Miniaturisiertes Präzisionsgetriebe

Revolution im Roboter

Etwas Bewährtes durch etwas Neues ersetzen? In der Robotik ist das jetzt mit einem neuen Getriebe aus dem Hause Wittenstein möglich. In kompakte Baugrößen verpackt, liefert es im Vergleich zu Wellgetrieben deutlich mehr Steifigkeit, Drehmomentdichte, Überlastfähigkeit und Nullspiel. Zudem wartet das neue Getriebe mit einem sehr großen Hohlwellendurchmesser auf. Unter dem Strich: alles passende Eigenschaften für den Einsatz in Medizin- und Präzisionsrobotern, in Handling-Systemen für Halbleiter oder in Highend-Maschinen.
Eingesetzen lässt sich das miniaturisierte Galaxie-Getriebe u. a. in Schwenk- und Positionierachsen von Medizinrobotern.
Eingesetzen lässt sich das miniaturisierte Galaxie-Getriebe u. a. in Schwenk- und Positionierachsen von Medizinrobotern.Bild: Wittenstein SE

Das Galaxie-Getriebe ist in der neuen Baugröße kompatibel zu Wellgetrieben – bietet aber im Vergleich eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit in den relevanten Kenngrößen. Die Gegenüberstellung der technischen Daten zeigt: Das neue Getriebe bietet in seinen Baugrößen von heute 90 und 110mm eine bis zu 40 Prozent höhere Drehmomentdichte, eine um den Faktor 3 bessere Verdrehsteifigkeit, ein doppelt so hohes Notaus-Moment, absolutes Nullspiel über die gesamte Lebensdauer sowie eine fast 50 Prozent größere Hohlwelle. Das eröffnet Konstrukteuren von Robotern spannende neue Möglichkeiten.

 Im miniaturisierten Galaxie-Getriebe greifen die als Zahnring 
verbundenen Einzelzähne innerhalb des Zahnträgers axial in die Planrad-Helixverzahnung ein.
Im miniaturisierten Galaxie-Getriebe greifen die als Zahnring verbundenen Einzelzähne innerhalb des Zahnträgers axial in die Planrad-Helixverzahnung ein.Bild: Wittenstein SE

Von radial zu axial

Um die Ansprüche der Galaxie-Baureihe in kleineren, marktkompatiblen Baugrößen erfüllen zu können, war ein Umdenken in der Bewegungsführung bei der Kraftübertragung erforderlich, nämlich von radial zu axial. Im neuen Getriebe greifen die als Zahnring verbundenen Einzelzähne innerhalb des Zahnträgers – angetrieben von einer Polygonscheibe mit zwei Hochpunkten – wie in einer Schraubbewegung axial in die Planrad-Helixverzahnung ein. Dieser kinematische Aufbau ist verantwortlich dafür, dass die neue Baugröße wirklich kompakte Außenmaße erreicht – und dabei mit 150 und 250Nm im Vergleich zu Wellgetrieben um bis zu 40 Prozent höhere Beschleunigungsmomente ermöglicht. Ein weiteres Highlight der neuen Kinematik ist die absolute Spielfreiheit bei hohen Verdrehsteifigkeiten.

 Die Hohlwelle des neuen Getriebes in Baugröße 90 bietet mit 31mm ganze 10mm mehr Durchmesser als Wellgetriebe gleicher Baugröße.
Die Hohlwelle des neuen Getriebes in Baugröße 90 bietet mit 31mm ganze 10mm mehr Durchmesser als Wellgetriebe gleicher Baugröße.Bild: Wittenstein SE

Steifigkeit als Best-in-Class bestätigt

Im Vergleichstest übertrifft das miniaturisierte Getriebe marktgängige Wellgetriebe in puncto Steifigkeit um das Dreifache – und das über den gesamten Drehmomentbereich. Dies resultiert zum einen daraus, dass der Zahneingriff nicht wie bei Wellgetrieben über eine Linienberührung, sondern über einen nahezu vollflächigen Kontakt der Flanken der Königszähne im miniaturisierten Galaxie erfolgt. Zum anderen ist beim Zahneingriff – bedingt durch die Bewegung des Polygons – immer ein großer Teil der Königszähne an der Drehmomentübertragung und Steifigkeitsbildung beteiligt. Das Königszahn-Konzept hat zugleich einen weiteren Vorteil: es ermöglicht Übersetzungen von i=60/61 und erfüllt damit eine wesentliche Leistungsanforderung in Robotikapplikationen.

 Das hochsteife Präzisionsgetriebe stellt in den kleinen Baugrößen eine attraktive Alternative zu Wellgetrieben dar.
Das hochsteife Präzisionsgetriebe stellt in den kleinen Baugrößen eine attraktive Alternative zu Wellgetrieben dar.Bild: Wittenstein SE

Verbessertes Resonanzverhalten

Zur Reduzierung von Schwingungen und Vibrationen erfolgt in der Regel eine steifigkeitsbasierte Auslegung von Roboterachsen. Hierfür wird die Resonanzfrequenz der einzelnen Achsen anhand des Massenträgheitsmomentes der Applikation und der Getriebesteifigkeit bestimmt. Durch die höhere Steifigkeit erhöht sich die Resonanzfrequenz um Faktor 2 und bietet darüber hinaus Downsizing-Potential. In der Praxis übererfüllt das neue Galaxie-Getriebe damit auch steifigkeitsbasierte Frequenzempfehlungen, etwa für Schwenk- und Positionierachsen von Medizinrobotern.

Auch was die Leistungsdichte und die Überlastfähigkeit betrifft, soll das miniaturisierte Getriebe neue Maßstäbe setzen. In der Baugröße 90mm – wie sie typisch ist für Getriebeanwendungen in der Robotik – erreicht es ein maximales Beschleunigungsmoment von 150Nm. Konstruktions- und auslegungstechnisch können sich aus diesem Plus an Drehmomentdichte zwei Optionen eröffnen. Auf gleichem Bauraum kann zum einen durch den 1:1-Ersatz eines Wellgetriebes mit einem axial aufgebauten Galaxie-Getriebe mehr Leistung generiert werden. Zum anderen ist es möglich, ohne Leistungsverlust ein Downsizing von einem größeren und schwereren Wellgetriebe auf ein kleineres, leichteres und platzsparenderes Getriebe durchzuführen. In einem der ersten Pilotprojekte war es z.B. möglich, ein Wellgetriebe der Baugröße 115 durch die Galaxie-Baugröße 90 zu ersetzen – und dessen Performance-Vorteile zu nutzen.

Noch deutlicher ist der Unterschied zu Wellgetrieben bei einer insbesondere in der Medizinrobotik extrem wichtigen Eigenschaft: der Überlastfähigkeit im Notaus-Moment. Hier erreicht die neue Lösung einen Wert von 375Nm – und liegt damit doppelt so hoch wie ein vergleichbares Wellgetriebe. Dadurch bietet das Getriebe sehr hohe Sicherheit.

Platzverhältnisse im Inneren

Ein konstruktiv wichtiges Alleinstellungsmerkmal ist die Hohlwelle des neuen Getriebes. Mit 31mm für die Baugröße 90 bietet sie 10mm mehr Durchmesser als Wellgetriebe gleicher Baugröße. Dadurch können mehr Kabel, Schläuche oder andere Verbindungen im Inneren des Roboters verlegt werden. Zudem ist es möglich, diese mit größeren Biegeradien zu verlegen, was das Risiko von Kabelbrüchen reduziert.

Von 150 bis über 7.500Nm

Mit dem miniaturisierten Galaxie-Getriebe hat Wittenstein ein hochsteifes Präzisionsgetriebe in kleinen Baugrößen geschaffen, die eine bauraumkompatible, sehr attraktive Alternative zu Wellgetrieben darstellt. Gleichzeitig bietet die gesamte Gattung Galaxie damit heute Baugrößen von 90 bis 300mm Außendurchmesser bei maximalen Beschleunigungsmomenten von 150 bis über 7.500Nm.

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