(K)eine Frage der Größe

Planetengetriebe - Pneumatische Linearachsen werden zunehmend durch servoelektrische Achsen ersetzt. Ausschlaggebend sind dabei Flexibilität, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit. Wichtige Bausteine der hochdynamischen Achsen sind deshalb Präzisionsplanetengetriebe.

13. September 2006

Kleiner, leichter, schneller - so könnte man die Aufgabenstellungen an die Maschinenhersteller in der Montageautomation sowie der Robotik zusammenfassen. Lineare und rotatorische Bewegungsachsen bei kleinen Maschinen führen schnelle Bewegungen, gepaart mit hoher Präzision aus. Hier sind Planetengetriebe mit kleinen Untersetzungsverhältnissen und minimalem Spiel gefordert. Die hochpräzise Baugröße 11 der Planetengetriebebaureihe HPG vom Getriebeher­stellers Harmonic Drive ist speziell für Servomotoren und Schrittmotoren im Leistungsbereich kleiner 100 W konzipiert. Planetengetriebe in dieser Motorklasse weisen im allgemeinen ein Spiel von 0,5 bis 2 Grad auf. Präzise Linearachsen sind mit diesen Getrieben nur mit hohem Aufwand und zusätzlichen externen Messsystemen rea­lisierbar. Ziel der Neuentwicklung war ein spielarmes (kleiner drei Winkelminuten über die gesamte Lebensdauer) Planeten­getriebe für kleine Servomotoren. Im Bereich der Servoplanetengetriebe für Eingangsleistungen bis 100 Watt wurde eine Spielminimierung bisher vor allem durch Paarung von Verzahnungen und genaue Fertigung erreicht. Nachteil dieser Methode ist ein relativ großes Spiel im Auslieferungszustand, verbunden mit einer Spielzunahme je höher die Betriebsdauer. Bei Anforderungen an höchste Genauigkeiten wie beispielsweise Positionierachsen in der Halbleiterbearbeitung wirken sich solche Spielzunahmen erheblich auf die Performance und Genauigkeit aus. In der Fertigung von Präzisionsplanetengetrieben, welche keine spürbare Spielzunahme über die gesamte Lebensdauer des Getriebes haben, hat Harmonic Drive mit der Baureihe HPG bereits jahrelange Erfahrungen sammeln können.

Flexibel, ohne Spiel

Mit dem Know-how in der Auslegung und Fertigung von flexiblen Zahnrädern wurde die Baureihe konsequent weiterentwickelt. Wie bei der Baureihe HPG üblich, wurde in der Baugröße 11 das Prinzip des dünnwandigen Hohlrades angewandt. Bei diesem Prinzip trägt die definierte Verformung des Hohlrades im Planetengetriebe zur Minimierung des Zahnflankenspiels bei. Konkret: Das flexible Hohlrad toleriert die Fertigungstoleranzen sämtlicher Bauteile. Das Zahnflankenspiel wird so durch eine geringe radiale Vorspannung zwischen Planetenträger und Hohlrad auf ein absolutes Minimum reduziert. In der Hysteresekurve des Planetengetriebes sind auch nach mehreren tausend Betriebsstunden keinerlei Anzeichen einer Spielerhöhung erkennbar. Das Verdrehspiel bewegt sich über die gesamte Laufzeit in einem Bereich von kleiner gleich drei Winkelminuten. Umfangreiche Testreihen haben das Ergebnis bereits bestätigt. Durch den Einsatz des verformbaren Hohlrades vereinfacht sich der konstruktive Aufbau der Planetengetriebe. Die ausgleichende Funktion des flexiblen Hohlrads ermöglicht eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen Hohlrad und Planetenrädern. Hierdurch wird eine hohe Laufruhe des Getriebes erreicht. Als Abtriebslagerung wird ein spielfreies, kippsteifes und kompaktes Kreuzrollenlager eingesetzt. Durch dieses Lager lassen sich problemlos hohe Belastungen aufnehmen, ohne dass diese einen negativen Einfluss auf das Laufverhalten des Getriebes haben. Eine zusätzliche Lagerung durch den Anwender kann entfallen, somit können Kosten und Konstruktionsaufwand gesenkt werden. Für die Anwendung von kleinen Servomotoren müssen die Getriebe die Antriebsleistung möglichst verlustarm umsetzen, um eine optimale Ausnutzung des Bauraums zu erreichen.

Hoher Wirkungsgrad

Ein Einsatz von größeren Motoren ist in den meisten Fällen nicht möglich. Alle im Kraftfluss liegenden Bauteile sind im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad optimiert. Die Verzahnung wurde auf geringe Verluste ausgelegt, das Abtriebslager hat eine reibungsoptimierte Abdichtung aus mehreren Komponenten. Für Positionieranwendungen ist die erzielbare Wiederholgenauigkeit ebenfalls ein Kriterium. Hier erreicht das HPG-11-Getriebe einen Wert von 30 Winkelsekunden. Und die Genauigkeit bleibt über den gesamten Lebenszyklus des Getriebes erhalten.

Modularer Aufbau

Um möglichst alle denkbaren Einsatzfälle abzudecken, bietet das Präzisionsplanetengetriebe HPG in der Baugröße 11 einen modularen Aufbau. In Abhängigkeit der geforderten Untersetzung wird das Getriebe ein- oder zweistufig ausgeführt. Es sind Untersetzungen von 5 bis 45 standardmäßig lieferbar. Die Motoranbindung wird durch eine modulare Bauweise bestehend aus Lagerflansch und Motorflansch realisiert. Eine Anpassung an alle gängigen DC-Servomotoren und Schrittmotoren ist ebenfalls möglich. Abtriebsseitig können Ritzel oder Zahnriemenscheiben direkt am Flansch des Kreuzrollenlagers befestigt werden. Die hohe Genauigkeit des Abtriebslagers hilft dabei, Übertragungsfehler zu vermeiden. Optional ist eine kundenspezifische Ausgangswelle erhältlich. Präzisionsplanetengetriebe der Baureihe HPG sind deshalb ideal für Anwendungen, bei denen es auf Geschwindigkeit und Präzision ankommt. Die Baugröße 11 wurde für präzise Servoanwendungen in kompakten Maschinen z.?B. aus der Robotik, Kunststofftechnik, Medizintechnik, Optik, Messtechnik und Halbleiterfertigung entwickelt. Verkettete Spritzgussmaschinen zum Beispiel produzieren im 3-Schicht-Betrieb kontinuierlich tausende von Bauteilen. Die kurzen Zykluszeiten können nur mit einem hohen Automatisierungsgrad zur Teileentnahme und dem Angussbeschnitt realisiert werden. Hier kommen vermehrt Entnahmeeinheiten in Scara- oder Portalbauform zum Einsatz. Denn herkömmliche Scara- oder Portalroboter benötigen im Normalfall eine große Raumhöhe über der Spritzgussmaschine.

Praxistest bestanden

Der Spezialist für Antriebe und Motoren für die Produktionsautomatisierung, Fanuc, beispielsweise, bietet mit dem SR Mate 100iB eine in die Spritzgussmaschine integrierte kompakte Be- und Entladeeinheit in Scara-Bauform an. Die zwei Linear­achsen zur Teile- und Angussentnahme sind für eine hohe Beschleunigung zur Reduzierung der Taktzeiten ausgelegt. Eine reduzierte Bauhöhe wird durch den Falt­mechanismus der Linearachsen erreicht. Genau hier kommt das Servo-Planetengetriebe HPG-11 optimal zum Einsatz. Insgesamt sind vier Planetengetriebe HPG-11 in der Falt- und Bewegungsmechanik der beiden Achsen eingesetzt. Ausschlaggebend für die Entscheidung des schwäbischen Unternehmens war vor allem das geringe Gewicht, die Baugröße sowie die hohe Wiederholgenauigkeit von +/-?30 Winkelsekunden. Diese ermöglicht präzise positionierende Achsen ohne zusätzliche externe Messsysteme. Auch in der Halbleiterfertigung, beispielsweise bei Linearachsen beim Handling von Wafern, stellen die hochdynamischen Bewegungszyklen kein Problem dar. Die hohe Eingangsdrehzahl von 10.000 1/min in Verbindung mit der Spielarmut ermöglicht schnelle Zyklen mit häufigen Drehrichtungsänderungen.

Wilhelm Born-Fuchs, PM Harmonic Drive

FAKTEN

- Die Planetengetriebebaureihe HPG der Baugröße 11 ist speziell für Servomotoren und Schrittmotoren im Leistungsbereich >100 W konzipiert.

- Hierbei wurde das Prinzip des dünnwandigen Hohlrades angewandt. Bei diesem Prinzip trägt die definierte Verformung des Hohlrades im Planetengetriebe zur Minimierung des Zahnflankenspiels bei.

- Das HPG 11 bietet einen modularen Aufbau und wird ein- oder zweistufig ausgeführt. Untersetzungen sind von 5 bis 45 standardmäßig lieferbar. Die Motoranbindung basiert auf einer modularen Bauweise, bestehend aus Lagerflansch und Motorflansch.

Erschienen in Ausgabe: 06/2006