Getriebe Von der radialen zur axialen Bewegungsführung

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WITTENSTEIN SE

Mit dem miniaturisierten Galaxie hat Wittenstein ein hochsteifes Präzisionsgetriebe in kleinen Baugrößen geschaffen. Es stellt eine bauraumkompatible und dabei technologisch wie auch technisch überlegene Alternative zu Wellgetrieben dar.

Unter anderem für den Einsatz in Medizin- und Präzisionsrobotern hat Wittenstein ein neues Galaxie-Getriebe geschaffen. Dieses ist in der Baugröße kompatibel zu Wellgetrieben, es bietet aber verglichen damit eine signifikant bessere Leistungsfähigkeit in den wesentlichen relevanten Kenngrößen.

Umdenken in der Bewegungsführung bei der Kraftübertragung

Galaxie ist die Bezeichnung einer eigenständigen Getriebegattung und zugleich eine Marke. Um deren Anspruch in kleineren, marktkompatiblen Baugrößen erfüllen zu können, war ein Umdenken in der Bewegungsführung bei der Kraftübertragung erforderlich – 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 der Neuling kompakte Außenmaße in marktüblichen Bauformen erreicht und dabei mit 150 Nm und 250 Nm im Vergleich zu Wellgetrieben um bis zu 40 Prozent höhere, maximale Beschleunigungsmomente ermöglicht.

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Ein weiteres Highlight der neuen Kinematik ist die absolute Spielfreiheit bei hohen Verdrehsteifigkeiten. Im Vergleichstest übertrifft das miniaturisierte Getriebe marktgängige Wellgetriebe in puncto Steifigkeit um den Faktor drei – und dies 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 dem neuen Galaxie Übersetzungen von i=60/61 und zukünftig auch noch größer. Damit erfüllt es eine wesentliche Leistungsanforderung in Robotik-Applikationen.

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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 Getriebe-Steifigkeit bestimmt. Durch die um Faktor drei höhere Steifigkeit des neuen Galaxie-Getriebes erhöht sich die Resonanzfrequenz um Faktor zwei und bietet darüber hinaus Downsizing-Potenzial. In der Praxis übererfüllt der Neuling damit auch steifigkeitsbasierte Frequenzempfehlungen beispielsweise für Schwenk- und Positionierachsen von Medizinrobotern.

Mehr Performance oder weniger Platzbedarf – beides ist möglich

In der Baugröße 90 Millimeter, wie sie typisch ist für Getriebeanwendungen in der Robotik, erreicht das Getriebe ein maximales Beschleunigungsmoment von 150 Nm – und damit 40 Prozent mehr als Wellgetriebe gleicher Größe. 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 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 Galaxie durchzuführen. In einem der ersten Pilotprojekte war es beispielsweise möglich, ein Wellgetriebe der Baugröße 115 durch ein miniaturisiertes Galaxie der Baugröße 90 zu ersetzen – und dessen zusätzliche Performancevorteile zu nutzen.

Noch deutlicher ist der Unterschied zu Wellgetrieben bei einer insbesondere in der Medizinrobotik extrem wichtigen Eigenschaft: der Überlastfähigkeit im Not-Aus-Moment. Hier erreicht das neue Galaxie einen Wert von 375 Nm – und liegt damit doppelt so hoch wie ein vergleichbares Wellgetriebe. Dadurch bietet das Getriebe ein Höchstmaß an Sicherheit.

Forschung

Wie Roboter schneller lernen können

Große Hohlwelle bietet ideale Platzverhältnisse im Inneren

Ein weiteres, konstruktiv wichtiges Alleinstellungsmerkmal ist die Hohlwelle. Mit 31 Millimetern für die Baugröße 90 bietet sie zehn Millimeter mehr Durchmesser als Wellgetriebe gleicher Baugröße. Dadurch können noch mehr Kabel, Schläuche oder andere Verbindungen noch einfacher im Inneren des Roboters verlegt werden. Zudem ist es möglich, diese mit größeren Biegeradien zu verlegen – was das Risiko von Kabelbrüchen deutlich reduziert. (aru)

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