheit haben.

Deshalb kann die Auswahl eines Gelenks mit übermäßiger Drehmomentkapazität die Gesamtleistung des Roboters manchmal verringern, anstatt sie zu verbessern.

Das beste Gelenk ist im Allgemeinen dasjenige, das ausreichende Leistung bietet, ohne unnötige Masse hinzuzufügen.

5. Die Drehmomentdichte ist ein wichtiger Parameter für die Konstruktion von Roboterarmen

Für Roboterarme ist das maximale Drehmoment wichtig, sollte jedoch nicht isoliert betrachtet werden.

Die Drehmomentdichte bietet eine weitere nützliche Möglichkeit zum Vergleich von Robotergelenkmodulen.

Praktisch betrachtet beschreibt die Drehmomentdichte, wie viel Ausgangsdrehmoment ein Gelenk im Verhältnis zu seiner Masse oder seinem physikalischen Volumen liefern kann.

Ein Gelenk mit hoher Drehmomentdichte kann das erforderliche Ausgangsdrehmoment liefern und gleichzeitig eine kompakte und leichte Roboterstruktur erhalten.

Dies ist besonders wertvoll, wenn das Gelenk weit von der Roboterbasis entfernt installiert wird.

Eine Verringerung der distalen Masse kann die Drehmoment- und Trägheitsanforderungen vorgeschalteter Gelenke senken. Daher kann der Nutzen eines leichten Gelenks mit hoher Drehmomentdichte über die einzelne Achse hinausgehen, an der es installiert ist.

Wenn beispielsweise ein kompaktes Harmonic-Gelenkmodul das erforderliche Drehmoment mit weniger Masse als eine größere Alternative bereitstellen kann, kann die Verringerung des distalen Gewichts die gesamte mechanische Balance des Roboterarms verbessern.

Dies kann zu höherer Beschleunigung, geringerem Energieverbrauch, reduzierter struktureller Belastung und verbessertem dynamischen Ansprechverhalten beitragen.

Beim Vergleich möglicher Robotergelenkmotoren oder Harmonic-Robotergelenkmodule sollten Ingenieure daher die Beziehung zwischen Ausgangsdrehmoment, Gelenkmasse, Abmessungen und den tatsächlichen Anwendungsanforderungen berücksichtigen.

6. Dimensionieren Sie nicht jedes Gelenk aus demselben Grund über

Die Verwendung eines überdimensionierten Gelenks im gesamten Roboterarm kann die Entwicklung scheinbar vereinfachen, da dasselbe Produkt über mehrere Achsen hinweg eingesetzt werden kann.

Dieser Ansatz kann jedoch unnötige Masse und Kosten verursachen.

Ein Gelenk, das für eine Achse mit hoher Last geeignet ist, kann für eine Achse mit geringerer Last überdimensioniert sein. Der Einbau dieses größeren Gelenks an einer Stelle, an der es nicht erforderlich ist, erhöht die Masse des Roboters, ohne dessen nutzbare Leistung notwendigerweise zu verbessern.

Die zusätzliche Masse kann auch die Belastung der anderen Gelenke erhöhen.

Für einen Roboterarmhersteller besteht das bessere Ziel darin, eine standardisierte Gelenkplattform mit mehreren geeigneten Größen- und Drehmomentklassen zu schaffen.

Dadurch kann dieselbe grundlegende mechanische und elektrische Konstruktionsphilosophie beibehalten werden, während unterschiedliche Gelenkkapazitäten entsprechend den tatsächlichen Anforderungen jeder Achse gewählt werden.

Die Standardisierung kann die Entwicklungs- und Produktionskomplexität verringern, bedeutet jedoch nicht, dass jede Achse exakt dasselbe Gelenk verwenden sollte.

Der ideale Ansatz besteht darin, die Anzahl der Gelenkvarianten zu minimieren und gleichzeitig ein angemessenes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis beizubehalten.

7. Die mechanische Größe muss zusammen mit dem Drehmoment bewertet werden

Ein Robotergelenkmodul muss in die Struktur des Roboterarms passen, doch eine kompakte Außenabmessung sollte nicht getrennt von der erforderlichen mechanischen Leistung bewertet werden.

Der verfügbare Einbauraum, die Montageschnittstelle, die Gelenklänge, die Ausgangsstruktur, die Lageranordnung, die Kabelführung und die umgebenden Komponenten beeinflussen alle die endgültige Gelenkkonstruktion.

Ein Gelenk mit ausreichendem Drehmoment, aber übermäßiger axialer Länge, kann eine umfassende Neukonstruktion der Armstruktur erfordern.

Ebenso kann ein kompaktes Gelenk mechanisch passen, aber nicht über ausreichend kontinuierliches Drehmoment oder thermische Kapazität für den vorgesehenen Arbeitszyklus verfügen.

Deshalb sollte die Gelenkauswahl gemeinsam mit der mechanischen Konstruktion erfolgen.

Für jedes mögliche Modul sollten Ingenieure die Drehmoment- und Drehzahleigenschaften des Produkts mit seinen Gesamtabmessungen und seiner Masse vergleichen. Ziel ist es festzustellen, ob das Gelenk die Leistungsanforderungen des Roboters innerhalb des verfügbaren mechanischen Bauraums erfüllen kann.

Bei kompakten Roboterarmen kann dieses Gleichgewicht zwischen Drehmoment, Masse, Durchmesser und Einbauvolumen wichtiger sein als jede einzelne Spezifikation.

8. Dauer- und Spitzendrehmoment sollten anhand des Bewegungsprofils bewertet werden

Der Drehmomentbedarf eines Roboterarms ist während des Betriebs nicht konstant.

Unterschiedliche Roboterstellungen und Bewegungsphasen können erheblich unterschiedliche Lasten erzeugen.

Während der Beschleunigung kann das erforderliche Drehmoment steigen, weil das Gelenk die Rotationsträgheit überwinden muss. Bei einer dauerhaft statischen Stellung kann das Gravitationsdrehmoment zum dominierenden Faktor werden. Bei schneller Verzögerung kann das System erneut einen Zustand mit hohem Drehmoment erfahren.

Aus diesem Grund sollten Ingenieure zwischen kontinuierlichen und Spitzenbetriebsanforderungen unterscheiden.

Ein Gelenk kann für einen kurzen Beschleunigungsvorgang genügend Spitzendrehmoment besitzen, für den Dauerbetrieb jedoch ungeeignet sein, wenn seine thermische Kapazität nicht ausreicht.

Umgekehrt kann die Auswahl eines sehr großen Gelenks allein zur Erhöhung der Spitzendrehmomentkapazität unnötige Masse verursachen.

Der richtige Ansatz besteht darin, die Dauer- und Spitzenfähigkeiten des Gelenks mit dem tatsächlichen Bewegungsprofil des Roboters zu vergleichen.

Bei Anwendungen mit wiederholten Zyklen sollte auch der Arbeitszyklus berücksichtigt werden, da die durchschnittliche thermische Last stark von der momentanen Spitzenlast abweichen kann.

9. Die Gelenkauswahl sollte durch das vollständige Robotermodell verifiziert werden

Erste Drehmomentberechnungen sind nur der Anfang.

Sobald mögliche Gelenkmodule ausgewählt wurden, sollten deren tatsächliche Masse und Abmessungen in das Roboterarmmodell übernommen werden.

Dies ist wichtig, weil das ausgewählte Gelenk Teil des mechanischen Systems wird.

Wenn beispielsweise die erste Berechnung von einem 1 kg schweren Gelenk ausgeht, das ausgewählte Produkt aber 1.8 kg wiegt, sollte die nachgelagerte Massenberechnung aktualisiert werden. Die zusätzliche Masse kann den erforderlichen Drehmomentbedarf vorgeschalteter Gelenke verändern.

Dasselbe Prinzip gilt für den Schwerpunkt und die Rotationsträgheit.

Ein praxisnaher technischer Arbeitsablauf ist daher iterativ. Der Konstrukteur schätzt zunächst das erforderliche Drehmoment, wählt ein geeignetes Gelenk aus, aktualisiert das Robotermodell mit der tatsächlichen Gelenkmasse und den tatsächlichen Abmessungen, berechnet die Systemanforderungen erneut und bestätigt anschließend, ob die ausgewählten Module weiterhin geeignet sind.

Dieser Ansatz ist zuverlässiger, als alle Gelenke einmal auszuwählen und anzunehmen, dass die ursprünglichen Berechnungen gültig bleiben.

10. Ein Praxisbeispiel: Dimensionierung eines 6-Achs-Roboterarms

Betrachten wir einen 6-Achs-Roboterarm mit einer Nutzlast von etwa 2 kg und einer Reichweite von rund 500 mm.

Diese beiden Werte allein reichen nicht aus, um die richtigen Gelenkmodule zu bestimmen. Auch die Massen der Glieder und Gelenke, das Gewicht des Endeffektors, der Nutzlastschwerpunkt, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Roboterstellung müssen berücksichtigt werden.

Der Konstruktionsprozess kann mit der Erstellung eines vereinfachten mechanischen Modells des Arms beginnen.

Berechnen Sie für jedes Gelenk die gesamte nachgelagerte Masse und ihren Schwerpunkt. Bestimmen Sie anschließend das Gravitationsdrehmoment unter den anspruchsvollsten repräsentativen Stellungen.

Berechnen Sie als Nächstes das Trägheitsdrehmoment auf Grundlage der erforderlichen Winkelbeschleunigung.

Der resultierende Drehmomentbedarf kann dann mit möglichen Gelenkmodulen verglichen werden, wobei deren Masse, Durchmesser, Länge, Drehzahl, Steifigkeit und thermische Eigenschaften zu berücksichtigen sind.

Nach der Auswahl vorläufiger Module ergänzen Sie deren tatsächliche Massen im Robotermodell und wiederholen Sie die Berechnung.

Dieser iterative Prozess kann zeigen, dass ein scheinbar attraktives Hochdrehmomentgelenk unnötig schwer ist oder dass ein kleineres Gelenk mit höherer Drehmomentdichte eine bessere Gesamtlösung bietet.

Die endgültige Auswahl sollte daher auf dem vollständigen Roboterarm und nicht auf isolierten Produktspezifikationen beruhen.

11. Wie Harmonic-Gelenkmodule kompakte Roboterarme unterstützen

Harmonic-Getriebe werden in robotischen Bewegungssystemen häufig eingesetzt, da sie hohe Untersetzungsverhältnisse, kompakte Abmessungen, hohe Drehmomentdichte und geringes Spiel bieten können.

Bei der Integration in ein Robotergelenkmodul kann das Harmonic-Getriebe mit einem Motor, Encoder und weiteren von der Roboterarchitektur benötigten Funktionen kombiniert werden.

Der Nutzen dieser Integration zeigt sich besonders deutlich, wenn der Roboter nur begrenzten Einbauraum hat.

Ein kompakter Harmonic-Gelenkantrieb kann die Anzahl separater Komponenten reduzieren, die in der Roboterstruktur untergebracht werden müssen, und die mechanische Integration vereinfachen.

Das geeignete Harmonic-Gelenk sollte jedoch weiterhin entsprechend den tatsächlichen Anforderungen des Roboters ausgewählt werden.

Untersetzungsverhältnis, Ausgangsdrehmoment, Drehzahl, Gelenkmasse, Abmessungen, Steifigkeit, Wärmeleistung, Encoderkonfiguration und Steuerungsschnittstelle sollten alle innerhalb der Systemkonstruktion berücksichtigt werden.

Der Zweck eines integrierten Gelenks besteht nicht einfach darin, mehrere Komponenten in einem Gehäuse zusammenzufassen. Es soll eine praktische Bewegungseinheit bereitstellen, die in die mechanische und steuerungstechnische Architektur des Roboterarms integriert werden kann.

12. Elektrische und steuerungstechnische Integration sollte während der mechanischen Konstruktion berücksichtigt werden

Obwohl dieser Artikel auf die mechanische Dimensionierung fokussiert, sollte die elektrische Integration nicht bis nach Abschluss der mechanischen Konstruktion aufgeschoben werden.

Das ausgewählte Robotergelenkmodul muss mit der Stromversorgung, Steuerung, Kommunikationsarchitektur und dem Rückmeldesystem des Roboters zusammenarbeiten.

Bei einem integrierten Gelenk sollten Ingenieure die erforderliche Versorgungsspannung, Stromkapazität, Kommunikationsschnittstelle, Encoderkonfiguration, Treiberarchitektur und verfügbaren Rückmeldedaten bestätigen.

Diese Informationen können die gesamte Roboterarchitektur beeinflussen, insbesondere wenn mehrere Gelenkmodule über ein gemeinsames DC-Stromversorgungssystem betrieben werden.

Die physische Verlegung von Strom- und Kommunikationskabeln sollte ebenfalls bei der mechanischen Konstruktion berücksichtigt werden. Ein Gelenk mit einem geeigneten internen Kabelkanal kann die Unterbringung des vollständigen Roboterarms vereinfachen.

Das zentrale Prinzip besteht darin, die mechanische und elektrische Integration gemeinsam zu bewerten, statt das Gelenk als isolierte Motorkomponente zu behandeln.

13. Ein systemorientierter Ansatz für die Dimensionierung von Robotergelenken

Ein zuverlässiger Prozess zur Dimensionierung von Robotergelenken lässt sich durch mehrere miteinander verbundene technische Phasen zusammenfassen.

In der ersten Phase werden die Robotergeometrie und Betriebsbedingungen definiert. Dazu gehören Gliederabmessungen, Massenverteilung, Nutzlast, Endeffektor, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Arbeitszyklus.

Die zweite Phase besteht in der Berechnung der statischen und dynamischen Drehmomentanforderungen jeder Achse.

In der dritten Phase werden mögliche Gelenkmodule anhand von Drehmoment, Drehzahl, Masse, Abmessungen, Steifigkeit und thermischer Leistungsfähigkeit verglichen.

In der vierten Phase werden die Massen der ausgewählten Gelenke in das vollständige mechanische Modell übernommen und die Anforderungen an die vorgeschalteten Gelenke neu berechnet.

In der fünften Phase wird die endgültige Konfiguration unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Roboters überprüft, einschließlich repräsentativer Stellungen, Beschleunigung, Dauerbetrieb und thermischer Last.

Dieser Prozess verhindert einen häufigen Konstruktionsfehler, bei dem jedes Gelenk unabhängig ausgewählt wird, ohne seine Auswirkung auf den vollständigen Roboterarm zu berücksichtigen.

14. Der Ansatz von HONPINE bei der Auswahl von Robotergelenkmodulen

HONPINE bietet Harmonic-Getriebe, Harmonic-Gelenkmotoren, Harmonic-Drehantriebe, Planetengetriebe und integrierte Bewegungslösungen für Robotik- und industrielle Automatisierungsanwendungen.

Bei Roboterarmprojekten kann die Gelenkauswahl anhand der tatsächlichen Anforderungen des mechanischen Systems bewertet werden, statt lediglich eine Nutzlastangabe einem Motordrehmomentwert zuzuordnen.

Zu den wichtigsten Parametern gehören Nutzlast, Armreichweite, Gliedermasse, Gelenkgeschwindigkeit, Beschleunigung, Arbeitszyklus, Einbaumaße, erforderliches Drehmoment, Stromversorgung und Steuerungsarchitektur.

Diese Parameter können zur Bewertung der geeigneten Kombination aus Motor, Harmonic-Getriebe, Encoder, Antriebsarchitektur und mechanischer Schnittstelle verwendet werden.

Bei kundenspezifischen Robotikanwendungen kann der Gelenkauswahlprozess mit dem mechanischen Modell und den Lastanforderungen des Roboters beginnen. Mögliche Gelenkmodule können anschließend nach ihrer Drehmomentkapazität, Masse, Abmessungen, Drehzahl und ihren Integrationsanforderungen bewertet werden.

Dieser Ansatz ermöglicht die Optimierung der Gelenkarchitektur gemeinsam mit dem Roboterarm, statt das Gelenk als eigenständige Komponente zu behandeln.

15. Checkliste zur Dimensionierung von Robotergelenkmodulen

Vor der Finalisierung eines Robotergelenkmoduls sollten Ingenieure die vollständige Beziehung zwischen dem Gelenk und dem Roboterarm überprüfen.

Die nachgelagerte Masse sollte für jede Achse berechnet werden, einschließlich Nutzlast, Endeffektor, Gliedern, Kabeln, Sensoren und anderen Komponenten, die das Gelenk bewegen muss. Der Schwerpunkt sollte unter repräsentativen und ungünstigsten Roboterstellungen berücksichtigt werden.

Statisches Gravitationsdrehmoment und dynamisches Trägheitsdrehmoment sollten getrennt berechnet werden. Das erforderliche Dauerdrehmoment und Spitzendrehmoment sollten anschließend mit dem tatsächlichen Betriebszyklus verglichen werden.

Die Masse des ausgewählten Gelenks sollte in das vollständige Robotermodell einbezogen werden, da sie die Drehmoment- und Trägheitsanforderungen vorgeschalteter Gelenke verändern kann.

Ingenieure sollten außerdem Drehmomentdichte, Gelenkabmessungen, Drehzahl, Steifigkeit, thermische Leistungsfähigkeit, mechanische Schnittstelle, Kabelführung, Stromversorgung und Steuerungskompatibilität vergleichen.

Das endgültige Ziel besteht darin, ein Gelenk auszuwählen, das die Leistungsanforderungen des Roboters erfüllt, ohne unnötige Masse oder mechanische Komplexität hinzuzufügen.

Fazit

Die Dimensionierung eines Robotergelenkmoduls für einen Roboterarm ist eine technische Aufgabe auf Systemebene.

Die Nutzlast ist nur ein Teil der Berechnung. Das Gelenk muss außerdem die nachgelagerten Glieder, den Endeffektor, Kabel, Sensoren und weitere Komponenten bewegen. Im dynamischen Betrieb erzeugen Rotationsträgheit und Beschleunigung zusätzliche Drehmomentanforderungen. Gleichzeitig kann die Masse des ausgewählten Gelenks die Last und Trägheit beeinflussen, die andere Gelenke erfahren.

Deshalb ist die einfache Auswahl des Gelenks mit dem höchsten Drehmoment nur selten die beste Konstruktionsstrategie.

Ein wirksamerer Ansatz besteht darin, die Last jeder Achse zu berechnen, Gravitations- und Trägheitsdrehmoment zu bewerten, die Masse und Drehmomentdichte möglicher Gelenkmodule zu berücksichtigen und anschließend den vollständigen Roboterarm zu überprüfen, wobei die ausgewählten Komponenten im mechanischen Modell enthalten sind.

Für kompakte und präzise Roboterarme kann ein korrekt dimensioniertes Harmonic-Robotergelenkmodul eine vorteilhafte Kombination aus kompakter Bauweise, hoher Drehmomentdichte, hohem Untersetzungsverhältnis und präziser Drehbewegung bieten.

Das Ziel besteht nicht darin, jedes Gelenk so leistungsstark wie möglich zu machen.

Ziel ist es, eine ausgewogene Gelenkarchitektur zu schaffen, bei der jedes Modul die erforderliche Leistung liefert und gleichzeitig den vollständigen Roboterarm leicht, reaktionsschnell und mechanisch effizient hält.

HONPINE bietet Harmonic-Getriebe und integrierte Bewegungslösungen für Robotik- und Automatisierungsanwendungen. Für ein spezifisches Roboterarmprojekt können Angaben zu Nutzlast, Reichweite, Gliedermasse, Gelenkgeschwindigkeit, Beschleunigung, Arbeitszyklus und Einbauanforderungen eine solide Grundlage für die Bewertung des geeigneten Robotergelenkmoduls liefern.