Getriebeeinsatz bietet Präzision und Dynamik bei kleinerem Bauraum

Federleicht zur „Frühjahrsmesse“

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Extrem leichte Präzi- sionsantriebe bietet dieser Hersteller. Möglich wurde dies durch den konsequenten Leichtbau zur Gewichtsreduktion. Der Beitrag schildert die Herangehensweise und das Ergebnis dieser innovativen Produktentwicklung.

Die industriellen Forderungen nach immer präziseren und dynamischeren Maschinensystemen erfordern auch ein Umdenken in der Antriebstechnik. Insbesondere müssen neben der geforderten hohen Präzision und Dynamik auch Anforderungen an den Bauraum und das Gewicht des Antriebes beachtet werden. Durch einen sehr hohen Integrationsgrad sämtlicher an einem Antriebssystem beteiligten Komponenten, wie Lagerung, Getriebe, Motor, Feedbacksystem und Gehäusestruktur, ist es möglich, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Voraussetzung hierfür ist, dass man Entwicklung und Fertigung der Hauptkomponenten in einer Hand behält. Die von Hause aus kompakten, leichten und präzisen Harmonic Drive Getriebe bieten hierfür eine sehr gute Basis. Mit detaillierten Simulationen bei der Getriebe- und Motorauslegung wird gewährleistet, dass hocheffiziente und bauraumsparende Komponenten entstehen. Wichtig bei der Auslegung und konstruktiven Ausführung der einzelnen Bauteile ist ein möglichst modularer Aufbau der einzelnen Komponenten, was zu Wirtschaftlichkeit und Flexibilität führt.

Formleichtbau zur Gewichtsreduktion
Als Basis für extrem leichte Präzisionsantriebssysteme wurde erstmalig ein konsequenter Formleichtbau zur Gewichtsreduktion des Kernbauteils, dem Harmonic Drive Getriebe, im Entwicklungszentrum der Harmonic Drive AG vorangetrieben. Das Ergebnis ist ein neuer, innovativer Leichtbaugetriebeeinbausatz der Baureihe CPL (Compact Precise Light). Sämtliche Komponenten der bereits relativ leichten Harmonic Drive Standardgetriebe wurden gewichtsoptimiert. Der Flexspline-Abtriebsflansch wurde bezüglich Bohrbild und Abmessungen auf die minimal notwendige Geometrie optimiert. Als weiterer Vorteil für das Getriebe ergibt sich bei dieser Maßnahme ein größerer Innendurchmesser des Flexspline-Flansches. Dies ermöglicht es, zukünftig größere Hohlwellen durch das Getriebe zentral durchzuführen. Eine weitere Innovation im Bereich des Flexsplines trägt ebenfalls zur Gewichtsreduktion bei: die Nutzung von reibwerterhöhenden Schichten. Zur Übertragung der maximalen Drehmomente, wird bei den CPL-Getriebeeinbausätzen am Flexspline-Abtriebsflansch eine beidseitige, diamantbestückte Scheibe „EKagrip“ eingesetzt. Dadurch wird der Reibwert zwischen den zu verschraubenden Flächen des Flexsplines und des kundenseitigen Abtriebsflansches in etwa verdreifacht, so dass das erforderliche Drehmoment mit weniger und kleineren Schrauben übertragen werden kann. Die EKagrip-Scheibe gehört zum Lieferumfang des CPL-Getriebes.
Systematische FEM-Analysen
Mit Hilfe von systematisch durchgeführten FEM-Analysen, für die spezielle, parametrisierte Modelle aufgebaut wurden, ist es gelungen, das Gewicht des Circular Splines, welcher den größten Anteil am Getriebegewicht trägt, ebenfalls spürbar zu reduzieren. Der Circular Spline erhält durch die T-Form ein optimiertes Verhältnis zwischen Gewicht und nötiger radialer Steifigkeit, welche von großer Wichtigkeit für die Drehmomentkapazität und Überlastbarkeit des Getriebes ist. Der Wave Generator, das Antriebselement, wurde im Querschnitt auf absolute Minimalabmessungen reduziert. Auch der Innendurchmesser des Wave Generators ist analog zum Innendurchmesser des Flexspline-Abtriebsflansches vergrößert worden, so dass sehr große zentrale Hohlwellen durch das komplette Getriebe geführt werden können.
Bei der Gewichtsreduktion durch Formleichtbau wurden selbstverständlich die steifigkeitserhöhenden Wirkungen der jeweils adaptierten Bauteile, wie Gehäusestruktur, Motorwellenabmessungen und Abtriebsflanschgeometrie, berücksichtigt. Durch diese Maßnahmen reduziert sich das Gesamtgewicht im Vergleich zum Standard Harmonic Drive Getriebeeinbausatz um bis zu 50 %. Das Massenträgheitsmoment reduziert sich um ca. 40 %. Drehmomentkapazität und Präzision des Getriebes bleiben in gewohnter Qualität erhalten. Die bauraum- und gewichtssparenden CPL-Leichtbau-Getriebeeinbausätze werden bereits in Serie gefertigt. Bei selbstbewegenden Strukturen ist es wichtig, das Eigengewicht des Gesamtsystems und der Antriebskomponenten so gering wie möglich zu halten. Bei solchen Anwendungen werden die Vorteile der CPL-Getriebe optimal genutzt. Diese Anforderungen findet man insbesondere im Bereich der Service-Robotik, im Handlingsbereich, in der Medizintechnik und in der Luft- und Raumfahrt. Inzwischen zeigen sich ähnliche Trends in anderen industriellen Bereichen. Auch im Werkzeugmaschinenbau werden für bestimmte Anwendungen extrem leichte Antriebe benötigt.
Leichtbauroboter und Solar Panel
Bei Robotern muss nicht nur das Werkstück bewegt, beschleunigt und abgebremst werden, sondern auch die gesamte Roboterstruktur. Jede Gewichtseinsparung liefert entweder größere Kapazität des Roboters oder erlaubt es, kleinere Antriebe zu verwenden. Selbstverständlich gilt dies genauso für die Getriebe. Die Verwendung von Leichtbau Harmonic Drive Getrieben bietet dabei die Möglichkeit, den generellen Aufbau des Roboters beizubehalten und die bekannten Vorteile der großen Hohlwelle zu nutzen. Der Einsatz der gewichtsreduzierten CPL-Getriebeeinbausätze reduziert dabei das Gewicht der Antriebskomponenten signifikant, gewährleistet dabei aber immer noch eine hohe Steifigkeit bei höchster Präzision des Getriebes.
Bei Kommunikations- und Beobachtungssatelliten werden, nachdem diese ihre Umlaufbahn erreicht haben, die Solar Panel zur Energieversorgung entfaltet. Dieser Vorgang muss langsam und präzise erfolgen, damit dabei keine störenden Bewegungen die Position und Ausrichtung des Satelliten beeinflussen. Aus Platz- und Gewichtsgründen wird dabei eine besonders hohe Untersetzung gefordert. Als Lösung werden dabei zwei Harmonic Drive Getriebe ineinander verschachtelt und liefern so eine Gesamtuntersetzung von mehr als 5000:1. Der Einsatz der gewichtsreduzierten Harmonic Drive Getriebe bietet hier optimale Voraussetzungen.
Ausblicke Leichtbauentwicklung
Neben dem Formleichtbau wird im Entwicklungszentrum der Harmonic Drive AG auch systematisch an der Nutzung von Leichtbau-Werkstoffen gearbeitet. Erste Prototypen in Aluminium und Titan sind bereits erfolgreich aufgebaut und getestet worden. Bei vielen Anwendungen mit hohen Forderungen an die Positioniergenauigkeit ist neben der Festigkeit auch die Steifigkeit ein entscheidendes Auslegungskriterium. Das bedeutet z. B. auch, dass der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber Stahl durch den geringeren E-Modul bei Aluminium verloren gehen kann. Daher muss darauf geachtet werden, dass dieser Werkstoff an Stellen eingesetzt wird, wo Steifigkeitsverluste ertragbar sind. Für einige sehr spezielle Anwendungen wurde bereits erfolgreich Titan als Werkstoff für die Harmonic Drive Getriebebauteile erprobt. Des Weiteren kommen auch keramische Materialien, z. B. in Lagern, zum Einsatz. Ein weiteres Potenzial können faserverstärkte Kunststoffe sein, da hier gezielt unterschiedliche Steifigkeiten in unterschiedlichen Richtungen entsprechend der Anforderungen realisiert werden können. Im Gegensatz dazu ist dann die Anbindung an metallische Schnittstellen eine spezielle Herausforderung, die bewältigt werden muss. Dies sollen nur einige Ausblicke auf die zukünftige Entwicklung der Leichtbau Harmonic Drive Getriebe sein.
Halle 14, Stand J51/1
Halle 26, Stand C12
Leichtbau KEM 497
Formleichtbau KEM 498
Leichtbaugetriebeeinbausatz KEM 499
CPL KEM 500
Gewichtsreduktion KEM 501
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