gesponsertDynamischer Positionieren Potenzial sensorisierter und kipp- steifer Präzisionswellgetriebe

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Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Mit innovativen Technologien bereichert der Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler den Markt der Präzisionsgetriebe. Wie ein integrierter Drehmomentsensor und ein Wälzlager maßgeblich dabei helfen, die Dynamik von Cobots zu verbessern, beschreibt dieser Beitrag.

Für die Messung äußerer Kräfte und Momente an Cobots sind hauptsächlich 6-Achs-Force-Torque-Sensoren oder zwischen die Gelenkachsen geflanschte Sensormodule die verbreiteten Lösungen. Bei diesen „externen“ Drehmomentsensoren kann durch die zusätzlich eingebrachte Elastizität die Steifigkeit eines Gelenkes auf 25 bis 60 Prozent des ursprünglichen Wertes sinken. Beide Ausführungen erfordern zusätzlichen Bauraum und reduzieren mit der eingebrachten Elastizität des Sensors die Systemsteifigkeit des Cobots signifikant. Die innovative Sensortechnologie Sensotect von Schaeffler überwindet diese und weitere Kompromisse von Drehmomentsensoren auf Basis des klassischen Dehnungsmessstreifens vollständig und bietet bemerkenswerte Chancen für neue Anwendungsfelder: Eine dehnungsempfindliche Metallschicht wird mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf eine mikrometerdünne Isolierschicht abgeschieden und anschließend zu einer Struktur aus miteinander verbundenen elektrischen mäanderförmigen Widerstandsbahnen laserstrukturiert. Im Vergleich zu den bekannten DMS bietet diese Technologie praktisch nur Vorteile:

• sehr genaue Kraft- und Momentmessung direkt auf den Funktionsbauteilen,

• Messung an 2D- und 3D-Geometrien,

• in den Antriebsstrang integrierte bauraumneutrale Sensorik,

• kein Einsatz von Klebstoffen und Transferpolymeren,

• hohe Sensitivität bei sehr geringer Hysterese- und Linearitätsabweichung,

• sehr geringe Temperaturdrift, sehr hohe Messdynamik,

• keine Alterungseffekte und sehr hohe Lebensdauer.

Anwendungen von Sensotect finden sich unter anderem in der Automobilindustrie, in der Windenergie und in der Robotik – hier speziell in den Präzisionswellgetrieben der Baureihe RT1-T von Schaeffler, die für den Einsatz u. a. in der Industrieautomation, der Medizintechnik und für Cobots konzipiert wurden.

Steifigkeit und Einfluss auf die Positionierzeit

Cobots sind aufgrund ihrer schlanken Bauform und folglich ihrer höheren Elastizität im Vergleich zu Industrierobotern deutlich benachteiligt. Bei größeren Beschleunigungen schwingt die schlanke Cobot-Struktur spürbar – vor allem beim Positionieren mit maximaler Abbremsung. Was man durch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an kurzer Taktzeit gewinnt, verliert man durch ein längeres Einschwingen beim Positionieren wieder.

Einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenfrequenz von Cobots haben folgende Faktoren:

• die Kippsteifigkeit der Gelenklager bzw. Getriebehauptlager,

• die Torsionssteifigkeit der Gelenke, die sich aus einem Anteil der Wellgetriebe und einem Anteil der Drehmomentsensoren zusammensetzt.

Der Faktor Torsionssteifigkeit

Bezüglich der Torsionssteifigkeit besteht der innovative Ansatz der Schaeffler-Entwickler nun darin, die Sensorik ohne zusätzliche Elastizität in die Cobot-Wellgetriebe zu integrieren. Für die Messung der Drehmomente und die Applikation der Sensotect-Struktur dient der Flexspline des Schaeffler-Wellgetriebes RT1-T, also ein vorhandenes Bauteil im Antriebsstrang. Damit bleibt die Torsionssteifigkeit des Getriebes zu 100 Prozent erhalten.

Welche Vorteile bietet nun dieses interne Konzept konkret in Cobots? Den Einfluss der Torsionssteifigkeit von Drehmomentsensoren auf das dynamische Verhalten von Cobots soll ein Vergleich zwischen externem und internem Drehmomentsensor in einem Worst Case Szenario verdeutlichen. Als Vergleichsbasis dient das Präzisionswellgetriebe RT1 von Schaeffler, einmal mit integrierter Sensorik und einmal mit externem Sensormodul. Dabei beschleunigt der Motor jeweils ein Massenträgheitsmoment von 7,6 Kilogrammquadratmeter aus null heraus und bremst den Antrieb wieder bis zum Stillstand.

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Der Antrieb mit externem Sensormodul (Diagramm 1) zeigt deutlich ein instabiles Verhalten mit sehr großen Beschleunigungsspitzen. Um das dynamische Verhalten zu verbessern, wurden in einer zweiten Simulation die Regelparameter angepasst. So konnten die Beschleunigungsspitzen reduziert werden, allerdings zulasten der Positionierzeit. Diese steigt auf 1,2979 Sekunden (Diagramm 2). Diagramm 3 zeigt das dynamische Verhalten des RT1-T-Getriebes mit integriertem Drehmomentsensor. Die Positionierzeit beträgt nur 0,99241 Sekunden und ist damit um rund 30 Prozent kürzer. Auch ohne Anpassung der Regelparameter klingen die Schwingungen hier schnell ab. Diese Simulation wurde für die Drehachse eines einzigen Gelenks durchgeführt. Selbstverständlich sind die Verhältnisse bei sechs Gelenken eines Cobots mit ihren veränderlichen räumlichen Lagen wesentlich komplexer und die Auswirkungen sehr viel größer. Das vereinfachende Beispiel verdeutlicht jedoch den positiven Einfluss von Drehmomentsensoren auf die Positionierzeit, wenn sie die Torsionssteifigkeit des Gelenks nicht reduzieren.

Der Faktor Kippsteifigkeit

Als weiteren Baustein einer torsions- und kippsteifen Gesamtlösung entwickelte Schaeffler für die Präzisionswellgetriebe-Baureihen RT das zweireihige Schrägnadellager XZU. Es ersetzt im gleichen Bauraum die bekannten Kreuzrollenlager. Im Vergleich zu diesen Lagern bietet das zweireihige Schrägnadellager XZU bzw. das Präzisionswellgetriebe RT1 damit eine um rund 30 Prozent höhere Kippsteifigkeit. Werden XZU-Lager anstatt der üblichen Kreuzrollenlager in jedem Gelenk eines Cobots vorgesehen, ist eine Reduzierung der Positionierzeit um bis zu 50 Prozent möglich, wie mit Versuchsaufbauten nachgewiesen werden konnte.

Schaeffler bietet für den breiten Automatisierungsmarkt zwei Präzisionswellgetriebe-Baureihen an: Standard Torque RT2 sowie High Torque RT1. Diese decken derzeit Maximaldrehmomente von 18 bis 484 Newtonmeter ab. Beide Baureihen verfügen über vergleichbare Baugrößen und Varianten. Präzisionswellgetriebe der Baureihe High Torque RT1 übertreffen die Baureihe Standard Torque RT2 bei den Drehmomenten durchschnittlich um 30 Prozent und bei der Lebensdauer um 40 Prozent. Standard-Torque-RT2-Getriebe zeichnen sich durch ein umfangreiches Portfolio an Varianten und Getriebeübersetzungen aus.

Die in der Robotik zum Einsatz kommenden Präzisionswellgetriebe High Torque RT1 gibt es in fünf Baugrößen und mit fünf Getriebeübersetzungen. Verfügbar sind sie als

• Component Set, bestehend aus den drei wesentlichen Hauptkomponenten eines Wellgetriebes: Wave Generator, Flexspline und Circular Spline. Gehäuse, Abtriebslagerung und Eingangs- bzw. Hohlwelle lassen sich an die gewünschte Antriebslösung anpassen.

• Die Ausführung Basic Unit Hollow Shaft (BHS) besteht aus dem Component Set und dem kippsteifen zweireihigen Schrägnadellager XZU als Abtriebs-
  lager.

• Die Ausführung Basic Unit Motor Shaft (BMS) besteht aus einem Component Set mit dem Schrägnadellager XZU als Abtriebslager und einem integrierten Klemmelement zum Motoranbau (keine Hohlwelle). Durch das integrierte Klemmelement wird eine spielfreie und kostengünstige Verbindung zwischen Motorwelle und Präzisionswellgetriebe sichergestellt.

• Die vollständig abgedichtete Ausführung Unit Hollow Shaft (UHS) besteht aus einem Component Set mit Schrägnadellager XZU als Abtriebslager und ist für den axialen oder parallelen Motoranbau geeignet. Besonderes Merkmal dieser Ausführung ist die zentrische Hohlwelle.

Die Kombination aus dem sehr kippsteifen Abtriebslager XZU und der getriebeinternen Drehmomentsensorik macht das Potenzial der Präzisionswellgetriebe RT1 in der Applikation voll nutzbar. Das Geschwindigkeits- resp. Beschleunigungsniveau von Cobots kann angehoben werden, ohne lange Einschwingzeiten und große Amplituden in Kauf nehmen zu müssen. Positionierzeiten und Zykluszeiten lassen sich signifikant reduzieren. Damit ebnen die interne Drehmomentsensorik Sensotect und das Schrägnadellager XZU von Schaeffler den Weg zu einem wirtschaftlicheren Einsatz von Cobots in der Montageautomation und bei allen kraftgesteuerten Prozessen.

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