Wie kontrollieren Drehkranzlager von Robotern den Gelenkrundlauf?

Ein Robotergelenk kann über einen präzisen Encoder und ein starres Getriebe verfügen und dennoch die angestrebte Wiederholgenauigkeit verfehlen. Die Ursache liegt häufig im Lager zwischen der festen und der rotierenden Struktur.Roboter-DrehlagerDer Rundlauf wird durch die Geometrie der Laufbahn, das interne Spiel bzw. die Vorspannung und die Formstabilität der Ringe nach der Montage kontrolliert. Jede der drei Rundlaufkomponenten erreicht den Endeffektor auf unterschiedlichen Wegen. Die meisten Fehler bei der Spezifikationserstellung in der frühen Phase entstehen, wenn sie als ein einziger „Rundlauf“-Wert behandelt werden.

Dieser Artikel richtet sich an Ingenieure, die ein Drehgelenk definieren, beispielsweise eine Basisachse, einen Mittelteil oder einen Drehtisch. Er zeigt, wie ein Positionierziel in separate axiale, radiale und Kippgrenzen unterteilt wird. Falls Sie noch bei der Auswahl einer Lagerfamilie sind, finden Sie weitere Informationen auf unseren entsprechenden Seiten.Robotik und Automatisierung DrehlagerUndDünnprofillagerDie Entwürfe zeigen die typischen Optionen.

Was bedeutet „Gelenkrundlauf“ bei einem Drehlager?

Der Rundlauf bezeichnet die Abweichung einer Ringoberfläche von ihrer idealen Position während einer Umdrehung. Bei einem Drehlager lässt er sich in drei Komponenten unterteilen, von denen jede ihre eigene Ursache hat.

• Axialer Rundlauf:Die Montagefläche bewegt sich beim Drehen des Gelenks entlang der Drehachse auf und ab.

• Radialer Rundlauf:Der Rotationsmittelpunkt verschiebt sich seitlich, sodass der rotierende Teil eine leichte Umlaufbahn beschreibt, anstatt sich um eine feste Achse zu drehen.

• Kippender Auslauf:Die Rotationsachse selbst kippt. Dies wird durch das Drehmoment und durch Spiel oder elastisches Nachgeben im Laufbahnkontakt verursacht.

Das Lager steuert diese Eigenschaften über drei Mechanismen. Erstens bestimmen Laufbahn- und Ringgenauigkeit die Ausgangsgeometrie. Zweitens legt die Vorspannung bzw. das Lagerspiel fest, wie stark sich die Ringe bei Lastrichtungsänderungen verschieben können. Drittens entscheidet die Ringsteifigkeit darüber, ob das Lager nach der Montage in einer realen Struktur seine Form beibehält. Auch das Material ist für die Langzeitstabilität entscheidend. GCr15 bietet hohe Härte und Verschleißfestigkeit, während 42CrMo für höhere Belastungen geeignet ist. Verschleiß an der Laufbahn verschlechtert allmählich einen guten anfänglichen Rundlauf.

Axiale, radiale und Kippmomenten-Auslauffehlerquellen und deren Einfluss auf die Wiederholgenauigkeit des Roboters

Die Tabelle unterteilt die drei Komponenten nach ihrem Ursprung, danach, wie sie den Werkzeugpunkt erreichen, und danach, ob sie kalibriert werden können. Die letzte Spalte ist am wichtigsten. Ein Rundlauffehler, der sich bei jeder Umdrehung wiederholt, kann oft im Robotermodell kompensiert werden. Ein Rundlauffehler, der sich mit Last, Temperatur oder Verschleiß ändert, ist nicht kompensierbar.

Bei Weitbereichsverbindungen ist die Neigung meist der Hauptfaktor, selbst wenn die axialen und radialen Werte im Datenblatt gering erscheinen. Daher kann eine Verbindung mit gutem Rundlauf in der Prüfvorrichtung in der Messzelle dennoch eine schlechte Wiederholgenauigkeit aufweisen. Die Prüfvorrichtung erzeugt kein Kippmoment.

Wie Vorspannung, Spiel und Montage zusammenwirken

Diese Eigenschaften wirken nicht unabhängig voneinander. Eine Verbesserung der einen Eigenschaft steigert zwar die Rundlaufgenauigkeit, verschlechtert aber gleichzeitig eine andere.

• Vorladen.Durch die Eliminierung des Spiels verringern sich Neigung und radiale Verschiebung unter wechselnden Lasten. Der Nachteil sind ein höheres Reibungsmoment, mehr Wärme und schnellerer Verschleiß. Es eignet sich für Gelenke mit wechselnden Lasten und hoher Wiederholgenauigkeit. Es ist nicht geeignet für Gelenke, die mit hoher Drehzahl und begrenztem Motordrehmoment laufen müssen.

• Freigabe.Es bietet geringere Reibung und eine höhere Toleranz gegenüber Montagefehlern. Der Nachteil ist Spiel, das sich als Hysterese bemerkbar macht, sobald die Lastrichtung wechselt. Es eignet sich für langsame, einseitig wirkende Lasten und ist weniger geeignet für Bestückungsautomaten mit wechselnder Momentenrichtung.

• Ringsteifigkeit.Dünnwandige Ringe sparen Gewicht und Bohrungsraum, passen sich aber der Oberfläche an, an der sie verschraubt werden. Eine Fläche, die nur wenige Hundertstel Millimeter von der Planheit abweicht, kann als axialer und kippbarer Rundlauf in die Laufbahn gezogen werden. Ein dickwandigerer Ring wirkt dem entgegen, erhöht aber die Masse der Verbindung.

• Kontakt Design.AKreuzrollen-DrehlagerSie trägt axiale, radiale und Momentenlasten in einem einzigen Führungsbahnpaar und ist typisch für kompakte Verbindungen. Linienkontakt sorgt für hohe Steifigkeit. Der Nachteil besteht in einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Ungenauigkeiten der Montagefläche und der Notwendigkeit, die Vorspannung sorgfältig einzustellen.

Der entscheidende Punkt ist, dass die im Datenblatt angegebenen Rundlaufwerte für Lager unter definierten Bedingungen gemessen werden: einer bestimmten Montage, ohne äußeres Drehmoment und bei einer bestimmten Temperatur. Dasselbe Lager in einem anderen Gehäuse verhält sich anders. Vergleichen Sie daher keine Rundlaufwerte verschiedener Hersteller, es sei denn, die Testbedingungen sind identisch.

Beispielrechnung: Umrechnung eines Wiederholgenauigkeitsziels in Rundlaufgrenzen

Die folgenden Zahlen dienen der Veranschaulichung der Geometrie und stellen keine LTZC-Spezifikation dar. Angenommen, ein Gelenk hat eine Werkzeugreichweite von 1000 mm von der Drehachse und einen Lagermesskreis mit 400 mm Durchmesser. Die angestrebte Wiederholgenauigkeit beträgt ±0,05 mm, wobei das Lager maximal die Hälfte davon nutzen darf.

1. Lagerbudget festlegen.Die Hälfte von ±0,05 mm ergibt eine Toleranz von ±0,025 mm am Werkzeugpunkt für das Lager. Getriebe, Strukturverformung und Encoder übernehmen den Rest.

2. Neigung in Winkel umrechnen.Ein Kipplauffehler von 0,02 mm, gemessen über den 400 mm Kreis, entspricht 0,02 / 400 = 0,00005 rad.

3. Projekt an das Tool.0,00005 rad × 1.000 mm = 0,05 mm. Dieses einzelne Bauteil übersteigt bereits das gesamte Lagerbudget.

4. Die Grenze sollte überarbeitet werden.Um innerhalb von 0,025 mm zu bleiben, muss die Neigung unter etwa 0,00002 rad liegen. Auf dem 400-mm-Kreis entspricht dies einer axialen Differenz von etwa 0,01 mm, bevor radiale Einflüsse berücksichtigt werden.

5. Radial hinzufügen.Der Rundlauffehler addiert sich nahezu eins zu eins, muss also in den verbleibenden Wert der Neigung eingerechnet werden. Teilen Sie das Budget auf beide Fehler auf, anstatt einen Gesamtbetrag anzugeben.

Die Lehre daraus: Ein Grenzwert, der als Lagerkennwert gut erscheint, kann sich als unzutreffend erweisen, sobald er mit der Reichweite multipliziert wird. Führen Sie diese Berechnung für Ihre eigene Reichweite und Ihren Messdurchmesser durch, bevor Sie eine Toleranzklasse anfordern.

Häufige Missverständnisse und was Sie den Lieferanten fragen sollten

Fehler, die das Ergebnis verändern

• Geringerer Rundlauf bedeutet in der Regel auch bessere Wiederholgenauigkeit.Wiederholbarer Rundlauf kann durch Kalibrierung korrigiert werden. Instabiler Rundlauf, der sich mit der Belastung oder dem Verschleiß ändert, ist das eigentliche Problem.

• Angabe eines einzelnen "Runout"-Wertes.Die axialen, radialen und Kippgrenzen sollten separat angegeben werden, wobei der Messdurchmesser anzugeben ist.

• Die Montagekonstruktion wird außer Acht gelassen.Eine präzise Lagerung auf einer unebenen Fläche verliert an Genauigkeit. Ebenheit und Rechtwinkligkeit der Passflächen sind daher vorzugeben.

• Die Vorladung wird als kostenlos behandelt.Es verringert zwar das Spiel, erhöht aber Reibung und Wärme, was sich wiederum negativ auf den Motor und die thermische Drift auswirkt.

• Der Installationsschritt wird übersprungen.Die Schraubenreihenfolge und das Anzugsmoment verändern die Ringform. Beachten Sie die schriftliche Anleitung.LagereinbauAnleitung.

Beweise, die es wert sind, angefordert zu werden

• Axialer, radialer und Kipprundlauf werden separat angegeben, jeweils mit Angabe des Messdurchmessers und der Montageart.

• Prüfprotokolle für die Abmessungen von Kabelkanälen und Ringen für Ihre Charge.

• Vorspannungs- bzw. Spieleinstellung und deren Drehmomentauswirkung.

• Werkstoff und Wärmebehandlung der Ringe, z. B. GCr15 oder 42CrMo.

• Eine Angabe der Bedingungen, unter denen die genannten Werte nicht mehr gelten, wie z. B. hohe Drehmomente oder Temperaturverschiebungen.

Ein Bericht wie dieser zeigt die Leistung des Lagers bei der Abnahme. Er sagt jedoch nichts über das Verhalten in Ihrer Zelle aus, da dieses von Ihrem Gehäuse und dem Lastzyklus abhängt. Fordern Sie den Bericht an und bestätigen Sie ihn anschließend in einem Prototypentest mit der realen Struktur.

Wo Präzisionsfertigungserfahrung Anwendung findet

LTZC fertigt seit 1992 Präzisionslager- und Getriebekomponenten in einer 20.000 m² großen Produktionsstätte und ist nach ISO 9001:2015 zertifiziert. Die folgenden Fallbeispiele betreffen zwar unterschiedliche Produkte, zeigen aber Arbeiten, bei denen die Geometriekontrolle der entscheidende Faktor war.

• 8 Meter lange, hochpräzise segmentierte Zahnringe wurden an Wuhan Heavy Industry für die vertikale Rührreibschweißanlage eines wichtigen nationalen Projekts geliefert.

• Ein Drehtellerlager mit 3 Metern Durchmesser, das den Hauptfackelturm bei der Eröffnungsfeier der Olympischen Militärweltspiele trug.

Hierbei handelt es sich nicht um Robotergelenke, und wir stellen sie auch nicht als solche dar. Sie demonstrieren Erfahrungen mit der Geometrieerhaltung an großen, rotierenden Strukturen. Für kompakte Robotergelenke ist das Vorgehen identisch: Die drei Rundlaufkomponenten werden definiert, die Messbedingungen festgelegt und die Ergebnisse mit einer realen Montage verifiziert.

Wenn Standardgrößen nicht passen,kundenspezifische LagerKann anhand Ihrer Arbeitsbedingungen und Zeichnungen gefertigt werden. Es gibt keine Mindestbestellmenge, und die Lieferzeit beträgt je nach Ausführung 30 bis 90 Tage. Für einen ersten Vergleich verschiedener Haustypen empfehlen wir Ihnen unsereLeitfaden zur LagerauswahlDie Last- und Steifigkeitsfaktoren werden aufgeführt. Sollte eine Verbindung unerklärliche Abweichungen in der Wiederholgenauigkeit aufweisen, bieten wir außerdem eine Fehleranalyse und Unterstützung vor Ort an.

Senden Sie uns Ihre Gelenkzeichnung, die Reichweite, die Nutzlast und die Wiederholgenauigkeitsvorgabe, und wir schlagen Ihnen Rundlaufgrenzen und eine Lagerkonfiguration vor, die Sie mit Ihrer Konstruktion vergleichen können.