Ein Roboter-Drehlager muss anhand von Drehmomentwelligkeit und Wiederholgenauigkeit beurteilt werden.

Wenn eine Roboterachse eine angesteuerte Position verfehlt, bei niedriger Drehzahl oszilliert oder nach der Montage andere Servoverstärkungen benötigt, überprüfen Ingenieure oft zuerst Motor, Getriebe, Encoder und Steuerung. Diese Vorgehensweise ist sinnvoll, kann aber eine mechanische Fehlerquelle übersehen: Reibungsschwankungen im Drehlager.Roboter-Drehlagerist nicht nur ein lasttragendes Bauteil. In einem Präzisionsgelenk oder Drehtisch wird sein Drehwiderstand Teil des Bewegungssystems, das vom Servo erfasst wird.

Die technische Frage lautet daher nicht einfach: „Kann das Lager die axialen, radialen und Kipplasten aufnehmen?“ Sie lautet auch: „Erzeugt das Lager ein ausreichend stabiles Drehmoment für die erforderliche Positionieraufgabe?“ Die Tragfähigkeit bleibt unerlässlich. Sie reicht nicht aus für einen Roboter, der sich langsam und gleichmäßig bewegen, wiederholt die Richtung ändern oder zuverlässig zu einer vorgegebenen Position zurückkehren muss.

Bei Achsenkonzepten, die eine kompakte Drehlagerung erfordern, können Ingenieure vergleichenPräzisionsdrehlagermit anderen Lageranordnungen. Wo der verfügbare Bauraum besonders begrenzt ist, einDünnprofillagerkann auch Teil des Konstruktionsvergleichs sein. Die geeignete Wahl hängt vom gesamten Strukturkreislauf ab: Lager, Montageflächen, Antrieb, Getriebe, Encoderposition, Schmierung und Servostrategie.

Beginnen Sie damit, die Wiederholgenauigkeit vom Drehmomentwelligkeit zu trennen.

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie zuverlässig eine Achse unter definierten Bedingungen in dieselbe Position zurückkehrt. Sie gibt nicht automatisch die absolute Positioniergenauigkeit an. Eine Achse kann wiederholt in eine Position zurückkehren, die vom Sollwert abweicht, wenn ihre Referenz, die Encoderkalibrierung oder die strukturelle Durchbiegung einen systematischen Fehler aufweisen.

Drehmomentwelligkeit bezeichnet die Schwankungen des benötigten oder abgegebenen Drehmoments während der Achsenbewegung. In praktischen Robotersystemen können gemessene Drehmomentschwankungen verschiedene Ursachen haben:

• Variation der Lagerreibung:Änderungen des Rollwiderstands während einer Umdrehung oder bei Richtungsumkehr.

• Auswirkungen von Zahnrädern und Untersetzungsgetrieben:Zahneingriffsabweichungen, Getriebereibung, Spielreaktion und Getriebenachgiebigkeit.

• Dichtungsreibung und Schmierstoffverhalten:Widerstand, der sich mit der Geschwindigkeit, der Temperatur, der Verweilzeit oder der Schmierstoffverteilung ändern kann.

• Montageverzerrung:Unebene Montageflächen, ungleichmäßiges Anziehen der Schrauben oder Gehäuseverformungen, die die interne Lagerbelastung verändern.

• Motorische und Steuerungseffekte:Drehmomentregelungsauflösung, Verhalten des Stromregelkreises, Einstellmöglichkeiten, Encoder-Rückkopplung und Filterung.

Die Schlussfolgerung für Konstruktionsprüfungen ist eindeutig: Jegliche Variation der Bewegung bei niedrigen Drehzahlen sollte nicht ohne Prüfplan als Lagerdrehmomentwelligkeit eingestuft werden. Ebenso wenig sollte das Lager verworfen werden, nur weil die Achse die statischen Lastberechnungen erfüllt. Eine sinnvolle Untersuchung trennt die rotierende Lagerung, sofern möglich, vom restlichen Antriebsstrang und vergleicht anschließend den gemessenen Drehmomentverlauf mit dem des vollständig montierten Gelenks.

Diese Unterscheidung ist besonders wichtig für kollaborative Automatisierung, Inspektionsgeräte, Kamerapositionierung, Schweißpositionierer und Präzisionsroboterachsen. Diese Anwendungen arbeiten unter mäßigen Lasten und legen gleichzeitig großen Wert auf kontrollierte Starts, Stopps, Umkehrungen und wiederholgenaue Positionierung.

Wenn Reibungsänderungen zu einem Problem der Bewegungssteuerung anstatt zu einem Problem der Tragfähigkeit werden

Die Grenze zwischen einem Lagerproblem und einem Problem der Bewegungssteuerung wird durch das Systemverhalten definiert, nicht durch einen einzelnen Katalogwert. Ein Lager kann strukturell geeignet sein und dennoch Aufmerksamkeit erfordern, wenn seine Reibungsänderung im Verhältnis zum für Feinbewegungen verfügbaren Drehmoment groß genug ist. Umgekehrt kann eine messbare Widerstandsänderung bei einer Achse mit hoher Massenträgheit, die sich mit konstanter Geschwindigkeit und großem Drehmomentspielraum bewegt, irrelevant sein.

Die praktische Grenze ist überschritten, wenn Reibungsschwankungen so viel vom verfügbaren Feinsteuerdrehmoment verbrauchen, dass der Servo diese wiederholt korrigieren muss. Dies führt zu Geschwindigkeitsunregelmäßigkeiten, Verzögerungen beim Positionsstabilisieren oder inkonsistentem Umkehrverhalten. Selbst wenn das Lager seine strukturelle Belastbarkeit deutlich unterschreitet, stellt dies ein Problem für die Bewegungsqualität dar.

Diese Aussage hat eine wichtige Einschränkung. Ein verrauschtes Drehmomentsignal beweist nicht zwangsläufig ein defektes Lager. Ein schlecht ausgerichtetes Getriebe, ein am Motor statt an der Abtriebsachse montierter Encoder, flexible Roboterglieder und eine zu aggressive Servoeinstellung können ähnliche Symptome hervorrufen. Käufer sollten daher vor Änderungen der Spezifikationen der Drehlagerung Nachweise aus kontrollierten Tests verlangen.

Vor der Änderung der Servoverstärkungen sollten lagerbedingte Ursachen identifiziert werden.

Die Servo-Nachführung kann sichtbare Schwingungen reduzieren, sollte aber nicht dazu verwendet werden, ein mechanisches Problem zu verschleiern, das von Gerät zu Gerät variiert. Der systematische Ansatz besteht darin, festzustellen, ob die Abweichung von der Winkelposition, der Lastrichtung, der Temperatur oder dem Montagezustand abhängt. Jedes Muster führt zu einer anderen Folgefrage.

Muster, die eine Überprüfung der Drehlagerung rechtfertigen

• Die Störung wiederholt sich an den gleichen Positionen des Ausgangswinkels.Dieses Muster kann die Überprüfung von Rundlauf, Zustand der Montagefläche, Verhalten im Bereich der Laufbahn, Zahneingriff oder einer externen Störstelle rechtfertigen. Es identifiziert jedoch nicht allein eine Ursache.

• Das Problem ändert sich, wenn die Nutzlast aus der Mitte gerät.Dies legt nahe, dass das Kippmoment, die Stützsteifigkeit, die Gehäuseverformung oder die Lastverteilung überprüft werden sollten.

• Das Problem tritt erst nach der Installation auf und nicht erst bei einer einzelnen Rotationsprüfung.Prüfen Sie die Ebenheit der Montagefläche, den Lagersitz, die Schraubenreihenfolge, die Anzugsgleichmäßigkeit, den Eingriff benachbarter Zahnräder und die strukturelle Verformung.

• Die Achse zögert nach einer kurzen Verweilzeit und bewegt sich dann normal.Prüfen Sie den Zustand des Schmierstoffs, den Dichtungswiderstand, die statische Reibung, das Verhalten der Motorsteuerung und die Lösbarkeit der Haltebremse, falls eine solche verwendet wird.

• Eine Baugruppe benötigt deutlich andere Verstärkungsfaktoren als eine ansonsten vergleichbare Baugruppe.Vergleichen Sie die Verläufe des mechanischen Drehmoments, das Spiel, die Position der Encoder-Rückmeldung und die Strukturresonanzen, bevor Sie Änderungen der Verstärkung als endgültige Lösung akzeptieren.

Bei einer Getriebedrehachse müssen Lager und Antrieb gemeinsam beurteilt werden.DrehkranzDas Lager trägt zur Stützsteifigkeit und zum Rotationswiderstand bei und kann eigene zyklische Übertragungseffekte hervorrufen. Die Betrachtung der einzelnen Komponenten als unabhängig kann zu irreführenden Ergebnissen bei der Prototypenerstellung führen.

Die Materialwahl ist ebenfalls Teil der technischen Diskussion, muss aber den Betriebsbedingungen angepasst sein. LTZC arbeitet mit Werkstoffen wie GCr15, AISI 440C, 20CrMo, 42CrMo, CuSn6, SUJ2 und Ti-6Al-4V für Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen an Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, thermische Eigenschaften oder Gewicht. Daraus lässt sich nicht schließen, dass ein einziger Werkstoff universell für Robotergelenke optimal ist. Vielmehr sollten Werkstoff, Wärmebehandlung, innere Geometrie, Schmierung und Betriebsbedingungen als Gesamtpaket betrachtet werden.

Erstellen Sie einen Prototyp-Validierungsplan, der die tatsächliche Quelle isoliert.

Die Validierung des Prototyps sollte die vorgesehene Aufgabe des Roboters widerspiegeln und nicht nur eine allgemeine Prüfung auf freie Drehung. Eine Halterung, die sich von Hand leicht drehen lässt, kann dennoch ein relevantes Verhalten aufweisen, sobald der endgültige Motor, das Getriebe, die Nutzlast, die Kabelführung und der Regelkreis installiert sind.

1. Definiere die Anforderungen an die Bewegungsqualität.Geben Sie an, ob die Priorität auf der Wiederholgenauigkeit der angelernten Position, der Drehzahlstabilität bei niedrigen Drehzahlen, dem Einschwingverhalten bei Umkehrung, der Bahnglätte oder der Rotation mit konstanter Drehzahl liegt. Jede Anforderung erfordert einen anderen Testbefehl.

2. Definieren Sie die Lastfälle.Berücksichtigen Sie die erwartete Nutzlast, den Schwerpunktversatz, die Werkzeugausrichtung, die Seilkräfte und alle externen Prozesskräfte. Testen Sie die unbelastete Achse nur als Ausgangswert.

3. Messen Sie die gesamte Achse.Erfassung der Sollposition, der Ausgangsposition, des geschätzten Motorstroms oder Drehmoments, der Drehzahlrückmeldung und der Einschwingzeit bei wiederholbaren Befehlen.

4. Führe Richtungs- und Winkelvergleiche durch.Führen Sie die Drehbewegung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn um dieselben Winkel aus. Wiederholen Sie den Vorgang nach den jeweiligen Haltezeiten und nachdem die Baugruppe ihre normale Betriebstemperatur erreicht hat.

5. Vergleichen Sie, wo immer möglich, das Verhalten im isolierten Zustand und im Verbund.Eine vor der Installation überprüfte Drehlagerung kann als Referenz dienen, die endgültige Abnahme sollte jedoch anhand der installierten Baugruppe erfolgen.

6. Vor der Neukonstruktion von Bauteilen sollten die Installationsvariablen geprüft werden.Prüfen Sie die Sauberkeit der Auflagefläche, die Ebenheit, den Sitz, die Reihenfolge des Schraubenanziehens, den Zahneingriff und die Gehäusesteifigkeit.

7. Dokumentenakzeptanzkriterien in der Angebotsanfrage.Bestimmen Sie das Bewegungsprofil, die Nutzlast, die Montagebedingungen, die Messmethode und die Definition für „bestanden/nicht bestanden“. „Gleichmäßige Rotation“ ist kein brauchbares Akzeptanzkriterium.

Diese Methode eignet sich für OEM-Teams vor der Prototypenfreigabe, da sie ein abstraktes Problem in testbare Anforderungen umwandelt. Sie ersetzt jedoch weder die Sicherheitsbewertung auf Systemebene noch die abschließende Maschinenvalidierung. Diese Aufgaben verbleiben beim Geräteentwickler, der den tatsächlichen Betriebszyklus und die Sicherheitsfunktionen des Roboters kennt.

Spezifizieren Sie die Lagerschnittstelle und die Lieferantennachweise unter Berücksichtigung der Anwendung.

Die Lagerzeichnung sollte mehr als nur Außendurchmesser, Lochkreis und Lastrichtung enthalten. Bei bewegungssensitiver Automatisierung sollte die Angebotsanfrage dem Lieferanten die Verwendung der Achse erläutern. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die vorgeschlagene Konfiguration dem tatsächlichen Konstruktionsproblem entspricht.

LTZC bietet kundenspezifische Lagerlösungen, die auf Betriebsbedingungen, bestehenden Konstruktionen und technischen Spezifikationen basieren, einschließlich Anforderungen an Präzisionslager und Lagerbaugruppen mit Sonderausstattung. Dies eignet sich für OEMs, die eine auf eine definierte Roboterstruktur abgestimmte Lagerschnittstelle benötigen, anstatt eine Standardlösung ohne Installationsdaten zu wählen. Die Grenze ist jedoch klar: Kundenspezifische Lösungen sind nur dann sinnvoll, wenn die Angebotsanfrage verlässliche Angaben zu Betrieb und Montage enthält.

Für die Lieferantenqualifizierung sollten neben dem vorgeschlagenen Design auch die dokumentierten Fertigungs- und Supportkapazitäten berücksichtigt werden. LTZC wurde 1992 gegründet und verfügt über eine 20.000 m² große Produktionsstätte mit Zertifizierungen nach ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 und ISO 45001:2018 sowie – laut Unternehmensangaben – nach ISO, CCS und ABS. Es gibt keine Mindestbestellmenge, was insbesondere bei der Beschaffung von Prototypen und Pilotprodukten von Vorteil sein kann. Die angegebene Lieferzeit beträgt 30–90 Tage; die tatsächliche Projektlaufzeit sollte jedoch anhand des konkreten Designs, der Materialauswahl, des Prüfumfangs und der Auftragsbedingungen bestätigt werden.

Lieferbilanzen für Großprodukte belegen nicht die Leistungsfähigkeit eines Präzisionsrobotergelenks und sollten auch nicht zu diesem Zweck verwendet werden. Sie zeigen jedoch relevante Erfahrung mit der Konstruktion von Drehlagern. 2024 lieferte LTZC einen integrierten dreireihigen Rollendrehkranz mit 10,87 Metern Außendurchmesser für eine stationäre Hebeanlage mit 2.000 Tonnen Tragfähigkeit. Das Unternehmen fertigte außerdem ein integriertes Lager mit 8,445 Metern Außendurchmesser für einen Kunden aus der Kranindustrie in Südkorea. Dies sind anspruchsvolle Anwendungen und kein Beleg für die Wiederholgenauigkeit von Roboterachsen. Für einen Automatisierungskunden sind diese Projekte jedoch vor allem deshalb wertvoll, weil sie belegen, dass der Lieferant kundenspezifische Lagerprojekte mit sehr unterschiedlichen Anforderungen realisiert.

Die Installation sollte weiterhin Bestandteil des Beschaffungsumfangs sein. LTZC bietet Installations- und Inbetriebnahmeberatung, Schulungen zur vorbeugenden Wartung, Fehlerdiagnose und technischen Support vor Ort. Antworten auf Qualitätsmängel erfolgen innerhalb von 24 Stunden, der Vor-Ort-Service in China beginnt innerhalb von 48 Stunden. Bei Achsen, bei denen Drehmomentwelligkeit untersucht wird, ist der Zugang zuLagereinbauMithilfe von Leitlinien kann der OEM vermeiden, einen montagebedingten Mangel als einen konstruktionsbedingten Fehler des Lagers zu behandeln.

Unsicherheit als Designsignal nutzen, nicht als Grund, Entscheidungen hinauszuzögern

Die verfügbaren Daten für ein Robotergelenk sind in der Konzeptphase oft unvollständig. Die Nutzlast kann sich ändern, das gewählte Getriebe ist möglicherweise noch nicht endgültig, und die Montagekonstruktion wird unter Umständen noch analysiert. In solchen Fällen ist es nicht ratsam anzunehmen, dass eine höhere Tragfähigkeit die Bewegungsqualität verbessert. Vielmehr gilt es, die Unsicherheiten aufzulisten und zu ermitteln, welche Prototypenmessung jede einzelne Unsicherheit beseitigt.

• Wenn das Problem nur unter Nutzlast auftritt, sollten Sie vorrangig die strukturelle Steifigkeit und die Momentenbelastung prüfen.

• Wenn das Problem auch ohne Nutzlast an denselben Winkelpositionen auftritt, überprüfen Sie die rotierende Baugruppe, den Zahneingriff und die Beziehung der Positionsrückmeldung.

• Wenn das Problem am stärksten in der Nähe der Umkehrung auftritt, testen Sie gleichzeitig das Zahnflankenspiel, die Nachgiebigkeit, die statische Reibung, die Bremsfreigabe und die Totzone des Reglers.

• Wenn das Problem bei verschiedenen Installationen auftritt, überprüfen Sie die Vorbereitung der Montagefläche, den Sitz, das Anziehen der Schrauben und die Gehäuseverformung, bevor Sie die Lagerkonstruktion ändern.

• Wenn das Problem nach einer Servo-Neujustierung verschwindet, aber bei einer Änderung der Nutzlast wieder auftritt, betrachten Sie das Ergebnis der Justierung als vorläufigen Hinweis und nicht als endgültigen Beweis für die Ursache.

Als Bestandteil der gesamten elektromechanischen Achse sollte eine bewegungsempfindliche Drehlagerung ausgewählt werden. Bitte reichen Sie Ihre Zeichnungen und Betriebsbedingungen vor der Prototypenvalidierung bei LTZC ein, um eine Beratung zur Lagerauswahl zu erhalten.