Präzisionsgetriebe für Industrieroboter: Von konventionellen Antrieben zur Technologie der Selbstkompensation des Getriebespiels

Hallo zusammen, ich bin Theodore Li, Technischer Direktor bei HONPINE. Heute möchte ich über Präzisionsgetriebe für Industrieroboter sprechen.

Was ist ein Präzisionsgetriebe?

Gemäß gängigen Branchenklassifikationen zeichnen sich Präzisionsgetriebe im Allgemeinen durch geringe Übertragungsfehler und geringes Verdrehspiel aus, wobei die Präzisionsanforderungen typischerweise das Bogenminutenniveau oder besser erreichen.

Das Verdrehspiel ist einer der Schlüsselfaktoren, die die Positionierleistung beeinflussen. Spiel zwischen ineinandergreifenden Zahnrädern kann einen Leerlaufweg zwischen Eingangs- und Ausgangswelle verursachen und dadurch die Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Bewegungssteuerungsleistung direkt beeinträchtigen.

Auf Grundlage des primären Übertragungsmechanismus lassen sich Präzisionsgetriebe im Allgemeinen in vier Hauptkategorien unterteilen.

Präzisions-Zykloidgetriebe

RV-Getriebe und Zykloidenstiftgetriebe sind repräsentative Beispiele. Sie bieten eine hohe Tragfähigkeit und gute Beständigkeit gegenüber Stoßbelastungen, ihre Strukturen sind jedoch relativ komplex und die Herstellungskosten können hoch sein.

Harmonische Getriebe

Die harmonische Übertragung nutzt die elastische Verformung des Flexsplines zur Übertragung von Bewegung und Drehmoment. Diese Bauweise bietet hohe Übersetzungsverhältnisse, kompakte Abmessungen und hohe Übertragungspräzision, ihre Torsionssteifigkeit und Tragfähigkeit können jedoch geringer sein als bei einigen starren Übertragungsbauweisen, wodurch die Anwendungsauswahl insbesondere unter hohen Lastbedingungen wichtig wird.

Präzisions-Planetengetriebe

Die Planetenübertragung bietet einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Drehmomentdichte und eine relativ steife Übertragungsstruktur. Herkömmliche Planetenbauweisen stoßen jedoch im Vergleich zu spezialisierten Präzisionsübertragungstechnologien im Allgemeinen an Grenzen hinsichtlich des einstufigen Übersetzungsverhältnisses und des Verdrehspiels.

Warum stellen Industrieroboter höhere Anforderungen an Präzisionsgetriebe?

Anwendungen von Industrierobotern haben sich zu hochspezialisierten Segmenten entwickelt. Unterschiedliche Traglasten, Prozesse, Bewegungsprofile und Gelenkkonfigurationen stellen unterschiedliche Anforderungen an Übertragungspräzision, Drehmomentkapazität, Steifigkeit und Lebensdauer.

Das geeignete Präzisionsgetriebe kann daher nicht nur zwischen verschiedenen Arten von Industrierobotern, sondern auch zwischen unterschiedlichen Gelenken desselben Roboters variieren.

Sechsachsroboter unter 10 kg Traglast

Bei leichten Sechsachsrobotern haben kompakte Abmessungen und Präzision häufig Priorität.

Alle sechs Gelenke können harmonische Getriebe verwenden, insbesondere wenn der Roboter eine kompakte Übertragung mit hohem Übersetzungsverhältnis und präziser Bewegungssteuerung benötigt.

Die kompakte Baugröße, das geringe Gewicht, das hohe Übersetzungsverhältnis und die Präzision der harmonischen Übertragung machen sie für Leichtbauroboter geeignet, die innerhalb begrenzter mechanischer Bauräume arbeiten.

Sechsachsroboter mit 10–50 kg Traglast

Sechsachsroboter mit mittlerer Traglast werden häufig für Anwendungen wie die Handhabung von Automobilkomponenten, Metallbearbeitung und andere industrielle Prozesse eingesetzt, die ein Gleichgewicht zwischen Tragfähigkeit, Bewegungsgenauigkeit und Stabilität erfordern.

Diese Roboter können harmonische Getriebe und RV-Getriebe entsprechend den Anforderungen unterschiedlicher Gelenke kombinieren.

So kann beispielsweise die harmonische Übertragung in Handgelenk- und Endeffektorgelenken eingesetzt werden, bei denen kompakte Abmessungen, hohe Übersetzungsverhältnisse und präzise Bewegungen wichtig sind, während die RV-Übertragung in höher belasteten Gelenken verwendet werden kann, die eine größere Steifigkeit und Tragfähigkeit erfordern.

Sechsachsroboter über 50 kg Traglast

Sechsachsroboter mit hoher Traglast erfordern unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen eine hohe Tragfähigkeit und stabile Präzision.

RV-Getriebe werden häufig in hochbelasteten Robotergelenken eingesetzt, da ihre Übertragungsarchitektur eine hohe Steifigkeit bietet und erheblichen radialen und axialen Belastungen standhalten kann.

Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, wenn Roboter mit hoher Traglast für Materialhandhabung, Schweißen, Bearbeitung und andere Prozesse mit großen Werkstücken eingesetzt werden.

SCARA-Roboter unter 20 kg Traglast

SCARA-Roboter stellen besonders hohe Anforderungen an Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit.

Die Drehgelenke erfordern daher Übertragungssysteme mit guter Genauigkeit und dynamischem Ansprechverhalten. In Drehgelenken kann eine harmonische Übertragung verwendet werden, während der vertikale Z-Achsen-Mechanismus eine Planetenübertragung, einen Riemenantrieb oder eine andere geeignete Architektur für Linearbewegungen verwenden kann.

Parallel- und Delta-Roboter

Parallel- und Delta-Roboter zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und hohe Struktursteifigkeit aus, während ihre Anforderungen an die Gelenkübertragung stark von der Architektur und dem Bewegungsprofil des Roboters beeinflusst werden.

Viele Parallelroboter verwenden in den Basisgelenken Planetengetriebe mit relativ niedrigem Übersetzungsverhältnis, um Hochgeschwindigkeitsbewegungen zu unterstützen und ein niedriges reflektiertes Trägheitsmoment aufrechtzuerhalten.

Je nach Konstruktion kann in Basisgelenken auch eine zykloidale oder harmonische Übertragung eingesetzt werden.

Für zusätzliche Achsen oder Endarmmechanismen werden üblicherweise Planetengetriebe verwendet. Bei hochpräzisen Montageanwendungen kann jedoch auch ein harmonisches Getriebe für das Endgelenk ausgewählt werden, um die Positionierleistung zu verbessern.

Warum stehen herkömmliche Planetengetriebe vor einer Präzisionsherausforderung?

In vielen Anwendungen der Präzisionsfertigung nehmen harmonische Übertragungssysteme und RV-Übertragungssysteme traditionell wichtige Positionen in der Industrierobotik ein.

Herkömmliche Planetengetriebe standen trotz ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer Steifigkeit und Drehmomentdichte historisch vor Herausforderungen, das gleiche Präzisionsniveau und die gleiche kompakte Integration wie spezialisierte harmonische oder RV-Übertragungssysteme zu erreichen.

Hochwertige Präzisions-Planetengetriebe können dennoch ein sehr geringes Verdrehspiel erreichen und bleiben für anspruchsvolle Anwendungen geeignet. Einige Präzisions-Planetenprodukte können Verdrehspielwerte unter 60 Bogensekunden erreichen und bieten damit eine Alternative für Anwendungen, die eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern.

Eine hohe Präzision kann jedoch je nach Lieferant und Konfiguration mit höheren Produktkosten und längeren Lieferzeiten verbunden sein.

Da der Markt für Industrierobotik weiter wächst und Roboterhersteller schnellere Entwicklungszyklen sowie flexiblere Lieferketten benötigen, entsteht dadurch eine Chance für neue Präzisions-Planetenübertragungsarchitekturen.

HONPINEs Ansatz für Präzisions-Planetenübertragungen

Bei HONPINE arbeiten wir an einem anderen Ansatz für die Planetenübertragung.

Durch die Einführung einer selbstkompensierenden Verdrehspieltechnologie zielt HONPINE darauf ab, die Präzision, Steifigkeit und Präzisionserhaltung von Planetenübertragungssystemen zu verbessern.

Die Technologie ist für Anwendungen wie Industrieroboter und Werkzeugmaschinen ausgelegt, bei denen die Aufrechterhaltung der Übertragungsgenauigkeit über einen langfristigen Betrieb besonders wichtig ist.

Das Ziel besteht nicht nur darin, das anfängliche Verdrehspiel zu reduzieren, sondern eine der grundlegenden Herausforderungen der Präzisionsübertragung zu bewältigen: die Aufrechterhaltung der Genauigkeit bei fortschreitendem Verschleiß mechanischer Komponenten.

Welche technischen Herausforderungen können selbstkompensierende Planetenaktuatoren bewältigen?

Herkömmliche Präzisionsübertragungssysteme stehen vor einem unvermeidlichen Problem: Mechanischer Verschleiß kann die Übertragungsgenauigkeit allmählich beeinträchtigen.

Während des langfristigen Betriebs können kontinuierlicher Zahneingriff und wiederholte Lastzyklen das wirksame Spiel zwischen zusammenwirkenden Komponenten verändern. Mit zunehmendem Verdrehspiel kann der Leerlaufweg zunehmen und die Positioniergenauigkeit allmählich abnehmen.

Bei Geräten wie Industrierobotern und Werkzeugmaschinen kann dieser Präzisionsverlust letztlich die Prozessqualität, Wiederholgenauigkeit und Lebensdauer beeinträchtigen.

Die selbstkompensierende Verdrehspieltechnologie bietet einen anderen Ansatz für dieses Problem.

Automatische Verdrehspielkompensation bei Verschleiß

Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven Strukturen zur Reduzierung des Verdrehspiels integriert eine selbstkompensierende Übertragung einen adaptiven Kompensationsmechanismus in das Übertragungssystem.

Wenn die Übertragungskomponenten Verschleiß erfahren, kann der Mechanismus Veränderungen des wirksamen Zahnspiels ausgleichen und eine stabilere Übertragungsbeziehung aufrechterhalten.

Ziel ist es, die Geschwindigkeit der Verschlechterung der Übertragungsgenauigkeit im langfristigen Betrieb zu reduzieren und die effektive Präzisionslebensdauer des Getriebes zu verlängern.

Dieser Unterschied ist wichtig.

Die Reduzierung des anfänglichen Verdrehspiels und die Aufrechterhaltung eines geringen Verdrehspiels über die gesamte Lebensdauer sind zwei unterschiedliche technische Ziele. Ein Präzisionsübertragungssystem sollte daher nicht nur anhand seiner anfänglichen Verdrehspielspezifikation bewertet werden, sondern auch danach, wie sich seine Übertragungsgenauigkeit nach längerem Betrieb verändert.

Selbstkompensierende Verdrehspieltechnologie für harmonische Übertragungen

Der selbstkompensierende Ansatz von HONPINE ist nicht auf die Planetenübertragung beschränkt.

Wir haben außerdem eine selbstkompensierende harmonische Übertragungsarchitektur mit zwei Flexsplines entwickelt, die darauf ausgelegt ist, über einen langfristigen Betrieb ein geringes wirksames Verdrehspiel aufrechtzuerhalten.

Selbstkompensierende harmonische Übertragung mit zwei Flexsplines

Die harmonische Übertragung mit zwei Flexsplines von HONPINE nutzt eine strukturelle Anordnung aus inneren und äußeren Flexsplines zusammen mit einem Begrenzungsring.

Diese Architektur ist darauf ausgelegt, das wirksame Verdrehspiel kontinuierlich zu unterdrücken und während des Betriebs eine stabile Übertragungsleistung aufrechtzuerhalten.

Laut den internen Produkttest- und Vergleichsdaten von HONPINE kann der Leerlaufweg dieser Architektur unter den angegebenen Testbedingungen ungefähr halb so groß sein wie bei vergleichbaren ausländischen harmonischen Getrieben.

Die tatsächliche Leistung hängt von der spezifischen Produktgröße, Testmethodik, Lastbedingung und dem Messsystem ab. Direkte Vergleiche sollten daher stets unter gleichwertigen Testbedingungen durchgeführt werden.

Von der Anfangspräzision zur Präzisionslebensdauer

Bei Präzisionsübertragungssystemen ist die Anfangsgenauigkeit nur ein Teil der technischen Gleichung.

Ein Getriebe kann im Neuzustand ein ausgezeichnetes Verdrehspiel erreichen, doch wenn das Verdrehspiel mit dem Verschleiß der Übertragung deutlich zunimmt, kann die praktische Präzisionslebensdauer der Komponente begrenzt sein.

Deshalb erstreckt sich der Entwicklungsschwerpunkt von HONPINE von der anfänglichen Übertragungspräzision bis zur Präzisionserhaltung über die Betriebslebensdauer.

Für Industrieroboter, Werkzeugmaschinen und humanoide Roboter bedeutet dies, nicht nur anfängliches Verdrehspiel und Positionierleistung zu bewerten, sondern auch, wie sich die Übertragungseigenschaften unter wiederholter Bewegung, Belastung und Verschleiß entwickeln.

Die selbstkompensierende Verdrehspieltechnologie soll diese Herausforderung der Langzeitleistung bewältigen, indem Veränderungen des Übertragungsspiels aktiv kompensiert werden, anstatt sich ausschließlich auf die anfängliche mechanische Toleranz des Zahnradsystems zu stützen.

Fazit

Die Entwicklung von Präzisionsgetrieben geht über das einfache Streben nach geringerem anfänglichem Verdrehspiel hinaus.

Industrieroboter, Werkzeugmaschinen und humanoide Roboter benötigen Übertragungssysteme, die Präzision, Steifigkeit, kompakte Abmessungen, Drehmomentdichte und langfristige Genauigkeitserhaltung vereinen.

Harmonische Übertragungssysteme und RV-Übertragungssysteme bleiben wichtige Technologien für die Präzisionsrobotik, während die herkömmliche Planetenübertragung weiterhin Vorteile bei Wirkungsgrad, Steifigkeit und Drehmomentdichte bietet.

Die Chance für selbstkompensierende Planeten- und harmonische Übertragungen besteht darin, die Lücke zwischen diesen Leistungsmerkmalen zu schließen, indem ein Mechanismus eingeführt wird, der Veränderungen des Übertragungsspiels während des langfristigen Betriebs kompensieren kann.

Bei HONPINE entwickeln wir Präzisionsübertragungstechnologien rund um dieses Konzept weiter – von selbstkompensierenden Planetenaktuatoren über harmonische Übertragungen mit zwei Flexsplines bis hin zu leichter harmonischer Übertragung auf PEEK-Basis für humanoide Roboter.

Für uns besteht das Ziel nicht einfach darin, eine hohe Präzision zu erreichen, wenn eine Übertragung das Werk verlässt. Die wichtigere Frage ist, wie viel dieser Präzision über die gesamte Lebensdauer des Roboters oder der Maschine erhalten bleiben kann.