Umfassende Analyse von Präzisionsgetrieben und Motoren

Dieser Artikel bietet die umfassendste Analyse und Einführung in die vier Hauptkategorien von Präzisionsgetrieben und erläutert ihre zukünftigen Entwicklungstrends, insbesondere Präzisionsmotoren.

Klassifizierung von Präzisionsgetrieben

Präzisionsgetriebe werden hauptsächlich in Harmonic-Getriebe, Planetengetriebe, RV-Getriebe und Zykloidgetriebe klassifiziert.

Präzisions-Harmonic-Getriebe

Ein Harmonic-Getriebe ist ein neuer Typ von Untersetzungsmechanismus, der die Kraftübertragung durch elastische Verformung realisiert. Es löst sich vom traditionellen starren mechanischen Übertragungsmodus und nutzt flexible Komponenten zur Übertragung mechanischer Leistung. Ein Harmonic-Getriebe besteht hauptsächlich aus drei Grundkomponenten: einem Wellengenerator, einem starren Zahnrad mit Innenverzahnung (Circular Spline) und einem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung (Flexspline).

Der Wellengenerator ist eine Nockenkomponente, deren zwei Enden fest gegen die Innenwand der Flexspline drücken. Die Flexspline ist ein dünnwandiges Zahnrad, das zu großer elastischer Verformung fähig ist. Wenn der Wellengenerator in die Flexspline eingesetzt wird, zwingt er den Querschnitt der Flexspline dazu, sich von einer kreisförmigen in eine elliptische Form zu verändern. An den beiden Enden der großen Achse greifen die Zähne der Flexspline vollständig in die Zähne der Circular Spline ein, während in der Nähe der beiden Enden der kleinen Achse die Zähne vollständig von der Circular Spline ausgerückt sind.

Harmonic-Getriebe zeichnen sich durch große Untersetzungsverhältnisse, kompakte Abmessungen, eine geringe Anzahl von Komponenten und eine hohe Übertragungseffizienz aus. Sie werden typischerweise im Unterarm, Handgelenk oder in der Hand von Robotern installiert.

Harmonic-Getriebe erreichen Drehzahlreduzierung und Drehmomentverstärkung durch differenzielle Zahnbewegung. Das typische Funktionsprinzip verwendet eine Konfiguration, bei der der Wellengenerator der Eingang ist, die Circular Spline fixiert ist und die Flexspline der Ausgang ist. Der elliptische Wellengenerator ist mit der Motorwelle verbunden und innerhalb der kreisförmigen Flexspline installiert, wodurch eine elastische Verformung erzwungen wird. An der großen Achse greifen die Zähne der Flexspline vollständig in die Zähne der Circular Spline ein, während sie an der kleinen Achse vollständig ausgerückt sind; die übrigen Bereiche befinden sich im Übergangseingriff. Während sich der Wellengenerator kontinuierlich dreht, verformt sich die Flexspline wiederholt und erzeugt eine differenzielle Zahnbewegung. Der Eingriffszustand ändert sich kontinuierlich durch Eingriff, vollständige Verzahnung, Ausrückung und Wiedereingriff, wodurch sich die Flexspline relativ zur Circular Spline langsam in entgegengesetzter Richtung zum Wellengenerator dreht und dadurch Bewegung überträgt.

Präzisions-Planetengetriebe

Ein Präzisions-Planetengetriebe besteht hauptsächlich aus einem Sonnenrad, Planetenrädern, einem Planetenträger und einem Hohlrad. Sein Untersetzungsprinzip basiert auf Zahnradübertragung. Im Betrieb treibt ein Servomotor oder ein anderer Antrieb das Sonnenrad zur Rotation an. Der Zahneingriff zwischen Sonnenrad und Planetenrädern bewirkt, dass sich die Planetenräder um ihre eigenen Achsen drehen. Gleichzeitig greifen die Planetenräder in das am Gehäuse befestigte innere Hohlrad ein, wodurch sie beim Drehen entlang des Hohlrads abrollen und eine „Umlauf“-Bewegung um das Sonnenrad bilden.

Die Planetenräder übertragen die Bewegung auf den Planetenträger, der mit der Abtriebswelle verbunden ist und das Ausgangsdrehmoment liefert. Typischerweise arbeiten mehrere Planetenräder gleichzeitig, teilen sich die Last und treiben gemeinsam den Ausgang an.

Präzisions-Planetengetriebe sind hauptsächlich in einstufigen und mehrstufigen Strukturen verfügbar. Mehrstufige Planetengetriebe fügen auf Basis einer einstufigen Konstruktion mehrere Stufen hinzu, wobei jede Stufe aus einem Sonnenrad, Planetenrädern und einem Hohlrad besteht und eine kaskadierte Struktur bildet, um die Ausgangsdrehzahl weiter zu reduzieren und das Drehmoment zu erhöhen. Während mehrere Planetenräder die Last verteilen und die Tragfähigkeit verbessern, verringert jeder zusätzliche Zahneingriff die Übertragungseffizienz. Um die Kompaktheit zu erhalten, verwenden mehrstufige Planetengetriebe normalerweise ein gemeinsames Hohlrad, das gleichzeitig als Gehäuse dient.

Präzisions-RV-Getriebe

Ein RV-Getriebe ist ein zweistufiges Untersetzungssystem, das aus einem Planetengetriebe der ersten Stufe und einem Zykloidgetriebe der zweiten Stufe besteht.

Untersetzung der ersten Stufe: Das Sonnenrad ist mit dem Motor verbunden, und der Motor treibt das Sonnenrad zur Rotation an. Das Sonnenrad treibt die Planetenräder an, die mit einer Kurbelwelle verbunden sind, deren vordere und hintere Enden mit den Planetenrädern und den RV-Rädern (Zykloidscheiben) verbunden sind. Während sich die Planetenräder drehen, dreht sich die Kurbelwelle mit derselben Geschwindigkeit. Aufgrund der höheren Zähnezahl der Planetenräder ist ihre Drehzahl niedriger als die des Eingangszahnrads, wodurch die Untersetzung der ersten Stufe erreicht wird.

Untersetzung der zweiten Stufe: Die Eingangswelle ist die Kurbelwelle aus der ersten Stufe. Zwei Zykloidscheiben (RV-Räder) sind über Nadellager auf dem exzentrischen Teil der Kurbelwelle montiert. Die Anzahl der Bolzen im Bolzenring des Gehäuses ist um eins größer als die Anzahl der Zähne auf den Zykloidscheiben. Wenn sich die Kurbelwelle eine Umdrehung dreht, vollenden die Zykloidscheiben einen Zyklus exzentrischer Bewegung und drehen sich um einen Zahn in entgegengesetzter Richtung zur Kurbelwelle, wodurch eine weitere Untersetzung erreicht wird.

Zykloidgetriebe

Das Zykloidgetriebe verwendet präzise Zykloidengetriebetechnologie, die erstmals 1926 vom deutschen Ingenieur Lorenz Braren vorgeschlagen wurde. Es handelt sich um ein Planetengetriebe mit kleinem Zahnzahndifferenz und epizykloidalem Zahnprofil. Da seine Schlüsselkomponenten Zykloidscheiben und Bolzenräder sind, ist es als Zykloidgetriebe bekannt und eine Art von RV-Getriebe.

Konkret bezieht sich „zyklodial“ auf das tatsächliche Profil der Zykloidscheibe, das eine äquidistante Kurve einer verkürzten Epizykloide ist. Nach dem Innenwälzverfahren rollt ein Wälzkreis ohne Schlupf innerhalb eines festen Grundkreises und erzeugt eine zyklodiale Bahn. Ein am Wälzkreis befestigter Punkt zeichnet während des Rollens eine verkürzte Epizykloide nach. Durch das Zeichnen gleich großer Kreise mit Zentren auf Punkten entlang dieser Bahn bildet die Einhüllende dieser Kreise das tatsächliche Zahnprofil der Zykloidscheibe.

Merkmale und Anwendungsszenarien verschiedener Getriebe

RV-Getriebe zeichnen sich durch hohe Präzision, große Untersetzungsverhältnisse, hohe Steifigkeit, starke Überlastfähigkeit, lange Lebensdauer und hohe Ermüdungsfestigkeit aus sowie durch geringe Vibrationen, geringe Geräusche und niedrigen Energieverbrauch. Sie werden häufig in Robotergelenken mit hohem Drehmomentbedarf eingesetzt, etwa in Bein-, Taillen- und Ellbogengelenken, sowie in Schwerlast-Industrierobotern. Die erste, zweite und dritte Achse verwenden typischerweise RV-Getriebe. Aufgrund ihres breiten Untersetzungsverhältnisbereichs, ihrer stabilen Präzision, hohen Ermüdungsfestigkeit sowie hohen Steifigkeit und Drehmomentkapazität sind RV-Getriebe besonders vorteilhaft in Schwerlastpositionen wie Roboterarmen und Basen.

Harmonic-Getriebe zeichnen sich durch große und flexible Untersetzungsverhältnisse, hohe Präzision, kompakte Größe, geringes Gewicht, ruhige Übertragung, geringe Geräusche und die Fähigkeit aus, Bewegung in abgedichteten Räumen zu übertragen. Im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben erreichen Harmonic-Getriebe bei kleinerer Größe und geringerem Gewicht dasselbe Ausgangsdrehmoment, was ihnen Vorteile in Roboterunterarmen, Handgelenken und Händen verschafft. Ihre Bewegungsgenauigkeit nimmt jedoch mit der Zeit ab, daher werden sie im Allgemeinen in Leichtlast-Industrierobotern oder an den Endachsen großer Roboter sowie in der Luft- und Raumfahrt, Präzisionsbearbeitung und Medizintechnik eingesetzt.

Planetengetriebe werden aufgrund ihrer kompakten Größe und langen Lebensdauer häufig in Servo-, Schrittmotor- und DC-Antriebssystemen eingesetzt. Einstufige Planetengetriebe haben jedoch begrenzte Untersetzungsverhältnisse, und das Erreichen eines hohen Drehmoments erfordert mehrstufige Konfigurationen, die Größe und Gewicht erhöhen. Zu den Anwendungen gehören mobile Roboter, New-Energy-Ausrüstung, High-End-Werkzeugmaschinen und intelligenter Transport. Teslas Optimus-Roboter verwendet Planetengetriebe in geschickten Händen, während einige Roboterhersteller Planetengetriebe in Beinen und Hüftgelenken einsetzen.

Zykloidgetriebe bieten aufgrund des Mehrzahn-Eingriffs eine hohe Tragfähigkeit, relativ hohe Übertragungsgenauigkeit, kompakte Größe, geringes Gewicht und ruhige Übertragung. Obwohl ihre Struktur komplex ist und ihre Präzision etwas geringer ist als die von Harmonic-Getrieben, verleiht ihnen ihre hohe Tragfähigkeit ein großes Potenzial für den Einsatz in hochbelasteten Gelenken wie Taillen und Hüften humanoider Roboter.

Vergleich verschiedener Präzisionsgetriebe

Harmonic-Getriebe: Das Funktionsprinzip beinhaltet die Bewegung des Wellengenerators, die die Verformung der Flexspline antreibt und durch eine kleine Zahndifferenz den Eingriff mit der Circular Spline zur Untersetzung erreicht; die Struktur besteht aus Wellengenerator, Flexspline und Circular Spline; höherer Stückpreis; geringeres Gewicht; hohe Übertragungsgenauigkeit; relativ hoher Wirkungsgrad; hohes Untersetzungsverhältnis; lange Auslegungslebensdauer; relativ hohe Torsionssteifigkeit; zu den Vorteilen zählen hohes Untersetzungsverhältnis, hohe Präzision, kompakte Struktur und geringes Gewicht; zu den Nachteilen zählen begrenzte Tragfähigkeit und kürzere Lebensdauer.

Planetengetriebe: Das Funktionsprinzip beinhaltet die Rotation der Planetenräder unter dem Antrieb des Sonnenrads; einfache Struktur bestehend aus Sonnenrad, Planetenrädern und Hohlrad; niedrigerer Stückpreis; geringeres Gewicht; durchschnittliche Übertragungsgenauigkeit; hoher Wirkungsgrad; moderates Untersetzungsverhältnis; lange Auslegungslebensdauer; hohe Torsionssteifigkeit; zu den Vorteilen zählen einfache Struktur und kompaktes einstufiges Design; zu den Nachteilen zählen geringeres Untersetzungsverhältnis und niedrigeres Ausgangsdrehmoment.

RV-Getriebe: zweistufige Übertragung mit Planeten- und Zykloidenstufen; komplexe Struktur mit vielen Komponenten; hoher Stückpreis; höheres Gewicht; hohe Übertragungsgenauigkeit; hoher Wirkungsgrad; hohes Untersetzungsverhältnis; lange Auslegungslebensdauer; hohe Torsionssteifigkeit; zu den Vorteilen zählen starke Tragfähigkeit, hohe Torsionssteifigkeit und stabile Präzision; zu den Nachteilen zählen große Größe und begrenzte Anwendungsszenarien.

Zykloidgetriebe: Das Funktionsprinzip beinhaltet, dass exzentrische Bewegung die Zykloidscheiben antreibt, sich mithilfe einer kleinen Zahndifferenz um die Bolzenräder zu bewegen; die Struktur umfasst Zykloidscheiben, Bolzenräder und Exzenterwellen; relativ hoher Stückpreis; geringeres Gewicht; relativ hohe Übertragungsgenauigkeit; hoher Wirkungsgrad; hohes Untersetzungsverhältnis; lange Auslegungslebensdauer; hohe Torsionssteifigkeit; zu den Vorteilen zählen große Tragfähigkeit, kompakte Größe, geringes Gewicht und ruhige Übertragung; zu den Nachteilen zählen komplexe Fertigung und geringere Präzision im Vergleich zu Harmonic-Getrieben.

Prinzipien, Parameter, Vor- und Nachteile von Präzisionsgetrieben

Zu den wichtigsten technischen Kennzahlen von Präzisionsgetrieben gehören Torsionssteifigkeit, Untersetzungsverhältnis, Übertragungseffizienz, Übertragungsgenauigkeit, Übertragungsfehler, Anlaufdrehmoment, Hysterese und Spiel.

Die Torsionssteifigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Bauteils, einer Torsionsverformung unter Drehmoment zu widerstehen, oder auf das Verhältnis von Nennlastdrehmoment zu elastischer Winkelverformung; sie wird durch Konstruktionsdesign, Lagerunterstützungsmethode, Lagertyp, Zahnradsteifigkeit und -genauigkeit sowie Untersetzungsverhältnis beeinflusst.

Das Untersetzungsverhältnis ist das Verhältnis von Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl; ein größeres Untersetzungsverhältnis führt zu niedrigerer Ausgangsdrehzahl und höherem Drehmoment und wird durch die Zahnzahlen der Zahnräder und die Anzahl der Untersetzungsstufen beeinflusst.

Die Übertragungseffizienz ist das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung und wird durch Untersetzungsverhältnis, Drehzahl, Lastdrehmoment, Temperatur, Schmierungsbedingungen, Materialauswahl, Übertragungsstufen, Konstruktionsdesign, Zahnradgenauigkeit, Zahnradpositionierung und Montagequalität beeinflusst.

Übertragungsgenauigkeit und Übertragungsfehler beschreiben, wie genau der tatsächliche Ausgangswinkel während einer unidirektionalen Eingangsdrehung dem theoretischen Winkel entspricht; sie werden durch Konstruktion, Bearbeitung, Montage und Schmierung beeinflusst.

Das Anlaufdrehmoment ist das für den Leerlaufstart erforderliche Drehmoment und wird durch Konstruktionsdesign, Untersetzungsverhältnis, Reibungskoeffizienten und Lagerqualität beeinflusst.

Hysterese bezeichnet die Winkelverzögerung der Abtriebswelle, wenn die Eingangswelle die Drehrichtung umkehrt, und wird durch Konstruktion, Fertigungsqualität, Verschleiß, Installation und Einstellung beeinflusst.

Spiel bezeichnet die kleine Winkelverschiebung am Eingang, wenn Ausgang und Gehäuse fixiert sind und abwechselnd ein Nennmoment von ±2% angelegt wird; es wird durch Zahnradgenauigkeit, Lagerpräzision, Ölfilmdicke, Werkzeugmaschinengenauigkeit, Montagepräzision und Betriebstemperatur beeinflusst.

Warum Präzisionsmotoren der zukünftige Trend sind

Ein Präzisionsmotor ist ein integriertes Modul, das ein Präzisionsgetriebe mit einem Motor kombiniert. Mit der rasanten Entwicklung der Industrieautomatisierung, humanoider Roboter, Halbleiterausrüstung und medizinischer Geräte wächst die Nachfrage nach integrierten Getriebe-Motor-Lösungen weiter.

Was ist ein Harmonic-Getriebemotor？

Ein Harmonic-Getriebemotor besteht aus einem Harmonic-Getriebe, einem rahmenlosen Torquemotor, einer Bremse, einem Encoder und einer Antriebseinheit. Als Kernkomponente in der Robotikbranche werden Fortschritte in der Harmonic-Getriebemotor-Technologie weiterhin die Entwicklung spezialisierter Roboter und humanoider Roboter hin zu größerer Flexibilität und breiteren Anwendungsszenarien fördern. Über die Robotik hinaus werden Robotergelenkmotoren auch in Halbleiterausrüstung, Photovoltaikausrüstung, präziser Medizintechnik, 3C-Ausrüstung, optischer Ausrüstung und anderen Bereichen eingesetzt.

Was ist ein Planetengetriebemotor？

Der Planetengetriebemotor ist eine Kernkomponente von Roboterantriebssystemen. Durch ein hochintegriertes Design, das Planetengetriebe, rahmenlosen Torquemotor, Bremse, Encoder und Treiber kombiniert, erreicht er eine deutliche Optimierung von Volumen und Gewicht und ermöglicht eine präzise Bewegungssteuerung der Gelenke. Dies führt zu höherem Drehmoment, kleinerer Größe und geringerem Gewicht. Im Vergleich zu Harmonic-Getriebemotoren zeichnen sich Planetengetriebemotoren durch kleinere Untersetzungsverhältnisse, höhere Ausgangsdrehzahlen und höhere Drehmomentdichte aus und sind daher besser für Anwendungen mit mittlerer bis niedriger Last geeignet. Darüber hinaus sind kundenspezifische Anpassungsservices entsprechend den spezifischen Kundenanforderungen verfügbar. Mit Vorteilen wie Hochgeschwindigkeitsleistung, Stoßfestigkeit und kompaktem, leichtem Design sind Standard-Planeten-Gelenkmodule zu bevorzugten Lösungen für humanoide Roboter, spezialisierte Roboter, Logistik-AGVs und Industrieautomatisierung geworden und fördern eine verbesserte Roboterleistung sowie erweiterte Anwendungsszenarien.

Was ist ein Flansch-RV-Getriebe?

Das flanschintegrierte RV-Getriebe ist eine hochpräzise Untersetzungsvorrichtung für fortschrittliche Maschinen. Sein interner Mechanismus verfügt über eine einzigartige zweistufige Kombination aus Zykloiden- und Planetengetrieben, die in einer abgedichteten Einheit eingeschlossen sind. Das Getriebe wird vollständig montiert mit integriertem Flansch geliefert und mit Spezialfett vorgeschmiert, sodass es ohne zusätzliche Vorbereitung direkt installiert und sofort mit einem Servomotor verwendet werden kann.

RV-Getriebe werden häufig in Industrierobotern eingesetzt, insbesondere in Basis- und Hochlastgelenken (Gelenke 1 bis 4) von Roboterarmen mit Nutzlasten von 20 kg oder weniger. Wenn die Nutzlast 20 kg überschreitet, sind typischerweise alle sechs Gelenke mit RV-Getrieben ausgestattet. Diese Getriebe spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Positioniergenauigkeit.

Das flanschintegrierte RV-Getriebe ist eine spezialisierte Version, die durch Integration einer Flanschdichtung in das traditionelle RV-Getriebedesign entwickelt wurde. Ähnlich wie Standard-RV-Getriebe werden flanschintegrierte Modelle in zwei Typen klassifiziert: die flanschintegrierte E-Serie mit Vollwelle und die flanschintegrierte C-Serie mit Hohlwelle.

Präzisionsgetriebe entwickeln sich in Richtung gleichzeitiger Leistungssteigerungen und tieferer mechatronischer Integration. Insbesondere Harmonic-Getriebe müssen mechatronische Integration übernehmen, indem Harmonic-Getriebe mit Motoren, Encodern, Bremsen, Sensoren und anderen Komponenten kombiniert werden, um modulare Produkte mit hoher Wertschöpfung bereitzustellen und bessere Anwendungen in humanoiden Robotern, Halbleiterausrüstung, optischen Systemen und Präzisionsmessindustrien zu ermöglichen.