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Präzisionsgelenkwellen Smarte Verbindung für robotergestützte Verpackungsmaschinen

In flexiblen, robotergestützten Verpackungsmaschinen leisten Präzisionsgelenkwellen zuverlässig ihre Arbeit – auch bei Distanzen bis zu sechs Meter Länge.

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Roboterarme sind extremen Belastungen ausgesetzt ist, besonders bei „gestrecktem“ Arm. Gelenkwellen können hier unterstützen.
Roboterarme sind extremen Belastungen ausgesetzt ist, besonders bei „gestrecktem“ Arm. Gelenkwellen können hier unterstützen.
(Bild: R+W)

In der heutigen Robotik- und Automatisierungstechnik ist die Fusion aus Flexibilität und Produktivität gefragt. Sie muss zudem bei extremen Belastungen sicher funktionieren. Deutlich wird dies bei der Betrachtung von robotergestützten, flexiblen Produktionssystemen. Ihre Bewegungsabläufe aus horizontalen und vertikalen Schwenkbewegungen gleichen denen eines menschlichen Arms. Stellt man sich eine „ausgestreckte“ Position vor, wird deutlich, welchen extremen Belastungen ein Roboterarm ausgesetzt ist.

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Für einen Kunden aus der Robotikbranche sollte R+W Antriebselemente aus Wörth am Main eine Kupplungslösung für einen vollautomatischen Roboter-Arbeitsplatz zur Einzelstück-Kommissionierung finden. Die Besonderheit: ein sehr großer Wellenabstand zwischen der Antriebs- und Abtriebsseite. Eine Gelenkwelle vom Modell ZAL mit geteilter Klemmnabe und individuell angefertigtem CFK-Zwischenrohr war die passende Lösung.

Die Gelenkwell ZAL hat sich aus drei Gründen angeboten:

  • Das Trägheitsmoment ist sehr niedrig.
  • Die Überbrückung eines über vier Meter langen Achsabstandes musste ohne eine Zwischenlagerung auskommen.
  • Eine im Verhältnis zur Länge hohe Drehzahl von 300 min-1 war vorgegeben.

„Mit der Sonderanfertigung eines passenden CFK-Zwischenrohres konnten diese individuellen Gegebenheiten exakt berücksichtigt werden“, erläutert Bernhard Bremauer, Key Account Manager bei R+W Antriebselemente, die Kupplungslösung.

Die Entwicklung zur vollautomatisierten Produktion setzt sich unablässig fort und jede Applikation bringt ihre ganz eigenen, individuellen Anforderungen mit. Um die kundenspezifische Länge zu realisieren, werden je nach Serie und Ausführung z. B. bei den meisten Gelenkwellen hochpräzise Zwischenrohre aus Aluminium, Stahl oder Edelstahl verbaut. Bei besonderen Anforderungen, wie geringem Gewicht oder sehr hohen Drehzahlen, lassen sich spezielle Zwischenrohre aus dem High-Tech-Material CFK einsetzen. Der kohlefaserverstärkte Kunststoff ist um ein Vielfaches leichter als Stahl.

In den Gelenkwellen der Modellreihe ZAL setzen wir standardmäßig CFK-Zwischenrohre ein. So überbrücken wir Längen von bis zu sechs Metern.

Bernhard Bremauer, Key Account Manager bei R+W Antriebselemente

In der Gelenkwellen-Modellreihe ZAL setzt R+W CFK-Zwischenrohre standardmäßig, in anderen Modellreihen auf Wunsch ein. „So schaffen wir es, Längen von bis zu sechs Metern Achsabständen zu überbrücken“, erklärt Bernhard Bremauer. Der Anwender spare durch den Einsatz von Gelenkwellen Zeit und Kosten, da beispielsweise das zeitaufwendige Ausrichten von Zwischenlagern entfällt. Dabei sind Gelenkwellen von R+W absolut spielfrei und in einem Temperaturbereich von –30 °C bis 100 °C einsatzfähig.

Auf die Anforderung kommt es an

Um die optimale Gelenkwelle für die jeweilige Anforderung zu finden, ist es wichtig, die verwendeten Werkstoffe und deren spezifische Eigenschaften zu beachten. Denn unabhängig von Modell und Einsatzgebiet wirken bestimmte physikalische Größen auf jede Gelenkwelle ein. Bei der Auslegung berücksichtigt R+W daher verschiedene Faktoren: allgemeine, wie z. B. das zu übertragende Drehmoment oder die auszugleichenden Wellenversätze, aber auch weitere Parameter wie beispielsweise die sogenannte biegekritische Drehzahl. Sie bezeichnet die Drehzahl, in der es im Extremfall durch die dort auftretende Biegeschwingung zum Bruch der Gelenkwelle kommen kann.

Mit der maximal erlaubten Betriebsdrehzahl stellt der Kupplungsspezialist sicher, dass die Gelenkwelle auf keinen Fall im Bereich der biegekritischen Drehzahl betrieben wird, erklärt Bremauer. „Soll eine sehr genaue Positionierung eingehalten werden, achten wir zudem auf die Torsionssteife, die den Verdrehwinkel direkt beeinflusst und somit auch die genaue Positionierung des Antriebs“. Wenn die Gelenkwelle nach dem Beschleunigungsmoment ausgelegt werde,seien noch Beschleunigungs- und Trägheitsmomente zu berücksichtigen.

Zwei Bauarten, ein Hersteller

Damit empfiehlt sich die Gelenkwelle für den Einsatz überall dort, wo große Distanzen überwunden werden müssen:

  • für die Synchronisation von Spindelhubgetrieben,
  • in Förderanlagen oder
  • für die Anbindung in Palettierrobotern.

R+W bietet zwei unterschiedliche Arten von spielfreien Gelenkwellen: mit Metallbalg oder Elastomerkranz. Schwingungsdämpfende Gelenkwellen mit einem Elastomerstern als Zwischenelement dämpfen und kompensieren Schwingungen und Drehmomentstöße. Sie können standardmäßig Abstände bis zu 4 m überbrücken, sind mit Bohrungsdurchmesser von 5 mm bis 140 mm verfügbar und übertragen Spitzendrehmomente von bis zu 25.000 Nm.

Der Aufbau und die technischen Eigenschaften von torsionssteifen Gelenkwellen erinnern in Bezug auf ihre hohe Torsionssteife und geringen Rückstellkräfte stark an Metallbalgkupplungen. Durch ihre spezielle kardanische Innenabstützung ermöglichen Zwischenachsen mit Metallbalg die Überbrückung von Distanzen bis zu 6 m und gleichen Wellenversätze aus. Dank der Abstützung wird die biegekritische Drehzahl erhöht, was gleichzeitig zu einer höheren Betriebsdrehzahl führt. Damit können die torsionssteifen Zwischenachsen einen Drehmomentbereich von 10 Nm bis 4.000 Nm und einen Bohrungsdurchmesser von 5 mm bis 100 mm abdecken.

Spezielle Anbauflansche für Roboter

Bei modernen Robotern kommen hochgenaue Servomotoren zum Einsatz, um ein präzises Positionieren und dynamisches Bearbeiten zu ermöglichen. Zur positionsgenauen Übertragung dieser Dynamiken eignen sich neben Gelenkwellen auch verdrehsteife Metallbalgkupplungen. „R+W ist der führende Hersteller von Metallbalgkupplungen“, sagt Bernhard Bremauer. „Für den Einsatz einer Kupplung mit Robotern bieten wir daher auch entsprechende Flansch-Anbindungen“.

Um bei solch hohen Dynamiken den Antriebsstrang des Roboters zusätzlich vor Schäden zu schützen, werden kompakte Sicherheitskupplungen verwendet. In Kombination mit einem Metallbalg ermöglichen diese R+W-Kupplungen eine genaue Positionierung. Darüber hinaus gleichen sie Wellenversätze im Antriebsstrang aus und schützen die sensiblen Servomotoren ausreichend.

Für Bernhard Bremauer ist klar, dass sich die Entwicklung zur vollautomatisierten Produktion immer weiter fortsetzt. „Wir stehen als erfahrener Entwicklungspartner zur Verfügung und können dafür sorgen, dass Bewegungen dorthin übertragen werden, wo sie gebraucht werden“.

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