Die Nachfrage nach hochpräziser Robotik in den Bereichen Fertigung, Materialtransport, Medizin sowie Luft- und Raumfahrt nimmt rasant zu. Von Operationsrobotern, die präzise Schnitte ausführen, bis hin zu Industrieroboterarmen, die an einem Fließband Fahrgestelle schweißen – der Spielraum für Fehler ist praktisch gleich null.
Das Herzstück dieser Anwendungen bildet die Gelenkbewegung – eine mehrachsige Bewegung, die die komplexe Kinematik des menschlichen Arms nachahmt, jedoch über weitaus größere Kraft und Wiederholgenauigkeit verfügt. Das Erreichen dieses Detaillierungsgrades stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar.
Es geht nicht nur darum, Bewegungsbahnen von Punkt A nach Punkt B zu berechnen. Die Konstruktion von Antrieben für Roboterarme erfordert eine strenge Drehmomentsteuerung, ein präzises Management der thermodynamischen Abläufe und die Gewährleistung absoluter Wiederholgenauigkeit unter wechselnden Belastungen. Die Herausforderung besteht darin, all diese Probleme in Einklang zu bringen.
Warum ein systemweiter Ansatz erforderlich ist
Die Leistung eines Stellantriebs hängt selten von einer einzigen Komponente ab. Dies ist das Ergebnis einer auf Systemebene durchdachten Konstruktion, bei der Motordichte, Getriebetechnik und Wärmemanagement aufeinander abgestimmt sind. Entscheidungen, die auf einer Ebene getroffen werden, können sich auf alle anderen Ebenen auswirken.
Die Physik der Gelenkbewegung verstärkt diesen Effekt besonders deutlich. Bei einem mehrachsigen Roboterarm sind mehrere Freiheitsgrade miteinander gekoppelt. Drehgelenke und manchmal auch Linearachsen müssen ständig aufeinander abgestimmt werden, um den Endeffektor zu positionieren und auszurichten. Schon kleinste Konstruktionsänderungen können sich auf das gesamte System auswirken und die Drehmoment-Drehzahl-Anforderungen entlang der gesamten Kette verändern.
Aus diesem Grund sind bei Robotergelenken eine hohe Drehmomentdichte, eine kompakte Bauweise und eine hohe Spitzenbeschleunigung gefragt. Die Leistung muss über einen breiten Arbeitsbereich und unter verschiedenen Betriebsbedingungen hinweg stabil und reaktionsschnell bleiben. Diese Wechselwirkungen sind auch der Grund dafür, dass Entscheidungen zur Konstruktion von Stellantrieben nicht isoliert optimiert werden können.
Stattdessen erfordert das Design einen kontinuierlichen Iterationsprozess. Da der Stellantrieb in einem elektromechanischen System arbeitet, wirkt sich jede Entscheidung auf die Gesamtleistung aus. Die Motorleistung bestimmt die Anforderungen an das Getriebe, die wiederum die Strategie für das Wärmemanagement vorgeben. In Anwendungen der humanoiden und kollaborativen Robotik gewinnen ästhetische und gestalterische Aspekte zunehmend an Bedeutung bei der Auslegung der Gelenke – sodass Entwickler ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Design und Leistung finden müssen.
Bei Regal Rexnord ist diese Vernetzung unser Ausgangspunkt. Ein effektives Design von Roboterantrieben bedeutet, den gesamten Antriebsstrang als einheitliche Einheit zu konzipieren, anstatt die einzelnen Komponenten nacheinander zu optimieren.
Den richtigen Formfaktor und die richtige Architektur finden
Bevor sie sich für einen Motortyp entscheiden, müssen Ingenieure die Form des verfügbaren Einbauraums festlegen. Wie viel Spielraum lässt das Gelenk zu? Wie sieht die Geometrie dieses Raums aus? Wird für die Anwendung ein Motor benötigt, der schlank und lang ist, oder einer, der flach und breit ist und einen größeren Außendurchmesser hat? Ist für die Kabelführung eine Hohlwelle erforderlich? Diese räumlichen Gegebenheiten bestimmen die Architektur des Stellantriebs, noch bevor weitere Entscheidungen getroffen werden.
Robotergelenke unterliegen strengen räumlichen Einschränkungen, die sich auf die Wahl der Antriebe, die Anordnung der Kraftübertragung und die Integration auswirken. Die richtige Architektur löst das Bewegungsproblem innerhalb des verfügbaren physikalischen Rahmens.
Rotationsantrieb mit Präzisionsgetriebe
Rotationsarchitekturen sind bei Gelenkroboterarmen vorherrschend, da sie innerhalb eines kompakten Gelenkbereichs ein hohes Drehmoment liefern. Präzisionsgetriebe ermöglichen eine Drehmomentvervielfachung, bringen jedoch Kompromisse hinsichtlich Spiel, Steifigkeit und Wirkungsgrad mit sich, die sich unmittelbar auf die Positioniergenauigkeit und das Ansprechverhalten der Steuerung auswirken.
Direktantrieb
Ein Direktantrieb kommt zum Einsatz, wenn Steifigkeit und Ansprechverhalten im Vordergrund stehen. Durch den Wegfall des Getriebes wird das Spiel beseitigt und das Ansprechverhalten verbessert, während gleichzeitig eine äußerst kompakte Integration des Stellantriebs ermöglicht wird. Der Nachteil besteht darin, dass der Motor mehr Drehmoment direkt erzeugen muss – ohne den mechanischen Vorteil einer Getriebeübersetzung. Dies stellt höhere Anforderungen an die Drehmomentdichte, das Wärmemanagement und die Dauerleistungsfähigkeit. Beachten Sie, dass „Direktantrieb“ sowohl einen vollständig getriebelosen Antrieb bedeuten kann als auch einen gehäuselosen Motor, der direkt eingebaut ist, aber dennoch mit einem Getriebe gekoppelt ist.
Linearantrieb
Linearantriebe werden benötigt, wenn Bewegung nicht rotierend, sondern geradlinig erfolgen muss. Beispiele hierfür sind Hebeachsen, interne Gelenksysteme, wie sie bei Beinstreckern zum Einsatz kommen, oder seilzugbetriebene Systeme, die in humanoiden Händen verwendet werden. Kugelumlaufspindeln und ähnliche Mechanismen bieten eine hohe Kraftübertragung und Steifigkeit, doch aufgrund der geringeren mechanischen Übersetzungsverhältnisse spielt die Trägheitsanpassung eine größere Rolle für die Systemleistung.
Gehäuselose Integration
Gehäuselose Motoren kommen zum Einsatz, wenn die Bauform und die Integration ausschlaggebend für die Konstruktion sind. Durch die direkte Einbindung des Motors in die Gelenkkonstruktion wird die Drehmomentdichte erhöht und die Gesamtgröße verringert, da doppelte Gehäuse- und Kupplungskomponenten entfallen. Dieser Ansatz verlagert die Verantwortung für die Ausrichtung, die Wärmepfade und die mechanischen Toleranzen auf die Systemebene. Auch wenn es zunächst einschüchternd wirken mag, können die richtigen Montagehinweise und Empfehlungen zu den Gehäusetoleranzen die Integration ohne Gehäuse deutlich vereinfachen. Und mit steigendem Absatzvolumen bei Roboterarmen werden gehäuselose Motoren, die den Bedarf decken und gleichzeitig eine breite Produktpalette für eine Vielzahl von Gelenkkonfigurationen abdecken, immer unverzichtbarer.
Kompakte und Miniaturausführungen
Miniaturisierte Stellantriebe kommen dort zum Einsatz, wo Gewicht und Platz stark begrenzt sind, beispielsweise in Endeffektoren und Greifern. Bei diesen Konstruktionen muss ein Gleichgewicht zwischen kompakter Bauweise, Drehmomentleistung und Wärmeableitung gefunden werden. Allerdings beeinträchtigen sie häufig die Dauerleistung, wenn das Wärmemanagement nicht sorgfältig berücksichtigt wird.
Anforderungen an Drehmoment und Antrieb
In der Robotik ist das Drehmoment in der Regel die wichtigste Einschränkung. Es bestimmt, ob ein Gelenk unter Belastung beschleunigen, abbremsen und die Position halten kann. Die Trägheit spielt eine unterstützende Rolle und beeinflusst die Gleichmäßigkeit und den Verlauf der Bewegung. In den meisten Robotersystemen mit Getrieben mit hoher Übersetzung ist jedoch das reine Drehmoment ausschlaggebend für die Dimensionierung.
Diese Unterscheidung ist für den Anwendungskontext von Bedeutung Hochgeschwindigkeits-Industrieroboter, wie beispielsweise Sortierarme in einer schnell laufenden Produktionslinie, sind erheblichen Beschleunigungskräften ausgesetzt und erfordern neben einer hohen Drehmomentkapazität auch ein sorgfältiges Trägheitsmanagement. Chirurgische oder Präzisionssysteme hingegen können während des größten Teils einer Operation in einer bestimmten Position verbleiben. In diesem Fall sind ein konstantes Haltemoment und eine langfristige Positionsstabilität weitaus wichtiger als das dynamische Ansprechverhalten.
Die Entwicklung für beide Umgebungen erfordert einen systemweiten Ansatz. Eine Erhöhung der Nutzlast oder der Wirklänge führt zu einem höheren Drehmomentbedarf an den vorgelagerten Gelenken. Die Übersetzungsverhältnisse beeinflussen sowohl das Ansprechverhalten als auch die Wärmeentwicklung. Da diese Aspekte eng miteinander verknüpft sind, erfolgt die Iteration kontinuierlich. Durch den Einsatz leistungsfähiger Tools zur Kalkulation, die alle Parameter gleichzeitig berücksichtigen, lässt sich diese Iteration bewältigen.
Antriebstechnik und Präzisionsgetriebe
Bei der Konstruktion des Getriebes entscheidet sich, ob bei Roboterantrieben Leistungssteigerungen erzielt werden oder nicht. Ein präziser Motor in Verbindung mit einem nachgiebigen oder schlecht abgestimmten Getriebe führt zu Schwingungen am Endeffektor, wodurch die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beeinträchtigt werden, für deren Gewährleistung das übrige System ausgelegt ist. Eine Bewegungskette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied.
Bei Drehgelenken muss das Getriebe bei schnellen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen hohen dynamischen Belastungen standhalten. Ein hochsteifes Getriebe ist erforderlich, um das Drehmoment zu übertragen, ohne dass dabei Elastizität entsteht, die die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt. Enge Toleranzen und Vorspannungsstrategien tragen ebenfalls dazu bei, das Spiel zu minimieren und die Regelcharakteristik über den gesamten Arbeitszyklus hinweg aufrechtzuerhalten. Bei Anwendungen, die eine lineare Bewegung erfordern, sorgen Kugelgewindespindeln für eine effiziente Umwandlung von Drehbewegung in lineare Kraft bei hoher Steifigkeit. Die Präzision der Kugelgewindespindel bestimmt die Laufruhe und Präzision der Bewegung.
Die Materialauswahl bei Zahnrad- und Kugelgewindespindelkomponenten wirkt sich unmittelbar auf die statische und dynamische Belastbarkeit aus. Änderungen der Härte, der Legierungszusammensetzung und der Oberflächenbeschichtung können die Stoßfestigkeit verbessern und die Belastbarkeit des Systems erhöhen. Die Auswahl von Materialien mit kompatiblen thermischen Eigenschaften kann ebenfalls dazu beitragen, die Abstände einzuhalten und zu verhindern, dass das Spiel bei Erwärmung des Systems zunimmt. All dies trägt dazu bei, die Lebensdauer zu verlängern.
Die Vorteile dieser Anpassungen können sich im Laufe der Zeit summieren. Die richtige Materialauswahl kann die Lebensdauer verlängern, was bei Roboteranwendungen mit hoher Beanspruchung von entscheidender Bedeutung ist. Bei Programmen mit längerem Lebenszyklus bietet Regal Rexnord umfassendere Anpassungsmöglichkeiten, wenn Standardkonfigurationen nicht ausreichen.
Wärmemanagement und Wärmeregulierung
Die Wärmeentwicklung ist einer der Hauptfaktoren, die die Dauerleistung von Stellantrieben einschränken. Dies liegt daran, dass die vom Motor erzeugte Wärme die Dauer-Drehmomentfähigkeit, die mechanische Stabilität und den Wirkungsgrad des Systems beeinträchtigt. Komponenten, die sich erwärmen, dehnen sich aus. Da sich verschiedene Materialien unterschiedlich stark ausdehnen, verändern sich die bei Raumtemperatur eingestellten Abstände, sobald der Antrieb seine Betriebstemperatur erreicht. Wenn sich diese Abstände vollständig schließen, kann der Mechanismus blockieren oder übermäßiger Reibung ausgesetzt sein, was zu einem Durchbrennen des Motors führen kann. Wenn sie sich ausdehnen, können sich die Effizienz und die mechanische Stabilität mit der Zeit verschlechtern.
Der Wirkungsgrad des Motors ist Ihre thermische Schutzbarriere. Bei Regal Rexnord sind unsere Motoren so konstruiert, dass sie auch bei hohen Temperaturen ohne übermäßige Wärmeentwicklung zuverlässig arbeiten. Das liegt daran, dass Motoren, die kühl laufen, die Positioniertoleranzen einhalten, die Lebensdauer der Schmierung verlängern und das Risiko thermisch bedingter Ausfälle über den gesamten Betriebszyklus hinweg verringern.
Abgesehen vom Motor hängt die Strategie zur Wärmeableitung davon ab, wie stark das System beansprucht wird. Passive Kühlung, d. h. die Nutzung der thermischen Masse des Gehäuses und der Lamellenkonstruktion, reicht für viele Anwendungen aus. Hochleistungs-Industrieroboter benötigen jedoch häufig aktive Kühlverfahren wie Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung, um die sicheren Betriebsgrenzen einzuhalten. In beiden Fällen verschafft die Integration von Temperatursensoren den Steuerungssystemen Einblick in Temperaturtrends, bevor diese zu Ausfällen führen, wodurch aus reaktiver Wartung vorausschauende Wartung wird.
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Roboterantriebe sind in der Regel gekapselte Systeme. Es ist keine planmäßige Nachschmierung erforderlich, wie dies bei großen Industrieanlagen der Fall sein kann. Die Schmierung im System muss bei der Inbetriebnahme ausreichend sein, was bedeutet, dass es beim Wärmemanagement darum geht, die Bedingungen zu gewährleisten, unter denen die Schmierung während der gesamten Lebensdauer des Systems wirksam bleibt.
Die Schmierfähigkeit ist eines der ersten Dinge, die bei hohen Temperaturen nachlassen. Wenn die Viskosität zu stark abnimmt, bricht der hydrodynamische Film zusammen, der die Zahnrad- und Lagerflächen schützt, was den Verschleiß beschleunigt. Ist dieser Wert beim Kaltstart zu hoch, muss der Motor gegen den Flüssigkeitswiderstand stärker arbeiten, was den Wirkungsgrad verringert. Die Regulierung der Temperaturbedingungen ist zum großen Teil gleichbedeutend mit der Gewährleistung eines einwandfreien Schmierzustands.
Während der gesamten Lebensdauer eines Systems wirken Spiel, thermische Einflüsse und eine nachlassende Schmierwirkung zusammen. Kleine Abstände werden größer. Es kommt zu Verschleiß, und durch Temperaturwechselbeanspruchung entsteht Materialermüdung. Bei der Entwicklung mit Blick auf die Zuverlässigkeit muss berücksichtigt werden, wie sich das System vom Start bis zum Ende seiner Lebensdauer verhält.
Die Materialauswahl, die Abdichtung, das thermische Design und die Komponententoleranzen tragen alle dazu bei, ob ein System seine Leistungsfähigkeit über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhält.
Zusammenarbeit zur Systemintegration
Die Optimierung von Roboterarm-Antrieben ist eine Frage der Vernetzung. Ein leistungsstarker Motor mit hohem Drehmoment ist wirkungslos, wenn er mit einem Getriebe kombiniert wird, das zu viel Nachgiebigkeit aufweist. Ein Präzisionsgetriebe versagt vorzeitig, wenn es nicht ordnungsgemäß geschmiert und gekühlt wird. Der gesamte elektromechanische Antriebsstrang muss als einheitliche Einheit konzipiert werden. Zudem ändern sich die Anforderungen an die Stellantriebe im Laufe der Entwicklung von der Prototypenphase bis zur Serienfertigung derart, dass die Beziehung zum Zulieferer ebenso wichtig wird wie die Konstruktion selbst.
Regal Rexnord verfügt über eine Markenfamilie, die Motoren, Getriebe, Kugelgewindespindeln, mechanische Komponenten sowie Präzisionsprodukte wie Bremsen und Lager umfasst, und verfügt über das technische Know-how, um deren Zusammenspiel zu verstehen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung der Kundenproblematik, und unsere Erfahrung in den Bereichen Design, Werkstoffe und weltweite Fertigung hilft dabei, Lücken frühzeitig zu erkennen. Dies ist angesichts der zunehmenden Verbreitung von Roboterprogrammen wichtiger denn je. Von einzelnen Komponenten bis hin zu integrierten Antriebskonstruktionen für Roboterarme – wir entwickeln gemeinsam mit Ihnen Lösungen oder liefern innerhalb festgelegter Parameter, um Ihren Anforderungen gerecht zu werden.
Wenn Sie erfahren möchten, wie Regal Rexnord Ihr Programm für Roboterantriebe vom Konzept bis zur Serienfertigung unterstützen kann, wenden Sie sich bitte an unser Ingenieurteam.
