Warum eignen sich Wellgetriebe für hochpräzise Automatisierungsanlagen?

Bei Dosier-, Präzisionsplatzier- und automatisierten Inspektionsanlagen müssen Bewegungsmechanismen auf begrenztem Einbauraum häufig starten und stoppen, Winkel verstellen und wiederholt Positionen anfahren. Das einmalige Erreichen der Zielposition ist dabei erst der Anfang. Die größere Herausforderung besteht darin, während der kontinuierlichen Produktion eine gleichmäßige Bewegung aufrechtzuerhalten.

Mit geringem Umkehrspiel, kompakter Bauweise und hohen einstufigen Untersetzungsverhältnissen bieten Harmonic-Drive-Getriebe eine praktische Antriebsoption für präzise Drehachsen. Ihre Eigenschaften können Anwendungen wie die Ausrichtung von Dosierköpfen, die Winkelkorrektur von Bestückköpfen und die Indexierung von Inspektionstischen unterstützen.

Warum ist die Positionierwiederholbarkeit in der Präzisionsautomatisierung wichtig?

Die Positionierwiederholbarkeit beschreibt, wie zuverlässig ein Mechanismus unter festgelegten Bedingungen dieselbe Zielposition wieder anfährt.

Sie unterscheidet sich von der absoluten Positioniergenauigkeit. Ein Mechanismus kann wiederholt nahezu an derselben Stelle anhalten und dennoch von seiner theoretischen Zielposition abweichen. Anlagenkonstrukteure müssen daher neben der Wiederholbarkeit auch Übertragungsfehler, Kalibrierung und tatsächliche Belastungsbedingungen berücksichtigen.

Die folgenden Anwendungen zeigen, warum eine gleichmäßige Drehbewegung wichtig ist:

Bei diesen Anwendungen reduziert das Getriebe nicht nur die Motordrehzahl. Es trägt dazu bei, die vorgegebene Bewegung gleichmäßig vom Motor auf den Arbeitsmechanismus zu übertragen.

Wie unterstützen Harmonic-Drive-Getriebe präzise Bewegungen?

Geringes Umkehrspiel hilft, den Umkehrtotgang zu reduzieren

Bei einem Mechanismus, der häufig die Drehrichtung wechselt, kann das Spiel in der Kraftübertragung dazu führen, dass sich der Eingang bewegt, bevor der Ausgang reagiert. Dadurch lassen sich kleine Winkelkorrekturen schwieriger steuern.

Harmonic-Drive-Verzahnungennutzen die elastische Verformung eines Flexsplines, um dessen Zähne mit einem Circular Spline in Eingriff zu bringen. Dieses Eingriffsprinzip trägt dazu bei, das Zahnspiel zu minimieren, und eignet sich daher für Drehachsen, die häufige Richtungswechsel und präzise Winkelverstellungen erfordern.

Geringes Umkehrspiel bedeutet jedoch nicht, dass die gesamte Kraftübertragung fehlerfrei ist. Kupplungen, Torsionsnachgiebigkeit und Hysterese können die Ausgangsposition weiterhin beeinflussen. Die Auswahl sollte daher auf den Leistungsdaten des jeweiligen Modells beruhen und nicht allein auf der Bezeichnung „spielfrei“.

Hohe Untersetzungsverhältnisse ermöglichen feine Winkelbewegungen

Ein Untersetzungsmechanismus wandelt eine vergleichsweise große Motordrehung in eine kleinere Bewegung am Ausgang um.

Bei einem theoretischen Untersetzungsverhältnis von 100:1 entspricht beispielsweise eine Motordrehung von 1° einer Ausgangsdrehung von 0,01°. Dieses Verhältnis ermöglicht feine Winkelvorgaben, bedeutet jedoch nicht, dass die Anlage automatisch eine Positioniergenauigkeit von 0,01° erreicht.

Die tatsächliche Leistung hängt außerdem von der Encoder-Rückmeldung, dem Übertragungsfehler, der mechanischen Steifigkeit und dem Steuerungssystem ab.

Die kompakte Bauweise vereinfacht die Integration in die Anlage

Dosierköpfe, Bestückköpfe und Inspektionsstationen müssen häufig Kameras, Beleuchtung, Sensoren, Pneumatikleitungen und Kabel aufnehmen. Der für den Antrieb verfügbare Einbauraum kann begrenzt sein.

Harmonic-Drive-Getriebebieten hohe Untersetzungsverhältnisse bei kompakter Bauform. Ihr Mehrzähneingriff ermöglicht zudem die Kraftübertragung auf vergleichsweise kleinem Raum.

Für Anlagenhersteller ermöglichen diese Eigenschaften eine kompakte Antriebslösung rund um den Arbeitsmechanismus, während Platz für Prozesskomponenten bleibt.

Anwendungen in Dosier-, Bestückungs- und Inspektionsanlagen

Die folgenden Beispiele beschreiben mögliche Anwendungen auf Grundlage der Bewegungsanforderungen der Anlage und der Eigenschaften von Harmonic-Drive-Verzahnungen. Die Eignung sollte anhand des tatsächlichen Maschinendesigns und der Betriebsbedingungen bestätigt werden.

Dosieranlagen: Drehpositionierung und Werkzeugausrichtung

Bei manchen Dosierprozessen muss die Düse das Werkstück aus verschiedenen Richtungen anfahren. Bei anderen muss sich das Werkstück während der Bearbeitung drehen oder neigen.

In solchen Situationen beeinflusst die Wiederholbarkeit der Drehachse die relative Ausrichtung zwischen Dosiernadel und Werkstück.

Harmonic-Drive-Getriebe kommen für Drehachsen von Dosierköpfen, rotierende Werkstückhalterungen und Gelenke von Dosierrobotern infrage. Sie unterstützen den Mechanismus dabei, Winkelverstellungen auszuführen und programmierte Positionen zuverlässig wieder anzufahren.

Die Dosierqualität hängt außerdem von Versorgungsdruck, Fluidviskosität, Nadelhöhe und Verfahrgeschwindigkeit ab. Das Getriebe unterstützt die mechanische Bewegung, bestimmt jedoch nicht eigenständig die Qualität der Dosierraupe.

Präzisionsbestückungsanlagen: Winkelausrichtung von Bauteilen

Bei der Präzisionsbestückung muss ein Bauteil möglicherweise anhand der Rückmeldung eines Bildverarbeitungssystems gedreht werden, bevor es auf sein Ziel ausgerichtet wird.

Bei Theta-Achsen, Drehvorrichtungen und kompakten Montagemechanismen, die für einen Getriebeantrieb geeignet sind, hilft geringes Umkehrspiel, den Einfluss des mechanischen Spiels bei Winkelkorrekturen zu verringern. Ein kompaktes Getriebe erleichtert außerdem die Integration auf begrenztem Einbauraum.

Wenn eine Anwendung besonders hohe Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder kurze Taktzeiten erfordert, sollten Konstrukteure auch Alternativen wie Direktantriebe prüfen. Ansprech- und Einschwingzeit sollten unter tatsächlicher Last verifiziert werden.

Automatisierte Inspektionsanlagen: Wiederholgenaue Indexierung und Betrachtungswinkel

Für die visuelle Inspektion, Maßprüfung und Bildaufnahme aus mehreren Winkeln muss ein Werkstück möglicherweise nacheinander verschiedene Prüfpositionen anfahren.

Ein Harmonic-Drive-Getriebe kann in einem Inspektionsrundtisch oder einer Ausrichtachse eingesetzt werden, um das Werkstück auf programmierte Winkel zu positionieren. Bei Anwendungen, in denen Bilder aus verschiedenen Produktionschargen verglichen werden, trägt eine gleichmäßige mechanische Positionierung dazu bei, wiederholbare Bedingungen für die Bildaufnahme aufrechtzuerhalten.

Die Gesamtgenauigkeit der Inspektion hängt weiterhin von der mechanischen Plattform, dem Bildverarbeitungs- oder Messsystem und der Kalibriermethode ab.

Wie wählen Sie ein Untersetzungsverhältnis zwischen 30:1 und 160:1 aus?

Für diese Anwendungen kann der Bereich von 30:1 bis 160:1 als erster Anhaltspunkt für die Auswahl dienen. Anschließend wird ein Verhältnis aus den verfügbaren Varianten der jeweiligen Produktreihe ausgewählt.

Die verschiedenen HONPINE-Produktreihen bieten unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse. Nicht jede Baugröße oder Bauform ist mit jedem Verhältnis aus diesem Bereich erhältlich.

Zunächst ist zu prüfen, ob die Ausgangsdrehzahl die erforderliche Maschinentaktzeit erfüllt. Bei gleicher Motordrehzahl führt ein höheres Untersetzungsverhältnis zu einer niedrigeren Ausgangsdrehzahl.

Bei einer angenommenen Eingangsdrehzahl von 3.000 rpm gilt beispielsweise:

Diese Werte veranschaulichen lediglich das Übersetzungsverhältnis. Im tatsächlichen Betrieb müssen die Grenzwerte für Eingangsdrehzahl, Belastung und Einschaltdauer des ausgewählten Modells eingehalten werden.

Im nächsten Schritt sind Lastträgheit, Beschleunigungs- und Verzögerungsmoment, kontinuierliches Betriebsdrehmoment und Spitzenlasten zu bewerten. Ein höheres Untersetzungsverhältnis kann die Anpassung von Drehmoment und Trägheit unterstützen, verändert jedoch auch die Anforderungen an die Motordrehzahl und die Systemdynamik.

Das Untersetzungsverhältnis ist keine Genauigkeitsklasse. Es sollte nicht automatisch angenommen werden, dass ein Getriebe mit 160:1 eine bessere Positionierwiederholbarkeit bietet als ein Getriebe mit 50:1. Die geeignete Auswahl muss gleichzeitig die Anforderungen an Präzision, Belastung und Taktzeit erfüllen.

Topfförmige Flexsplines und integrierte Getriebeeinheiten verstehen

„Topfförmiger Flexspline“ und „integrierte Getriebeeinheit“ beschreiben unterschiedliche Aspekte eines Harmonic-Drive-Getriebes. Daher können beide Bezeichnungen auf dasselbe Produkt zutreffen.

Topfförmige Flexsplines beschreiben die Geometrie des Flexsplines

Ein topfförmiger Flexspline hat eine dünnwandige, becherförmige Bauweise und ist eine gängige Ausführung in der Harmonic-Drive-Verzahnung.

Bei der Beurteilung seiner Eignung für eine Drehachse sollten Konstrukteure axiale Länge, Befestigungsschnittstellen, Drehmomentanforderungen und Steifigkeit berücksichtigen.

Die Form des Flexsplines allein entscheidet nicht darüber, ob ein Getriebe für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Es muss als Teil des gesamten Antriebsdesigns bewertet werden.

Integrierte Getriebeeinheiten beschreiben den Integrationsgrad

Eine integrierte Getriebeeinheit, auch als Harmonic-Drive-Kombinationsgetriebe bezeichnet, vereint üblicherweise die Getriebekomponenten mit Elementen wie Ausgangslagern. Ob Gehäuse, Montageflansch und eine bestimmte Lageranordnung enthalten sind, hängt vom Modell ab.

Für Anlagenhersteller kann ein stärker integriertes Produkt den Aufwand für die Konstruktion separater Stützstrukturen und die Montage einzelner Komponenten verringern.

Ein Komponentensatz bietet dagegen größere Freiheit, das Getriebe in ein kundenspezifisches Gehäuse oder eine Maschinenstruktur zu integrieren.

Bei der Auswahl sind daher zwei getrennte Fragen zu berücksichtigen: Eignet sich die Flexspline-Konfiguration für die Platz- und Belastungsanforderungen, und entspricht der Integrationsgrad dem Anlagendesign und der Montageweise?

Welche Informationen werden für die Auswahl eines Präzisions-Harmonic-Drive-Getriebes benötigt?

Damit ein Harmonic-Drive-Getriebe die vorgesehene Leistung erbringen kann, sollten Sie dem Lieferanten folgende Anwendungsinformationen bereitstellen:

Unter Last weist ein Getriebe eine gewisse Torsionsverformung auf, und Laständerungen können die Ausgangsposition beeinflussen. Bei anspruchsvollen Anwendungen sollten Torsionssteifigkeit und Hysterese über den tatsächlichen Betriebsbereich bewertet werden, statt sich ausschließlich auf Werte im lastfreien Zustand zu stützen.

Auch die Konzentrizität bei der Installation, die Qualität der Montageflächen und die Schmierung beeinflussen Leistung und Lebensdauer. Selbst ein korrekt spezifiziertes Getriebe kann die erwartete Anlagenleistung verfehlen, wenn es nicht ordnungsgemäß montiert ist.

Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes für Ihre Automatisierungsanlage

Dosier-, Bestückungs- und Inspektionsanlagen erfordern in der Regel eine ausgewogene Kombination aus wiederholgenauer Positionierung, kompakter Installation, Belastbarkeit und Produktionstaktzeit.

Die Eigenschaften von Harmonic-Drive-Getrieben – geringes Umkehrspiel und kompakte Kraftübertragung – machen sie zu einer geeigneten Option für präzise Drehachsen. Die Auswahl sollte bei den tatsächlichen Bewegungsanforderungen beginnen und anschließend das passende Untersetzungsverhältnis, die Flexspline-Konfiguration, die Ausgangslagerung und die Motoranordnung berücksichtigen.

Wenn Sie Präzisionsautomatisierungsanlagen entwickeln, teilen Sie HONPINE Ihr Bewegungsprofil, die Lastparameter, Genauigkeitsziele und Einbauzeichnungen mit. Unser technisches Team unterstützt Sie dabei, eine geeignete Konfiguration eines Harmonic-Drive-Getriebes für Ihre Anwendung zu bewerten.