Trend zu Highend

Antriebselemente - Im Maschinenbau entwickeln sich derzeit klare Trends, zum Beispiel in Richtung Größe und Leistung. Halten Getriebe und Servoantriebe den gestiegenen Anforderungen Stand?

14. Dezember 2005

In Europa zeichnet sich zunehmend eine Konzentration auf den ›Highend‹-Maschinenbau ab. Nach einer Ausgliederung der mechanischen Fertigung bei vielen Maschinenherstellern ist jetzt eine Verlagerung der Produktion und Entwicklung von kompletten Maschinenbaureihen an andere Standorte außerhalb Europas zu beobachten. Dies gilt insbesondere für einfachere Maschinenvarianten. Übrig bleiben die Hersteller anspruchsvoller, komplexer Maschinen, die hohe Ansprüche an die eingesetzte Antriebstechnik stellen. Darüber hinaus ist eine Konzentration auf Kernkompetenzen zu beobachten. In der Folge mangelt es vielen Firmen im Maschinenbau inzwischen an Detailkenntnissen bezüglich einzelner Antriebselemente und deren Integration. Diese Verantwortung wird in großem Maße an den Lieferanten übertragen. Außerdem macht sich der mechatronische Entwicklungsansatz immer stärker bemerkbar. Der Umsatzanteil an Servoantrieben, bestehend aus Getriebe, Motor und Sensoren, nimmt gegenüber rein mechanischen Produkten ständig zu. Weiterhin steigt die Bereitschaft, sich mit neuen Regelungstechniken auseinanderzusetzen, um neue Funktionalitäten zu realisieren. Diese Trends haben Einfluss auf die Produktgestaltung im Maschinenbau und sind damit auch wegweisend für die Hersteller von Antriebstechnik: ›Dauerbrenner‹ in den Anwenderbranchen ist die Forderung nach höherer Genauigkeit. Egal ob in Maschinen für die Herstellung von Mikroelektronik, in Industrierobotern oder in Werkzeugmaschinen - die Anforderungen an Positioniergenauigkeit, Bahngenauigkeit und Gleichlauf steigen ständig. Zudem werden Maschinen zunehmend kompakter und dynamischer, besonders deutlich wird dies bei Werkzeugmaschinen oder Verpackungsmaschinen. Um diese Entwicklung zu unterstützen, sind kleine, hoch integrierte Antriebe gefragt, da immer mehr Bewegungsachsen im selben Maschinenvolumen untergebracht werden müssen. Des Weiteren wird versucht, die bewegten Massen in Maschinen zu reduzieren, um eine höhere Dynamik zu ermöglichen. Die Antwort sind kompakte, leichte Getriebe und Antriebe. Grundsätzlich nimmt die Bereitschaft zu, sich mit neuen Sensoren und Regelungstechniken zu beschäftigen. Die Kombination von neuen Sensorprinzipien und allgemein günstigeren Rechenleistungen treiben die Entwicklung von ›intelligenten‹ Antrieben voran, die komplett neue Funktionen aufweisen. In vielen Bereichen des Maschinenbaus gibt es einen deutlichen Trend zur Miniaturisierung. Dies trifft besonders stark auf Maschinen für die Halbleiterfertigung zu. Da die Bauteile zunehmend kleiner werden, sind die Hersteller bestrebt, die Maschinenabmessungen an die kleinen Arbeitsbereiche und Werkstücke anzupassen. Dies erfordert Mikrogetriebe und Antriebe, die trotz kleiner Abmessungen hohe Positioniergenauigkeit, Leistungsdichte und Robustheit aufweisen.

Lösungsansätze

Der Bedarf nach ›Black-Box‹-Lösungen nimmt zu. Da es bei vielen Firmen an Ressourcen fehlt, eigene elektromechanische Antriebe zu entwickeln, wird diese Aufgabe an den Antriebslieferanten weitergereicht. Das Systemgeschäft hat dadurch merklich zugenommen. Bei mechanischen Getrieben liegt der Schwerpunkt darin, neue Fertigungsverfahren anzuwenden, die die Genauigkeit der Getriebe weiter erhöhen. Neuartige Werkstoffe finden Zugang, um die Tragfähigkeit von Zahnrädern zu optimieren und das Gewicht zu verringern. Beide Aspekte sollen die Leistungsdichte des Getriebes und darauf basierender Servoantriebe verbessern. In der Motorenentwicklung werden vor allem neuartige Technologien, wie etwa das Prinzip der konzentrierten Wicklung, angewandt. Hoch integrierte Servoantriebe sollen noch ›intelligenter‹ werden, indem eine Variante mit Beschleunigungssensor und eine mit Momentensensor für Drehmomentregelung zur Auswahl stehen. Letztere ist zum Beispiel bei Teleoperationen notwendig. Harmonic Drive aus Limburg an der Lahn produziert Getriebe und Servoantriebe aller Art. Am Produktspektrum des Unternehmens werden im Folgenden die aktuellen Entwicklungen auf dem Antriebssektor veranschaulicht. Die absolute Winkelgenauigkeit der Antriebsbaureihe ›Compact Precision Unit‹ (CPU) ist gegenüber bisherigen Produkten doppelt so hoch. Dies soll höhere Laufgenauigkeit und Leistungsdichte erzeugen. Diese Baureihe beruht auf einem modularen Konzept und ist in verschiedenen Varianten, mit Hohl- oder Eingangswelle, verfügbar. Die neue Generation von Hohlwellenantrieben der ›CHA‹-Serie (Compact Hollowshaft Actuator) verfügt laut Harmonic Drive über eine neu entwickelte Motorentechnik und besitzt mehr Funktionen als handelsübliche Katalogprodukte. Die Antriebe sind optional mit Beschleunigungs- oder Drehmomentsensor ausgerüstet. Für eine Abrundung hin zu kleineren Baugrößen sorgt der FHA Mini-Hohlwellenantrieb, bei dem es sich um den derzeit kompaktesten Servoantrieb des Herstellers handelt.

Kooperationen

Noch kleiner sind die Mikroantriebe des Tochterunternehmens ›Micromotion‹. Hier wurde der nach eigenen Angaben weltweit kleinste spielfreie Positionierantrieb entwickelt. Anwendungsgebiete ergeben sich z.B. in Bestückungsmaschinen in der Halbleiterindustrie oder beim Mikroroboter ›Parvus‹, der auf der Fläche einer Postkarte eine Desktop-Umgebung realisieren kann.

Viele Entwicklungen entstehen in Kooperation mit Instituten oder anderen Unternehmen. Im Fall der Leichtbaugetriebe von Harmonic Drive ist dies ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Verbundprojekt namens ›Lezabs‹. Dahinter verbergen sich leichte, schmiermittelfreie beziehungsweise schmiermittelarme Zahnradgetriebe durch Beschichtung und Sonderverzahnungen. Durch die Substitution von konventionellen Zahnradwerkstoffen durch Leichtmetalle und den Einsatz von tribologischen Schichten konnte das Gewicht des Getriebes ohne Leistungseinbußen auf die Hälfte reduziert werden. Die Leichtbaugetriebe sind im Rokviss-Roboter auf der Internationalen Raumstation ISS im Einsatz. Ein aktuelles Projekt trägt den Namen ›Advocut‹. Dies bedeutet: adaptive, vollserielle Werkzeugmaschine mit hoch integriertem mechatronischen Fräsmodul zur HSC-Bearbeitung. Ziel dieses Projektes ist es, die Bahngenauigkeit und Steifigkeit von Industrierobotern mittels neuer Sensoren und Regelungstechniken soweit zu erhöhen, dass leichte Bearbeitungsaufgaben mit der Genauigkeit einer Werkzeugmaschine durchgeführt werden können. Sichtbares Ergebnis dieses Projektes ist ein leichtes Zwei-Achs-Fräsmodul mit integrierter Sensorik.

Dr. Rolf Slatter, Harmonic Drive AG

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006