RV-Getriebe für Schweißpositionierer: Auswahl und Drehmomentberechnung für schwere Schweißanwendungen

Einleitung

Ein Schweißpositionierer ist eine entscheidende Bewegungskomponente in automatisierten Schweißsystemen. Durch Drehen und Neupositionieren eines Werkstücks ermöglicht er dem Schweißroboter oder Bediener, während des gesamten Prozesses einen geeigneten Schweißwinkel beizubehalten. Bei Hochleistungs-Schweißpositionierern muss der Drehantrieb jedoch weit mehr als eine einfache Drehzahlreduzierung leisten. Er muss ausreichend Ausgangsdrehmoment, hohe Torsionssteifigkeit, stabile Drehung bei niedriger Drehzahl, präzise Positionierung und zuverlässige Leistung bei häufigem Beschleunigen, Abbremsen und Reversieren bieten.

Aus diesem Grund wird einRV-Getriebe weithin als geeignete Antriebslösung für Schweißpositionierer mittlerer und hoher Belastbarkeit angesehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben kann einRV-Getriebe eine hohe Drehmomentdichte, hohe Steifigkeit, geringes Spiel und eine hohe Stoßlastbeständigkeit in einer relativ kompakten Bauform bieten.

Dieser Artikel erläutert, wie ein RV-Getriebe und ein Servomotor für einen Schweißpositionierer unter Berücksichtigung von Werkstückmasse, Drehradius, Ausgangsdrehzahl, Lastdrehmoment, Trägheit, Beschleunigung und Positionierungsanforderungen ausgewählt werden.

Warum ein RV-Getriebe für einen Schweißpositionierer verwenden?

Ein Schweißpositionierer arbeitet typischerweise mit einer relativ niedrigen Ausgangsdrehzahl und erfordert gleichzeitig ein hohes Drehmoment an der Drehachse. Dabei kann das Werkstück mehrere Hundert oder sogar Tausend Kilogramm wiegen.

Das Antriebssystem muss daher die hochdrehende, relativ drehmomentschwache Ausgangsleistung eines Servomotors in eine kontrollierte Drehbewegung mit hohem Drehmoment umwandeln.

Ein RV-Getriebe eignet sich besonders für diese Anwendung, da es mehrere für Schweißpositionierer wichtige Eigenschaften vereint:

• Hohe Übersetzungsverhältnisse

• Hohes Ausgangsdrehmoment

• Hohe Torsionssteifigkeit

• Geringes Spiel

• Hohe Drehmomentdichte

• Gute Beständigkeit gegen Stoßlasten

• Stabiler Betrieb bei Drehung mit niedriger Drehzahl

• Kompatibilität mit Positioniersystemen für Servomotoren

Das richtige RV-Getriebe sollte jedoch nicht allein anhand des Werkstückgewichts ausgewählt werden. Die tatsächliche Berechnung sollte das vollständige mechanische und Bewegungsprofil des Schweißpositionierers berücksichtigen.

Typische Auslegungsparameter für einen Schweißpositionierer

Betrachten Sie einen Schweißpositionierer mit Spindelstock und Reitstock mit den folgenden vorläufigen Spezifikationen:

Ziel dieser Berechnung ist es, das ungefähre Übersetzungsverhältnis, das Motordrehmoment und die für die Drehachse erforderliche Drehmomentkapazität des RV-Getriebes zu bestimmen.

Bei einer tatsächlichen Maschine sollten die Werte durch die reale Werkstückgeometrie, die Lage des Schwerpunkts, die Spannvorrichtungsmasse, die Trägheit, die Beschleunigungszeit und den Betriebszyklus ersetzt werden.

Auswahl des RV-Getriebes und Drehmomentberechnung

Schritt 1: Erforderliche Ausgangsdrehzahl berechnen

Die maximale Drehgeschwindigkeit ist wie folgt spezifiziert:

70°/s

Umrechnung der Winkelgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute:

nL = 70 / 360 × 60

Daraus folgt:

nL ≈ 11.67 rpm

Der Schweißpositionierer benötigt daher bei maximaler Betriebsgeschwindigkeit eine Ausgangsdrehzahl von etwa 11.7 rpm.

Diese niedrige Ausgangsdrehzahl ist einer der Hauptgründe, warum zwischen dem Servomotor und der Drehachse ein Getriebe mit hoher Übersetzung erforderlich ist.

Schritt 2: Übersetzungsverhältnis des RV-Getriebes bestimmen

Unter Annahme eines Servomotors mit einer Nenndrehzahl von 3000 rpm:

i = nM / nL

Einsetzen der Werte:

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Daher ist aus Sicht der Drehzahlanpassung ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von etwa 250:1 geeignet.

Beispielsweise bei einem Übersetzungsverhältnis von 250:1:

nL = 3000 / 250 = 12 rpm

Die entsprechende Drehgeschwindigkeit beträgt:

12 × 360 / 60 = 72°/s

Die daraus resultierende maximale Ausgangsdrehzahl beträgt etwa 72°/s und übersteigt damit die erforderlichen 70°/s geringfügig.

Das tatsächliche Übersetzungsverhältnis sollte letztendlich entsprechend den verfügbaren Übersetzungen des RV-Getriebes, dem Drehzahlbereich des Servomotors und dem erforderlichen Bewegungsprofil ausgewählt werden.

Schritt 3: Werkstückträgheit berechnen

Das Massenträgheitsmoment des Werkstücks hat einen erheblichen Einfluss auf das vom Schweißpositionierer benötigte dynamische Drehmoment.

Für eine erste technische Abschätzung kann die Last als äquivalente Masse an einem gegebenen Drehradius vereinfacht werden:

JL = m × R²

Für ein Werkstück von 500 kg mit einem äquivalenten Radius von 0.6 m:

JL = 500 × 0.6²

Daraus folgt:

JL = 180 kg·m²

Dies ist nur eine vorläufige Näherung. Bei einem realen Schweißpositionierer sollte das gesamte Massenträgheitsmoment auch die Spannvorrichtung, das Spannfutter, die Montageplatte, die Kupplung, die Ausgangswelle und andere rotierende Komponenten einschließen.

Bei großen oder unregelmäßigen Werkstücken liefert die Berechnung des tatsächlichen Massenschwerpunkts und Massenträgheitsmoments ein wesentlich zuverlässigeres Ergebnis.

Schritt 4: Schwerkraftlastdrehmoment berechnen

Wenn der Schwerpunkt des Werkstücks gegenüber der Drehachse versetzt ist, erzeugt die Schwerkraft ein statisches Lastdrehmoment.

Die grundlegende Beziehung lautet:

TL = m × g × e

wobei m die Werkstückmasse, g die Erdbeschleunigung und e der senkrechte Abstand zwischen dem Schwerpunkt und der Drehachse ist.

Wenn der wirksame Versatz mit 600 mm angenommen wird:

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Daraus folgt:

TL ≈ 2943 N·m

Dieser Wert stellt das Schwerkraftdrehmoment unter der angenommenen Bedingung einer exzentrischen Last dar.

Es ist wichtig, zwischen dem physikalischen Radius des Werkstücks und dem Schwerpunktversatz zu unterscheiden. Liegt der Schwerpunkt des Werkstücks nahe an der Drehachse, ist das tatsächliche Schwerkraftdrehmoment deutlich geringer als in diesem konservativen Beispiel.

Diese Unterscheidung ist bei der Auswahl eines RV-Getriebes für einen realen Schweißpositionierer wichtig.

Schritt 5: Beschleunigungs- und Verzögerungsdrehmoment berücksichtigen

Das statische Drehmoment ist nur ein Teil der Berechnung.

Während der Beschleunigung und Verzögerung muss das Drehsystem auch die Trägheit des Werkstücks überwinden.

Das Trägheitsdrehmoment kann geschätzt werden mit:

TJ = JL × α

wobei JL das gesamte Massenträgheitsmoment und α die Winkelbeschleunigung auf der Werkstückseite ist.

Das bedeutet, dass zwei Schweißpositionierer mit demselben Werkstück von 500 kg völlig unterschiedliche RV-Getriebe benötigen können, wenn ihre Beschleunigungszeiten unterschiedlich sind.

Ein Positionierer, der beispielsweise für langsame und gleichmäßige Drehung ausgelegt ist, kann ein relativ niedriges dynamisches Drehmoment aufweisen, während ein Hochgeschwindigkeitspositionierer mit schneller Beschleunigung und Abbremsung wesentlich höhere Spitzendrehmomente erzeugen kann.

Daher sollte das Beschleunigungs- und Verzögerungsprofil immer in die endgültige Auswahl des RV-Getriebes einbezogen werden.

Schritt 6: Erforderliches Servomotordrehmoment berechnen

Das Ausgangsdrehmoment des RV-Getriebes kann näherungsweise wie folgt berechnet werden:

Tout = TM × i × η

Daher beträgt das erforderliche Motordrehmoment:

TM = Tout / (i × η)

Unter Annahme von:

TL = 2943 N·m

i = 250

η = 0.85

Das motorseitige Drehmoment ergibt sich zu:

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 N·m

Wird ein vorläufiger Sicherheitsfaktor von 2.0 angewendet:

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 N·m

Daher sollte der Servomotor unter dieser angenommenen Lastbedingung ein Nennmoment von etwa 28 N·m oder mehr aufweisen.

Ein typischer 11 kW-Servomotor bei 3000 rpm liefert ungefähr:

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 N·m

Aus dieser vorläufigen Berechnung ergibt sich, dass ein 11 kW-Servomotor mit 3000 rpm unter den angenommenen Bedingungen ausreichend Nennmoment liefern kann.

Bei der endgültigen Motorauswahl sollten jedoch auch Spitzendrehmoment, Überlastfähigkeit, thermische Kapazität, Encoderauflösung und der vollständige Betriebszyklus überprüft werden.

Schritt 7: RV-Getriebe nach Ausgangsdrehmoment auswählen

Das RV-Getriebe muss in der Lage sein, das erforderliche Lastdrehmoment kontinuierlich zu übertragen und gleichzeitig transiente Drehmomente bei Beschleunigung, Verzögerung, Notstopps und Reversierung zu bewältigen.

Unter Verwendung eines vorläufigen Sicherheitsfaktors von 2.0:

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 N·m

Für eine konservative Spitzenlastprüfung mit dem Dreifachen des statischen Lastdrehmoments:

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 N·m

Daher wäre unter dieser angenommenen exzentrischen Lastbedingung ein RV-Getriebe mit ungefähr:

Nennausgangsdrehmoment ≥ 6000 N·m

und:

Spitzendrehmomentkapazität ≥ 9000 N·m

ein sinnvoller Ausgangspunkt für die weitere Modellauswahl.

Das tatsächliche Getriebe sollte entsprechend dem Nenndrehmoment des Herstellers, dem zulässigen Spitzendrehmoment, dem Betriebsfaktor, der Eingangsdrehzahl, der Lebensdauerbewertung und dem Betriebszyklus ausgewählt werden.

Warum ist das Spitzendrehmoment bei Schweißpositionierern wichtig?

Ein Schweißpositionierer arbeitet nur selten mit konstanter Drehzahl.

Ein typischer Bewegungszyklus kann Folgendes umfassen:

Beschleunigung → Drehung mit konstanter Geschwindigkeit → Verzögerung → Stopp → Rückwärtsdrehung

Während dieser Übergänge kann das Trägheitsdrehmoment des Werkstücks erheblich werden.

Ein Notstopp kann sogar noch höhere transiente Lasten erzeugen.

Aus diesem Grund kann die Auswahl eines RV-Getriebes allein anhand seines kontinuierlichen Nenndrehmoments zu einem unterdimensionierten Antriebssystem führen.

Die folgenden Parameter sollten gemeinsam geprüft werden:

• Kontinuierliches Ausgangsdrehmoment

• Spitzenausgangsdrehmoment

• Eingangsdrehzahl

• Ausgangsdrehzahl

• Lastträgheit

• Beschleunigung und Verzögerung

• Betriebszyklus

• Radial- und Axiallasten

• Spiel und Torsionssteifigkeit

Dieser Ansatz bietet eine wesentlich zuverlässigere Grundlage für die Auswahl eines RV-Getriebes.

Spiel des RV-Getriebes und Positioniergenauigkeit

Die Positioniergenauigkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei automatisierten Schweißpositionierern.

Die mechanische Antriebskette besteht normalerweise aus:

Servomotor → RV-Getriebe → Ausgangswelle → Spannvorrichtung → Werkstück

Jeder mechanische Fehler in dieser Kette kann die endgültige Werkstückposition beeinflussen.

Das Spiel ist besonders wichtig, da die Umkehrung der Drehrichtung einen Winkelfehler zwischen Ein- und Ausgangsseite verursachen kann.

Beispielsweise unter Annahme eines Winkelfehlers von 1 arcmin:

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 rad

Bei einem Drehradius von 600 mm:

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 mm

Dieses Beispiel zeigt, dass das Getriebespiel allein ein wichtiger Faktor werden kann, wenn die Anwendung am Werkstückradius eine lineare Wiederholgenauigkeit von etwa 0.1 mm erfordert.

Die Positioniergenauigkeit des Systems kann jedoch nicht allein anhand des Getriebespiels bestimmt werden.

Sie hängt außerdem ab von:

• Servo-Encoderauflösung

• Leistung der Servoregelung

• Übertragungsgenauigkeit des RV-Getriebes

• Torsionsverformung

• Steifigkeit der Ausgangswelle

• Steifigkeit der Spannvorrichtung

• Montagegenauigkeit

• Werkstückverformung

Daher gewährleistet ein hochauflösender Encoder nicht automatisch eine hohe mechanische Positioniergenauigkeit.

Wie lässt sich die Positionierleistung eines Schweißpositionierers verbessern?

Ein RV-Getriebe mit geringem Spiel und hoher Steifigkeit verwenden

Ein Getriebe mit geringem Spiel und hoher Torsionssteifigkeit trägt dazu bei, Winkelbewegungen durch Laständerungen und Reversierbewegungen zu verringern.

Einen hochauflösenden Absolutencoder verwenden

Ein Absolutencoder liefert dem Servosystem präzise Rückmeldungen und kann die Positionierungsunsicherheit verringern.

Für Anwendungen, die eine Positionserhaltung nach einem Stromausfall erfordern, kann auch ein Multiturn-Absolutencoder in Betracht gezogen werden.

Strukturelle Steifigkeit auf der Ausgangsseite erhöhen

Selbst ein leistungsstarkes RV-Getriebe kann übermäßige Verformungen der Ausgangswelle, Montageplatte, Spannvorrichtung oder des Maschinenrahmens nicht kompensieren.

Die mechanische Struktur sollte daher mit ausreichender Steifigkeit für die tatsächliche Werkstücklast ausgelegt werden.

Positionsrückmeldung auf der Ausgangsseite berücksichtigen

Bei hochpräzisen Schweißpositionierern kann eine direkte Positionsrückmeldung an der Ausgangsachse genauere Informationen über die tatsächliche Werkstückposition liefern, als wenn man sich nur auf den motorseitigen Encoder verlässt.

Schweißpositionierer mit Einzelantrieb vs. Doppelantrieb

Schweißpositionierer mit Spindelstock und Reitstock können entweder einen einzelnen Drehantrieb oder eine Doppelantriebskonfiguration verwenden.

Schweißpositionierer mit Einzelantrieb

Bei einer Einzelantriebskonstruktion liefert ein Antriebssystem das primäre Drehmoment. Das RV-Getriebe, die Ausgangswelle, die Lageranordnung und der Maschinenrahmen müssen daher für die vollständige Lastbedingung ausgelegt sein.

Schweißpositionierer mit Doppelantrieb

Eine Doppelantriebskonfiguration verwendet Servomotoren und Getriebe an beiden Enden des Werkstücks.

Bei gleichmäßiger Lastverteilung kann jeder Antrieb theoretisch etwa die Hälfte des gesamten mittleren Drehmoments übernehmen.

Bei der endgültigen technischen Auslegung kann die Gesamtlast jedoch nicht einfach durch zwei geteilt werden.

Unterschiede bei mechanischer Ausrichtung, Servosynchronisierung, Steifigkeit, Reibung und Lastverteilung können zu einer ungleichen Drehmomentaufteilung zwischen den beiden Antriebssystemen führen.

Daher erfordert ein Schweißpositionierer mit Doppelantrieb sowohl mechanische Synchronisierung als auch koordinierte Servoregelung.

Wesentliche Vorteile von RV-Getrieben für Schweißpositionierer

Hohe Torsionssteifigkeit

Eine hohe Torsionssteifigkeit trägt dazu bei, eine stabile Werkstückpositionierung während des Schweißens aufrechtzuerhalten, und verringert durch wechselnde Lasten verursachte Winkelabweichungen.

Hohe Drehmomentdichte

Ein RV-Getriebe kann in einem relativ kompakten Gehäuse ein hohes Ausgangsdrehmoment liefern und eignet sich daher für hochbelastete Drehachsen mit begrenztem Einbauraum.

Geringes Spiel

Geringes Spiel trägt zur Verbesserung der Reversiergenauigkeit und wiederholbaren Positionierung bei, was besonders für robotergestützte Schweißanwendungen wichtig ist.

Hohe Beständigkeit gegen Stoßlasten

Große Werkstücke können bei Beschleunigung, Verzögerung, Beladung und Notstopp erhebliche transiente Lasten erzeugen. Ein passend dimensioniertes RV-Getriebe kann die für diese Betriebsbedingungen erforderliche mechanische Robustheit bieten.

Geeignet für servogesteuerte Bewegungen

RV-Getriebe können mit AC-Servomotoren und hochauflösenden Encodern kombiniert werden, um geschlossene Drehpositioniersysteme für automatisierte Schweißanlagen zu schaffen.

Beispiel für die Auswahl eines RV-Getriebes für einen 500 kg-Schweißpositionierer

Für das in diesem Artikel betrachtete Beispiel:

Auf Grundlage dieser vorläufigen Berechnungen kann ein RV-Getriebe mit einem Nennausgangsdrehmoment von etwa 6000 N·m oder höher und ausreichender Spitzendrehmomentkapazität zur weiteren Bewertung in Betracht gezogen werden.

Das genaue Getriebemodell sollte nach Prüfung des tatsächlichen Werkstückschwerpunkts, des gesamten Massenträgheitsmoments, der Beschleunigungszeit, des Betriebszyklus, der Radial- und Axiallasten, der Montagekonfiguration und der erforderlichen Lebensdauer bestätigt werden.

Häufige Fehler bei der Auswahl eines RV-Getriebes für einen Schweißpositionierer

Auswahl des Getriebes ausschließlich nach Werkstückgewicht

Ein Werkstück von 500 kg erfordert nicht automatisch in jeder Anwendung dieselbe RV-Getriebespezifikation.

Der Schwerpunktversatz, die Trägheit, die Beschleunigung und die Geometrie der Spannvorrichtung können das erforderliche Drehmoment erheblich verändern.

Dynamisches Drehmoment ignorieren

Das statische Schwerkraftdrehmoment reicht für Anwendungen mit schneller Beschleunigung, Abbremsung oder Reversierung nicht aus.

Das Trägheitsdrehmoment sollte in die endgültige Berechnung einbezogen werden.

Auswahl allein nach Motorleistung

Ein 11 kW-Servomotor bestimmt nicht automatisch das richtige RV-Getriebe.

Das Getriebe muss entsprechend Eingangsdrehzahl, Ausgangsdrehmoment, Spitzendrehmoment, Übersetzungsverhältnis, Trägheit, Betriebszyklus und mechanischer Belastung abgestimmt werden.

Spiel ignorieren

Ein Getriebe kann ausreichend Drehmoment liefern, aber dennoch die erforderliche Positionierleistung nicht erfüllen, wenn seine mechanische Genauigkeit und Steifigkeit für die Anwendung unzureichend sind.

Spannvorrichtung und rotierende Struktur ignorieren

Das Werkstück ist nicht die einzige rotierende Masse. Spannfutter, Spannvorrichtungen, Montageplatten, Kupplungen, Wellen und andere Komponenten tragen ebenfalls zum gesamten Massenträgheitsmoment bei.

Fazit

Die Auswahl eines RV-Getriebes für einen Schweißpositionierer erfordert mehr als die Abstimmung des Getriebes auf das Werkstückgewicht. Das vollständige Drehsystem sollte anhand von Lastdrehmoment, Schwerpunktversatz, Massenträgheitsmoment, Beschleunigung, maximaler Drehzahl, Spitzendrehmoment, Spiel, Torsionssteifigkeit und Positionierungsanforderungen bewertet werden.

Beim in diesem Artikel behandelten Beispiel eines 500 kg-Schweißpositionierers entspricht eine maximale Drehgeschwindigkeit von 70°/s einer Ausgangsdrehzahl von etwa 11.67 rpm. Bei Verwendung eines Servomotors mit 3000 rpm liefert ein Übersetzungsverhältnis von etwa 250:1 eine Ausgangsdrehzahl von etwa 12 rpm.

Unter dem angenommenen Schwerpunktversatz von 600 mm beträgt das berechnete Schwerkraftdrehmoment etwa 2943 N·m. Mit einem vorläufigen Sicherheitsfaktor erreicht die Anforderung an das kontinuierliche Ausgangsdrehmoment etwa 5886 N·m, während eine konservative Spitzenlastprüfung etwa 8829 N·m ergibt.

Dies bietet einen nützlichen Ausgangspunkt für die Auswahl eines RV-Getriebes mit hohem Drehmoment und hoher Steifigkeit für hochbelastete Schweißpositionierer.

Bei der tatsächlichen Maschinenauslegung sollten diese Berechnungen jedoch anhand des realen Werkstückschwerpunkts, des vollständigen Massenträgheitsmoments, des Beschleunigungs- und Bremsprofils, der Spannvorrichtungsmasse, der Radial- und Axiallasten, des Betriebszyklus und der spezifischen technischen Daten des ausgewählten RV-Getriebes verfeinert werden.

Ein passend abgestimmtes RV-Getriebe und ein Servomotor können die Kombination aus hohem Drehmoment, präziser Positionierung, stabiler Drehung bei niedriger Drehzahl und mechanischer Steifigkeit bereitstellen, die für robotergestützte Schweißpositionierer, Schweißdreher und andere hochbelastete automatisierte Drehanlagen erforderlich ist.