Antriebe für den Co-Worker

Technik

Robotik - Der sechsgliedrige Roboterarm von Universal Robots kann nach den geltenden Vorschriften in der Fertigung ohne Schutzeinrichtungen betrieben werden – und er hat in allen Achsen Antriebe von Harmonic Drive.

13. Oktober 2010

Neueste kinematische Strukturen sowie Soft- und Hardwaretechnologien verhelfen Robotern state of the art zu höherer Intelligenz und somit zu mehr Effizienz. Roboter heutiger Provenienz können wesentlich flexibler integriert und in unterschiedlichsten Arbeitsfeldern optimal eingesetzt werden.

Um den diversen und meist hochpräzisen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Einsatz von hochwertigen Getriebelösungen eine Grundvoraussetzung. Eine hohe Leistungsdichte und ebenso hohe Wirkungsgrade bei gleichzeitig kompakter Bauform sind unabdingbare Leistungsmerkmale der verwendeten Lösungen. Die Kunst der Ingenieure ist es demnach, die Komponenten auf ein Maximum zu reduzieren. Hinter diesem Wortspiel verbirgt sich purer Realismus: Trotz der Reduktion der Baugröße und des Gewichtes des kompletten Systems dürfen dennoch die Genauigkeit und Leistungsstärke der Einheit nicht in Frage gestellt werden.

Das dänische Unternehmen Universal Robots (UR) aus Odense bietet Innovationen bei der Entwicklung von Robotersystemen, die neben bemerkenswerten Leistungsmerkmalen auch preislich erschwinglich sind: Der vielfach einsetzbare Roboterarm von UR findet überall dort Verwendung, wo herkömmliche Roboter zu groß, zu teuer, zu laut, zu schwer oder zu unflexibel sind. Gerade mal 18 Kilo schwer, lässt sich das Leichtgewicht sehr gut in bestehende Arbeitsumgebungen integrieren.

Neben der Optimierung der Baugröße spielt auch die Benutzerfreundlichkeit eine wichtige Rolle. Die bei dieser Applikation verwendete Software erleichtert es dem Anwender, selbst und innerhalb kürzester Zeit den Roboter für neue Aufgaben umzurüsten; ohne komplizierte Montage oder Installationen.

Ein weiteres wirtschaftliches Grundprinzip sollte beachtet werden, denn die verwendete Lösung muss sich bei optimaler Energieeffizienz schnell in den Wertschöpfungsprozess integrieren und servicefreundlich sein.

Mehr und mehr werden Gelenkarmroboter zu kinematischen Gebilden, und tatsächlich einem menschlichen Arm immer ähnlicher. Ein gutes Beispiel hierfür ist der UR-6. Dank seiner sechs ausgebildeten Freiheitsgrade können mit ihm vielseitige Handhabungsaufgaben realisiert werden, die bisher Scara-Robotern vorbehalten waren. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit und Präzision erreicht der Roboterarm eine hohe Wiederholgenauigkeit von ±0,1 Millimeter. Damit eignet er sich sogar für Mess- und Prüfaufgaben.

Simplicity Units

In allen sechs Achsen des UR-6 kommen Harmonic-Drive-Getriebe mit integrierter Abtriebslagerung zum Einsatz, die bezüglich Gewicht, Massenträgheit und Bauraum optimiert sind. Diese sogenannten Simplicity Units bestehen ausschließlich aus Komponenten, die zur Erfüllung der Getriebefunktion und der kundenseitigen Schnittstellen erforderlich sind. Diese Bauformen haben somit kein eigenes Getriebegehäuse.

Der elliptische Wave-Generator als antreibendes Teil verformt über das Wave-Generator-Kugellager den Flexspline, der sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachsen mit dem innenverzahnten Circular-Spline im Eingriff befindet.

Beim Drehen des Wave-Generators verlagert sich mit der Hauptachse der Ellipse auch der Zahneingriffsbereich. Da der Flexspline zwei Zähne weniger hat als der Circular-Spline, vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des Wave-Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular-Spline um die Größe eines Zahnes und nach einer ganzen Umdrehung um die Größe von zwei Zähnen. Das integrierte Kreuzrollen-Abtriebslager ermöglicht die direkte Lastanbindung.

»Das auf das Wesentliche reduzierte Design der Simplicity Units führt im Vergleich zu geschlossenen Standard Units neben einer Reduzierung des Bauraums insbesondere zu einer deutlichen Verringerung des Gewichts«, erläutert Wolfgang Bös, Vertriebsleiter Export, der Harmonic Drive AG.

Beim Vergleich »Gewicht über Maximaldrehmoment« zwischen HFUS Units mit An- und Abtriebsflansch und HFUS Simplicity Units, sind diese je nach Baugröße mehr als 30 Prozent leichter. Durch diese erhebliche Gewichtsreduktion können HFUS Simplicity Units insbesondere bei Anwendungen, die ein Bewegen der gesamten Unit erfordern zum Beispiel in Roboterachsen sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Bös weiter: »Das geringere Gewicht der Simplicity Units verringert die Massenträgheitsmomente des Roboterarms wodurch sich die Gesamtdynamik des Gerätes erhöht.«

Zusätzlich sind Unit-Baureihen mit einem trägheitsoptimierten Wave-Generator lieferbar, der im Vergleich zu einem Standard-Wave- Generator ein deutlich reduziertes Massenträgheitsmoment aufweist. Das eingangssei-tige Massenträgheitsmoment der Unit wird dadurch signifikant verringert.

Bei der Simplicity Unit in einem UR-Roboterarmgelenk ist der Flexspline über den Abtriebslager-Außenring mit der Dreh-/Schwenkeinheit verschraubt und stützt das Drehmoment zum Gehäuse ab. Der Abtrieb erfolgt über den Circular-Spline und den Innenring des Abtriebslagers. Beim Wave-Generator, der als Antrieb dient, wurde eine Hohlwellen-Bauform gewählt, die gleichzeitig der Funktion des Servomotor-Rotors, der Aufnahme des Motorfeedbacksystems und der Haltebremse dient.

Die Drehdurchführung als solche wird für die Kabelzuführungen zur Leistungsversorgung und einer zusätzlichen Messwelle für die Ermittlung der absoluten Position des Getriebeabtriebes herangezogen. Durch die kippsteifen Kreuzrollen-Abtriebslager der Units kann eine eigene Lagerung der Roboterarme entfallen. Die zusätzliche Nutzung der ohnehin vorhandenen Roboter-Gehäusebauteile als Getriebegehäuse ermöglicht den Verzicht auf weitere Getriebeflansche, Lagerungen und Dichtungen. Hierdurch ergibt sich eine extrem kompakte und leichte Bauform.

Hintergrund

Harmonic Drive liefert seit Jahren die insbesondere für Hohlwellenanwendungen prädestinierten CHA-Hohlwellenantriebe, CPU und HFUS Unit-Baureihen.

Simplicity Units

Die Baureihen HFUS-2SO und HFUS-2SH, die sogenannten Simplicity Units, bestehen ausschließlich aus dem Einbausatz und einem groß dimensionierten, kippsteifen und hoch belastbaren Kreuzrollen-Abtriebslager. Dieses macht eine zusätzliche Lagerung überflüssig, wodurch die Konstruktion einfacher und ihre Realisierung kostengünstiger wird.

Beide Baureihen zeichnen sich durch hohe Genauigkeit bei geringem Gewicht und sehr kompakten Abmessungen aus, was sie für den Einsatz in Roboterachsen prädestiniert.

Die Units der Baureihen HFUS-2SO sind mit einem Standard Wave Generator erhältlich, die der Baureihen HFUS-2SH mit Hohlwelle. Ihnen verleiht die verwendete IH-Verzahnungsgeometrie eine im Vergleich zu herkömmlichen Evolventenverzahnungen erhöhte Drehmomentkapazität und Torsionssteifigkeit.

Produktvorteile der Baureihe HFUS-2SO:

- sehr kompakt und leicht bauend,

- hoch belastbare und steife Abtriebslagerung,

- hohe Drehmomentkapazität,

- hervorragende Positionier- und Wiederholgenauigkeit,

- hohe einstufige Untersetzungen,

- hohe Torsionssteifigkeit,

- Spielfreiheit,

- hoher Wirkungsgrad

Hinzu kommen bei der Baureihe HFUS-2SH:

- integrierte Hohlwelle mit großem Innendurchmesser,

- kompakte Bauform,

- einfacher Einbau,

Erschienen in Ausgabe: 05/2010