Bewegungen an der letzten Achse des Roboterarms kostengünstig umsetzen

Das Grundprinzip eines Wellgetriebes gibt es schon sehr lange. Der Amerikaner Walton Musser entwickelte um 1955 eine neue Art von mechanischen Systemen, die durch elastische Ablenkung gesteuert werden, so genannte Dehnungswellengetriebe – ursprünglich für die Raumfahrt: Die Mondautos des Apollo-Programms wurden über diese Getriebe bewegt.

Das technische Prinzip wurde von der Firma Harmonic Drive optimiert und lange Jahre auch patentrechtlich geschützt. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit und starken Untersetzungen bei kompakter Bauweise fand der Getriebetyp schnell seinen Weg in die Robotik. Und genau dorthin soll nun eine neue Variante des Wellgetriebes platziert werden, und zwar aus Kunststoff. Aber der Reihe nach.

Des Themas angenommen hat sich der Kunststoff-Spezialist Igus aus Köln, der sich auf reibungsoptimierte Werkstoffe fokussiert. Seine Tribo-Polymere kommen überall dort zum Einsatz, wo in bewegten Anwendungen die Technik verbessert und Kosten reduziert werden sollen. Bei Gleitlagern und Linearführungen zum Beispiel.

Auch bei Getrieben zeigen sich die Vorteile der Tribo-Polymere deutlich: Durch den Einsatz von Hochleistungskunststoffen der Marke Iglidur müssen Getriebe von Igus, auch das neue Wellgetriebe, nicht wie metallische Varianten zusätzlich geschmiert werden. Reibung und Verschleiß werden durch die trockenlaufenden Tribo-Polymere verringert. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz von Kunststoffen eine äußerst kompakte Bauweise und eine kostengünstige Herstellung.

Warum Igus sich an die Entwicklung eines eigenen Wellgetriebes gemacht hat, verrät Stefan Niermann, bei Igus unter anderem verantwortlich für die Robotik: „Das Wellgetriebe hat eine ausgesprochen positive Eigenschaft. Es kann eine sehr hohe Übersetzung auf einem kleinen Bauraum realisieren. Das ist für uns sehr interessant, denn wir arbeiten viel mit kleinen Schrittmotoren, auch am Roboter. Der Schrittmotor kann sehr hohe Drehzahlen, hat aber nicht so viel Drehmoment. Um eine Untersetzung von etwa 30:1 mit Planetengetrieben zu realisieren, muss man mehrere Stufen hintereinandersetzen. In einem Wellgetriebe lässt sich das auf einem ganz kleinen Bauraum platzsparend und leicht umsetzen.“

Die Hauptbestandteile der neuen Igus-Getriebe umfassen einen Wellgenerator und Flexring mit Außenverzahnung sowie einen gehäusefesten Außenring und ein drehbares Abtriebselement mit Innenverzahnung. Hierbei wird durch die Verwendung von schmierfreien Hochleistungskunststoffen die notwendige Flexibilität bei sehr hoher Verschleißfestigkeit erreicht. Der Wellgenerator weist eine elliptische Form auf, die auf den umliegenden Flexring übertragen wird. Dabei greift die Verzahnung des Flexrings an zwei Stellen in die Innenverzahnung von Außenring und Abtriebselement.

Da der Außenring zwei Zähne mehr besitzt als die anderen Bauteile, wird der Flexring bei der Rotation des Wellgenerators pro Umdrehung nur um zwei Zähne weiterbewegt. „Dadurch erreichen wir eine Übersetzung von 28:1“, erklärt Stefan Niermann. „Die Belastung auf den Zahn ist natürlich hoch. Entsprechend gibt es hier physikalische Grenzen, wenn wir die Bauteile aus Kunststoff herstellen. Aber wir können in der Baugröße Nema 17 immerhin mit zwei, drei Newtonmeter drehen, und das ist für die Anwendungsfälle, die wir vor Augen haben, vollkommen ausreichend.“

Das Wellgetriebe soll in der letzten Achse von Gelenkarm-, Portal- und Delta-Robotern vor den verschiedenen Greifersystemen eingesetzt werden. An dieser Stelle übernimmt es die Aufgabe, nicht-rotationssymmetrische Objekte zu greifen und genau zu positionieren. Die Baugröße Nema 17 wurde für die direkte Anbindung an einen Schrittmotor gewählt und ist problemlos auf andere Motortypen adaptierbar. Ein Modell in der Baugröße Nema 23 ist breits geplant.

Durch Untersuchungen im hauseigenen Testlabor wurde die Belastbarkeit der Nema-17-Wellgetriebe in Versuchen ermittelt. So zeigt das Getriebe mit der Übersetzung von 28:1 eine Lebensdauer von einer Million Zyklen bei einer Belastung von 1,5 Newtonmeter und einer Drehzahl von sechs Umdrehungen pro Minute. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 Prozent.

Nicht nur im Testlabor, auch bei ersten Kunden sind die Getriebe schon im Einsatz. „Wir haben eine Version dieses Wellgetriebes schon vor zwei Jahren vorgestellt“, führt Stefan Niermann aus, „und es sind sehr viele Optimierungen in das neue Modell eingeflossen. Wir haben einige Bauteile getrennt und dann je nach Teil geschaut, welcher Kunststoff wofür am besten geeignet ist. Manche Elemente brauchen eine hohe Steifigkeit, andere Flexibilität, weil sie ständig gewalkt werden. Durch diese neue Zusammensetzung und Auswahl der Kunststoffe haben wir die Laufruhe um mehr als Faktor 10 verbessern können. Das ist ein ganz wichtiger Punkt.“ Durch die aktive Weiterentwicklung und Materialforschung sowie den Einsatz von 3D-gedruckten Elementen wurden zudem das Umkehrspiel und die Lebensdauer weiter verbessert. Da der Preis des neuen Wellgetriebes im Vergleich zu Metall-Getrieben ebenso wie das Gewicht um den Faktor 5-10 geringer ist, spart man nicht nur Geld, sondern gewinnt auch Payload am Roboter.

Die Wellgetriebe sind wie auch die Igus Schnecken- und Planetengetriebe Bestandteil des Low-Cost-Automation-Angebots von Igus. Damit lassen sich kostengünstige und langlebige Automatisierungslösungen für den Mittelstand entwickeln – auch außerhalb der Industrie: etwa Roboter, die im Einzelhandel Kaffee ausschenken, Pick-and-Place Aufgaben im Handwerk erledigen oder vielleicht sogar zukünftig zuhause die Spülmaschine ausräumen können. Und das zu einem besonders günstigen Preis: So kostet eine Fünf-Achs-Roboterkinematik der Serie Robolink DP durch den überwiegenden Einsatz von Kunststoffen rund 3500 Euro, der Invest amortisiert sich oftmals in nur wenigen Monaten.

Für eine einfache Zusammenstellung von weiteren Komponenten wie Greifer, Steuerung oder Pneumatik zu einer Robotiklösung hat Igus bereits im vergangenen Jahr gemeinsam mit Partnern die Plattform rbtx.com gestartet. Diese Plattform bringt Anwender und Anbieter von Low-Cost-Robotik-Komponenten einfach und schnell zusammen. Interessenten können sich dadurch eine Low-Cost-Robotik-Lösung zusammenstellen, die ihren Anforderungen und ihrem Budget entspricht.

„Low Cost heißt nicht Low Quality“

Neben seinem etablierten Portfolio an Gleitlagern und Energieführungsketten drängt Plastik-Spezialist Igus immer mehr in die Antriebs- und Automatisierungstechnik. Wir haben bei Bereichsleiter Stefan Niermann nachgefragt, was das für Igus bedeutet.

Sie sind bei Igus unter anderem verantwortlich für den Bereich Low Cost Automation. Welche Produkte verbergen sich hinter diesem Begriff?

Den Bereich Low Cost Automation haben wir von der Antriebstechnik abgegrenzt indem wir sagen, ab der dritten Achse reden wir über Automatisierung. Hauptprodukte in der Low Cost Automation sind die verschiedenen Robotertypen, vom Gelenkarmroboter über die Portalroboter bis zu den Deltarobotern. Auch der Bereich der Getriebe gehört für uns zur Automatisierungstechnik, zum Beispiel der Getriebebausatz Apiro, mit dem man kleine Roboterkinematiken aufbauen kann. Die High Runner im Sortiment sind die kartesischen Roboter, also die Portale. Hier können wir schon ab 1000 Euro eine sehr flexible Lösung bieten. Verglichen mit unserer linearen Antriebstechnik oder dem gesamten Bereich, den ich verantworte, spielt die Automatisierungstechnik im Moment noch eine kleine Rolle – allerdings mit dem absolut größten Wachstums­potenzial und auch den besten Wachstumszahlen.

Was bedeutet der Begriff Low Cost Automation für Igus? Alles unter 5000 Euro?

Low Cost heißt zunächst einmal nicht Low Quality. Low Cost ist es, weil wir mit Kunststoff-Spritzguss einfach ein sehr effizientes Fertigungsverfahren haben und wir die Teile auch wirklich günstig anbieten können. Low Cost mit Blick auf den Kunden heißt wiederum schneller Return on Invest. Ich kann nicht sagen, ob für irgendjemanden eine 10.000-Euro-Investition viel oder wenig ist. Aber ein schneller Return on Invest, darauf sind wir aus. Der Kunde sollte in der Lage sein, nach sechs bis zwölf Monaten zu sagen: Oh, jetzt hat es sich rentiert. Low Cost an einer Euro-Grenze festzumachen ist schwierig. Es geht darum, nicht mehr zu bezahlen, als man muss.

Was sind Ihre Kunden in der Low Cost Automation, welche Märkte und Branchen sind das hauptsächlich?

Das kann man gar nicht so sagen. Igus ist seit 55 Jahren in der Industrie unterwegs und wir kennen viele, viele Industriekunden – was auch ein Unterschied ist zu vielen neueren Robotikfirmen. Von daher automatisieren wir in unterschiedlichsten Bereichen. Eine Zielgruppe sind sicher Automatisierungseinsteiger, die erst einmal ein geringes Risiko gehen wollen. Die möchten nicht gleich 80.000 Euro in einen Roboter investieren, von dem sie gar nicht wissen, ob er ihnen hilft, ob sie damit klar kommen, ob sie ihn überhaupt einbinden können. Bei uns können sie mit einem Paket für 5000, 6000 oder 8000 Euro starten und schauen, wie die Automatisierung fruchten kann. Das ist sicherlich die eine Gruppe, aber es gibt auch Firmen, die wissen ganz genau, was zu tun ist. Das geht bis zu Automobilwerken, die ganze End-of-Line-Bereiche automatisieren wollen. Diese Kunden sind dann eher an der Economy of Scale interessiert: Wenn es gleich um 50 oder 100 Stationen geht, dann ist natürlich ein Low-Cost-Roboter vom Gesamt-Investitionsvolumen sehr interessant, da ist bei gleichem Abteilungsbudget mehr herauszuholen.

Für das Low-Cost-Portfolio stellen Sie nun ein neues Getriebe vor. Für welchen Einsatzbereich ist es gedacht?

Aktuell verkaufen wir das neue Wellgetriebe für unsere Gelenkarmroboter, für Robolink und den neuen Robolink DP. Dort ist es die Lösung für die fünfte Achse ganz vorne am Roboter, die, um es einfach zu sagen, den Greifer drehen kann. Man kann das Getriebe aber auch einzeln kaufen. Die Idee dahinter ist, dass andere Roboterhersteller dieses Getriebe einsetzen, um den Vorteil dieses neuartigen Wellgetriebes, sehr leicht, kompakt, hohe Untersetzung, auch in ihren Geräten zu nutzen.

Sind Sie da bezüglich Präzision und Wiederholgenauigkeit konkurrenzfähig?

Zugegeben, da können wir mit klassisch aus Metall gefertigten Getrieben nicht mithalten. Aber bei einem Umkehrspiel von 0,2 Grad kann man sehr, sehr viele Anwendungen abdecken. Da sind Pick-and-Place-Anwendungen realisierbar, da sind Klebevorgänge realisierbar. Also, da machen wir uns keine Sorgen, dass es nicht genug Anwendungen für dieses Getriebe gibt. wk