Maßgeschneiderte Montage

Maschinenelemente

Planetengetriebe - Mit maßgeschneiderten mechatronischen Lösungen lassen sich bei der Montage Zeit und Kosten sparen. Vor allem wenn die Lösung sich aus bewährten Grundkomponenten zusammensetzt und sich für viele verschiedene Anwendungen verwenden lässt. So wie bei dem Planetengetriebe von SPN.

09. April 2010

Immer wenn große Drehzahlen und Momente auf möglichst kleinem Raum übersetzt werden müssen, ist ein Planetengetriebe die erste Wahl. Oft bleibt dem Konstrukteur wegen des kleinen Ritzeldurchmessers und der zu übertragenden Lasten nichts anderes übrig, als die Lagerung vollrollig mit Nadelrollen auszuführen. Diese ist aber aufwendig zu montieren, weil die Rollen einzeln in die Lagerstelle einge-bracht werden müssen. Das Unternehmen SPN Schwaben Präzision fertigt für einen Kunden aus der Elektrotechnik seit langer Zeit ein kundenspezifisches Schaltgetriebe mit einer Planetenstufe. Zwar gab es schon seit längerer Zeit eine Vorrichtung, mit der die Nadelrollen halbmanuell in die Bohrung eingelegt wurden, aber personenabhängig funktionierte das Einlegen mehr oder weniger gut. So mussten Mitarbeiter die Anzahl der eingebrachten Nadeln kontrollieren, da die Vorrichtung häufiger klemmte.

Auch die Fettschmierung, mit der ein Mitarbeiter die Lagerung versah, nachdem er die Deckscheiben, welche die Nadelrollen in ihrer axialen Position halten, in die Bohrung des Ritzels gepresst hatte, war von der Tagesform des Mitarbeiters abhängig. Um die Montagezeiten zu verkürzen und eine größere Prozesssicherheit zu erreichen, entwickelte SPN Schwaben Präzision mit relativ geringem Konstruktionsaufwand aus seinen bewährten Grundkomponenten eine eigene Automatisierungslösung.

Bewährte Komponenten

Diese sollte die Ritzel greifen und positionieren, danach die untere Deckplatte aufsetzen und verstemmen, dann die Ritzel mit Nadelrollen bestücken, anschließend die oberen Deckplatten aufsetzen und verstemmen, im nächsten Schritt die Lagerung definiert befetten und zuletzt die Planetenräder auf einem Tray absetzen. Zur Umsetzung griff das Unternehmen auf seine Grundkomponenten »Hubschwenkeinheit HSE16« und »Hochgeschwindigkeitsgreifer HG01« zurück. Der elektromagnetische Aktuator des Greifers ermöglicht in Verbindung mit einer leistungsfähigen elektronischen Miniatursteuerung Öffnungs- und Schließzeiten im Bereich von 10 bis 20 Millisekunden.Eine externe Steuereinheit ist nicht nötig, es genügen die in einer SPS üblichen 24 V Gleichspannung zur Ansteuerung. Selbst die Energieversorgung wird aufgrund der kleinen zu bewegenden Massen mit dem Steuerstrom verwirklicht. Die in den Grei-fer integrierte Elektronik verwandelt den Gleichstrom in ein Pulsmuster zur Ansteuerung von Spulen.

Diese treiben die beweglichen Teile des Greifers an. Dank einer Kulissenführung ist die Endlagenhaltung auf mechanischem Wege auch ohne weitere Stromzufuhr sichergestellt. Bei Entwicklung dieses Greifers wurde besonderes Augenmerk auf eine sehr leichte Bauweise gelegt. Der Grundkörper besteht aus einer leichten Aluminiumlegierung. Die räumliche Anordnung der Spule und des Spulenkerns wurden unter Gesichtspunkten eines geringen Massenträgheitsmomentes gewählt. Die Hub-Schwenkeinheit HSE16 hat besondere Stärken in der Entkopplung der beiden Bewegungen. Im Getriebe ist die Hubbewegung durch einen sehr steif gelagerten Führungskäfig realisiert. Wegen der sehr leicht und dennoch steif ausgeführten Führung erreicht das Getriebe eine hohe Dynamik und spart gleichzeitig Energie, da nur eine vergleichsweise kleine Masse beschleunigt wird. Der komplette Käfig wird durch einen zweiten Motor in Rotation versetzt. Durch das exakte Zusammenspiel von Hub- und Drehbewegung und die hohe Präzision in der Fertigung der Einzelteile wird eine Genauigkeit von bis zu einer Winkelminute beziehungsweise 0,1 mm Hub erreicht. In der Praxis zeigte sich, dass das HSE problemlos eine Lebensdauer von mehr als 40 Millionen Hub- und Drehzyklen bei gleichbleibender Genauigkeit und Dynamik erreicht.

Diese beiden Baugruppen erfüllen in Kombination die Grundfunktion eines Pick-and-Place-Roboters und sind für eine Vielzahl von Automatisierungslösungen mit ähnlicher Funktionalität einsetzbar. In einem anderen Entwicklungsprojekt entstand die kompakte Linearantriebseinheit LAE10, die aus einem permanenterregten Synchron-Linearmotor mit hoher Dynamik und minimalen Verlusten besteht. Sie lieferte dem Pick-and-Place-Roboter die noch benötigte fehlende Achse.

Beim Greifen und Positionieren müssen die Ritzel sehr vorsichtig behandelt werden, damit die Oberfläche der Zähne nicht beschädigt wird. Deshalb müssen sie auf einem Tray bereitgestellt werden. In der alten Arbeitsweise übernahm ein Mitarbeiter den Arbeitsschritt »Verstemmen der Deckscheibe im Ritzel« mit einer Handhebelpresse.

Ein Brainstorming der Entwickler gemeinsam mit den Montagemitarbeitern ergab, dass man die Scheibe auch mit wohldosierten Schlägen verstemmen kann. Eine solche Aufgabe lässt sich preiswert mit einem kleinen Pneumatikzylinder automatisieren. Das Einbringen der Nadeln erschien zunächst eine der eher einfachen Übungen zu sein. Da die Mittenposition des Ritzels bekannt ist, schien es zunächst nur darum zu gehen, mittels einer kleinen Koordinatentransformation in der Steuerung gezielt Punkte innerhalb der Ritzelbohrung anzufahren und dort die Nadeln abzuladen. Im Detail zeigte sich, dass sich die Nadelrollen höchst eigenwillig verhielten. Der Transport vom Rütteltopf mittels Druckluft durch eine »Rohrpost« verlief problemlos. Beim Abbremsen im Ritzel zeigt sich, dass aufgrund der Elastizität von Stahl die Nadeln wieder zurückprallten. Die Lösung des Problemswar, den Druck des Transportmediums etwas zu reduzieren und einen magnetischen Untergrund zu schaffen. Seit dieser kleinen, aber höchst effektiven Änderung funktioniert das Positionieren der Nadelrollen problemlos. Ein Präzisions-Dosierventil bringt im nächsten Arbeitsschritt die genaue Menge an Fett in die Lagerung ein. Damit ist das Ritzel mit Lagerung einbaufertig.

Dr. Jörg Eidam, SPN Schwaben Präzision/aru

Fakten

- SPN Schwaben Präzision entwickelt und fertigt in zwei Werken am Standort Nördlingen mit circa 300 Mitarbei-tern Getriebe, Verzahnungselemente, Antriebssysteme und Komponenten der Antriebstechnik und Mechatronik.

- Maßgeschneiderte, auf die individuellen Kundenbedürfnisse vor Ort exakt abgestimmte Antriebslösungen sind ein Spezialgebiet des Unternehmens.

Erschienen in Ausgabe: 02/2010