Robotergelenkantriebsarchitektur – Wo Schrägverzahnungen zum Einsatz kommen
Industrieroboter verwenden in ihren Gelenkgetrieben zwei Getriebearten: Harmonic-Wave-Getriebe für kompakte Schulter- und Ellbogengelenke mit hohem Übersetzungsverhältnis sowie kompakte Planetenradsätze mit Schrägverzahnung für Handgelenke und die Drehachse von SCARA-Robotern. Hier sprechen Drehmomentdichte und Rücklauffähigkeit für Schrägverzahnungen gegenüber Harmonic-Wave-Getrieben. Kollaborative Roboter (Cobots) verwenden in der Regel ausschließlich Planetenradsätze mit Schrägverzahnung – die höhere Rücklauffähigkeit (geringere Reibung) von Metallzahnrädern im Vergleich zu Harmonic-Wave-Getrieben ist wichtig für die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften bei der Kraftmessung. Radantriebe von fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) verwenden ein- oder zweistufige Harmonic-Wave-Getriebe. Stirnrad Untersetzungsgetriebe zwischen dem Nabenmotor und dem Rad.
Anforderungen an das Zahnflankenspiel bei Stirnrädern für Roboter und Servos
In Robotergelenken und servogetriebenen Positionierachsen äußert sich das Spiel direkt als Positionierfehler. Der Zusammenhang:
Winkelfehler am Ausgang = Spiel j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Linearer Fehler am Werkzeug = Winkelfehler × Werkzeugarmlänge
Bei einem Präzisionsroboter-Handgelenk mit einem Ritzel mit 50 mm Teilkreisdurchmesser, 1 mm Zahnflankenspiel (j_t = 1 mm am Teilkreis) und einem Übersetzungsverhältnis i = 20:1 beträgt der Winkelfehler der Abtriebswelle ca. 0,5° – entsprechend einem Positionsfehler von 4 mm bei einer Werkzeugreichweite von 500 mm. Daraus wird die Anforderung an das Zahnflankenspiel von Robotergelenken unmittelbar deutlich: Für eine millimetergenaue Wiederholgenauigkeit am Endeffektor ist ein Zahnflankenspiel im Sub-Bogenminutenbereich am Gelenkausgang erforderlich.
| Anwendung | Erforderliches Ausgangsspiel | Äquivalentes j_t am Eingang (÷ Übersetzungsverhältnis) | DIN 3967 Klasse |
|---|---|---|---|
| CNC-Werkzeugmaschinenachse (hohe Präzision) | < 5 Bogensekunden ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Klasse h |
| Industrierobotergelenk (Standard) | < 1–3 Bogenminuten ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Klasse g–h |
| Gelenk eines kollaborativen Roboters (Cobot). | < 5–15 Bogenminuten | 0,02–0,05 mm | Klasse g |
| AGV-Radantrieb | < 0,1–0,5 mm linear | 0,03–0,10 mm | Klasse f–g |
| Servo-Verpackungs-/Etikettierachse | < 0,05–0,2 mm linear | 0,02–0,06 mm | Klasse g |
Spielfreie Lösungen für Servo-Schrägverzahnungen
Methode 1 — Enge Toleranz der Zahndicke (DIN 3967 Klasse h)
Geben Sie die Stirnrad und Gegenritzel nach DIN 3967 Klasse h (fest). Bei M2–M4 ergibt Klasse h ein nominelles Zahnflankenspiel von 0–0,06 mm. In Kombination mit einem präzise gefertigten Gehäuse-Mittenabstand von ±0,01 mm beträgt das Zahnflankenspiel typischerweise 0,005–0,020 mm – ausreichend für Positionierachsen der Klasse g. Dies ist die kostengünstigste Lösung ohne zusätzliche mechanische Komplexität. Der Nachteil: Mit zunehmendem Verschleiß der Zahnräder erhöht sich das Zahnflankenspiel und lässt sich nur durch Austausch korrigieren.
Methode 2 — Federbelastetes geteiltes Zahnrad (Scherenzahnrad)
Ein Scherengetriebe besteht aus zwei identischen Stirnrad Die Räder sind koaxial mit einer dazwischenliegenden Torsionsfeder montiert. Diese ist vorgespannt, um die beiden Hälften gleichzeitig gegen die gegenüberliegenden Flanken des Gegenritzels zu pressen – eine Hälfte berührt die rechte, die andere die linke Flanke. Die Federvorspannung eliminiert das Zahnflankenspiel, indem sie einen konstanten Zahneingriff auf beiden Seiten des Ritzels gewährleistet. Bei Verschleiß gleicht die Feder diesen automatisch aus und hält so das Zahnflankenspiel über die gesamte Lebensdauer des Getriebes nahezu spielfrei. Der Nachteil: Das Vorspannmoment (typischerweise 5–151 TP3T des Nenndrehmoments) erhöht die Reibungsverluste im Antrieb und reduziert den maximalen Wirkungsgrad.
Methode 3 – Vorspannung gegen Rückschlag bei zwei Motoren
Zwei identische Servomotoren, von denen jeder ein Ritzel antreibt, das mit demselben Zahnrad kämmt Stirnrad Die Zahnräder (oder Zahnstangen) werden mit einem kontrollierten Drehmomentvorschub betrieben: Ein Motor drückt im Uhrzeigersinn, während der andere entgegenwirkt und so die Flanken beider Ritzel gleichzeitig am Zahnrad anlegt. Dadurch wird Spiel ohne mechanische Federbelastung und ohne die Rotationsmasse eines geteilten Getriebes eliminiert. Die Servosteuerung erzeugt ein geringes Differenzdrehmoment, das sich am Ausgang aufhebt (beide Motoren tragen Drehmoment in die gewünschte Richtung bei, aber ihre Vorschubdrehmomente heben sich auf). Dies ist die bevorzugte Lösung für hochpräzise CNC-Achsen mit Geschwindigkeiten über 30 m/min und für Portalmaschinen, die eine exakte Synchronisation zwischen zwei Achsen erfordern.
Reflektierte Trägheit – Warum das Übersetzungsverhältnis das Servo-Ansprechverhalten beeinflusst
Wenn ein Servomotor eine Last durch einen Stirnrad Bei einem Untersetzungsgetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis i sieht der Motor nicht nur das Lastträgheitsmoment J_Last, sondern auch das reflektierte Trägheitsmoment J_reflected = J_Last / i². Bei einem Untersetzungsgetriebe mit der Übersetzung 10:1 trägt das Lastträgheitsmoment nur 1% zum effektiven Trägheitsmoment des Motors bei – das Getriebe selbst und der Motorrotor dominieren. Dies ist das Problem der Trägheitsanpassung im Servosystem.
J_gesamt (am Motor) = J_Motor + J_Ritzel + J_Last / i²
Für maximale Servobandbreite sollte das Verhältnis von J_total zu J_motor minimiert werden. Hohe Übersetzungsverhältnisse reduzieren J_reflected/J_motor, jedoch besitzen die Zahnräder selbst Trägheit. Das optimale Übersetzungsverhältnis für maximale Bandbreite ist erreicht, wenn J_reflected (von der Last) ≈ J_motor – woraus i_opt = √(J_load / J_motor) folgt. Für ein Robotergelenk mit J_load = 0,05 kg·m² und J_motor = 0,0005 kg·m² gilt: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Stirnrad Die Körperträgheit (durch die Verwendung hohler Zahnradkörper für Robotergelenkanwendungen) ist daher für die Optimierung des Servoregelkreises genauso wichtig wie die Minimierung des Zahnflankenspiels.
Rückwärtsantrieb bei kollaborativen Robotern – Warum Schrägverzahnungen bevorzugt werden
Ein kollaborativer Roboter (Cobot) muss sicher reagieren, wenn ein Mensch gegen ihn drückt – das Gelenk muss rückwärtsantreibbar sein (die Last muss den Motor rückwärts antreiben können), damit der Kraft-Drehmoment-Sensor im Gelenk den Kontakt erkennt und das Sicherheitssystem die einwirkende Kraft begrenzt. Die Reibung im Gelenkgetriebe bestimmt, ob Rückwärtsantreibbarkeit erreicht werden kann.
A Stirnrad Die Planetenstufe mit einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 bis 20:1 weist einen Eingriffswirkungsgrad von 97–99% auf, was einem Reibungswinkel von ca. 1–3° entspricht. Dieser Wert liegt unterhalb des selbsthemmenden Reibungswinkels – das Gelenk dreht sich bei einer Kraft von 1,05–1,10 × der Vorwärtsantriebskraft rückwärts. Ein nachgiebiges Sicherheitsverhalten wird durch die integrierte Kraft-Drehmoment-Erfassung erreicht.
Wellenantriebe (Harmonische Antriebe) mit Übersetzungsverhältnissen von 50:1 bis 160:1 sind typischerweise nicht rücktriebsfähig – das hohe Untersetzungsverhältnis und die Reibung des Wellengenerators verhindern, dass der Ausgang den Eingang antreibt. Cobot-Konstruktionen mit Wellenantrieben erfordern eine aktive Nachgiebigkeitsregelung (Impedanzregelung mit Drehmomentsensoren) anstelle einer passiven mechanischen Nachgiebigkeit.
Korea Ever-Power – Lieferant von Präzisions-Servo- und Roboter-Schrägverzahnungen
Präzisionsgeschliffen HÖFLER Stirnrad Für Robotergelenk- und Servoautomatisierungsanwendungen – DIN-Klasse 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, Zahndicke nach DIN 3967 Klasse g–h für minimales Zahnflankenspiel, mit Getriebeprüfzertifizierung hinsichtlich Genauigkeitsklasse und Zahndickenabweichung
Korea Ever-Power produziert Präzision schrägverzahnte Zahnräder Für Servo- und Roboteranwendungen in M0,5–M8, DIN-Klasse 4–6, Zahndickenklasse g–h (geringes Zahnflankenspiel), in 20CrMnTi einsatzgehärtetem Stahl mit einer Härte von HRC 58–62 für maximale Belastbarkeit bei kompakter Baugröße. Für Scherengetriebe (mit Federteilung) fertigt Korea Ever-Power aufeinander abgestimmte Zahnradpaare mit garantierter Zahndicke innerhalb von ±1 µm des Nennwerts – dies gewährleistet eine gleichmäßige Vorspannung beider Zahnradhälften. Als direkter Lieferant Hersteller von StirnrädernKorea Ever-Power berechnet die reflektierte Trägheit (J_gear = 0,5 × m × r²) für jede Präzisionszahnradanordnung und liefert dem Servosystementwickler damit die notwendigen Informationen für die Trägheitsanpassung vor der Getriebekonstruktion. [Weiterlesen] Produktpalette an Stirnradgetrieben.
Häufig gestellte Fragen
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Roboters, aus derselben Anfahrtsrichtung zu einer zuvor angefahrenen Position zurückzukehren. Sie wird nicht durch Spiel beeinflusst, sofern die Anfahrtsrichtung stets gleich ist. Die Genauigkeit hingegen bezeichnet die Fähigkeit, ohne vorherige Kalibrierung eine absolute kartesische Koordinate zu erreichen. Sie wird direkt durch Spiel beeinflusst, da die absolute Position davon abhängt, ob sich das Gelenk im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn bewegt hat. Die meisten Industrieroboter geben die Wiederholgenauigkeit (±0,01–0,05 mm) an, nicht aber die absolute Genauigkeit. Daher verwenden sie in ihren Steuerungssystemen eine Spielkompensation, anstatt spielfreies Arbeiten vorzuschreiben. SchrägverzahnungCobots, die für kraftgesteuerte Montageaufgaben eingesetzt werden, bei denen absolute Genauigkeit wichtig ist, benötigen Zahnräder mit geringem Zahnflankenspiel und eine vollständige kinematische Kalibrierung.
Typischerweise nicht – neben dem Spiel erfordern Robotergelenke eine geringe reflektierte Trägheit (Standardgetriebe haben relativ schwere Zahnradgehäuse), eine kompakte axiale Baulänge (Standardgetriebe haben feste Gehäuseabmessungen, die möglicherweise nicht zum Gelenk passen) und eine hohe Torsionssteifigkeit (Standardgetriebe können bei schneller Beschleunigung Verwindungen aufweisen, die die Servobandbreite einschränken). Ein präzises Planetengetriebe Stirnrad Für Servoanwendungen ist ein speziell entwickelter Servotisch mit hohlgebohrter Abtriebswelle für die Kabelführung, leichtem Aluminiumgehäuse und präzisem Abtriebsflansch die optimale Lösung. Korea Ever-Power fertigt die Planetengetriebekomponenten (Sonnen- und Planetenräder) für diese kompakten Servotische; Gehäuse und Montage erfolgen üblicherweise nach den Vorgaben des Roboterherstellers.
AGV-Radantriebe für Indoor-Logistikroboter verwenden typischerweise M2–M4. Schrägverzahnung In ein- oder zweistufigen Getrieben wird die Motordrehzahl (3000–6000 U/min) auf die Raddrehzahl (100–400 U/min) reduziert. Die kompakte Radnabengeometrie begrenzt den Zahnraddurchmesser auf 30–80 mm Außendurchmesser, was bei M2–M4 Zähnezahlen von 15–40 Zähnen ergibt – ausreichend für die benötigten Übersetzungen. Werkstoff: 20CrMnTi, einsatzgehärtet für eine lange Lebensdauer im typischen 24-Stunden-Betrieb von Logistik-AGVs. Genauigkeitsklasse: DIN Klasse 6–7 (das abgedichtete Gehäuse gemäß IP67 und die moderaten AGV-Geschwindigkeiten erfordern keine DIN-5-Genauigkeit).
Für Servo- und Robotergelenke SchrägverzahnungEin Schrägungswinkel β von 20–25° ist Standard – derselbe Bereich wie bei Präzisionsgetrieben für industrielle Anwendungen. Ein höherer Schrägungswinkel reduziert Übertragungsfehler (geringere Geräuschentwicklung), erhöht aber die Axialkraft auf die Servomotorwelle. Diese wird nicht immer vom Wellenlager des Motors bei axialen Belastungen aufgenommen. Bei Servoanwendungen nimmt das in die Servomotor-Abtriebswelle integrierte Schrägkugellager eine geringe Axialkraft auf. Ab einem Schrägungswinkel von β = 25° kann die Axialkraft die axiale Tragfähigkeit des Motorwellenlagers überschreiten, sodass ein externes Axiallager an der Getriebeeingangswelle erforderlich wird. Korea Ever-Power bestätigt für jede Servogetriebebestellung die zu erwartende Axialkraft (F_a = F_t × tan β) im Verhältnis zur axialen Tragfähigkeit des Motorwellenlagers.
Anfrage zu Präzisions-Servo- und Roboter-Schrägverzahnungen
Geben Sie Ihre Anforderungen an Zahnflankenspiel, Übersetzungsverhältnis, Abtriebsdrehmoment und etwaige Trägheitsbeschränkungen an. Korea Ever-Power bestätigt Modul, Zähnezahl, DIN-Klasse und Zahndickenklasse – inklusive Berechnung der reflektierten Trägheit und Zahnflankenspielzertifikat, die standardmäßig in jeder Servogetriebebestellung enthalten sind.
M0,5–M8 · DIN-Klasse 4–6 · Zahnflankenspiel Klasse g–h · Trägheitsberechnung · Scherenzahnradpaare · Mindestbestellmenge: 1 Stück
Herausgeber: Cxm
