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Drehmomentsensorik

Daniel Schilling,

Getriebeinterne Sensorik

Eine neue Drehmomentsensorik für Cobots und Leichtbauroboter wird in Präzisionswellgetriebe integriert und ermöglicht nach Erfahrungen der Entwickler bei Schaeffler deutlich kürzere Taktzeiten. Das ist gut nachweisbar und ein bedeutender Fortschritt für den breiten Einsatz der Robotik in der Industrieautomation.

Wenn Cobots Prozesse feinfühlig und kraftgesteuert ausführen und das Teaching „smooth“ vonstattengehen soll, kann man kaum auf eine Sensorik zur Ermittlung der äußeren Kräfte verzichten. Für die Messung äußerer Kräfte und Momente sind am Cobot-Markt hauptsächlich Sensormodule verbreitet, das heißt Sensoren, die als eigenständige Komponente für Cobots entwickelt und angeboten werden. Diese erfordern zusätzlichen Bauraum und müssen konstruktiv in den Cobot integriert werden.

Konzept externe Drehmomentsensoren

Bei diesen Sensoren werden die Kräfte und Momente mit Hilfe einer elastischen Struktur, auf der die eigentliche Sensorik (DMS) meist aufgeklebt ist, erfasst. Die konstruktive Auslegung dieser Sensoren ist prinzipbedingt ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung und niedriger Verformung. Für Anwendungen, bei denen der Endeffektor eine Bahnkurve oder Position unter Last exakt einhalten muss, ist die durch den Sensor verursachte Positionsabweichung von großem Nachteil. Konkrete Bauformen sind als 6-Achs-Force-Torque-Sensoren am Endeffektor oder an die Gelenkachsen geflanschte Sensormodule bekannt.

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Der Ansatz der Schaeffler-Entwickler besteht darin, für die Messung der Drehmomente kein zusätzliches elastisches Element, sondern ein vorhandenes Bauteil des Antriebsstrangs im Gelenk zu nutzen. Damit wird keine weitere Elastizität in die Cobotstruktur eingebracht und die Steifigkeit der Cobots bleibt auch mit Sensorik vollständig erhalten. Welche Vorteile bietet nun dieses interne Konzept?

Steifigkeit und Einfluss auf Positionierzeit

Cobots sind aufgrund ihrer schlanken Bauform und folglich ihrer höheren Elastizität im Vergleich zu Industrierobotern deutlich benachteiligt. Bei größeren Beschleunigungen schwingt die schlanke Cobotstruktur spürbar – vor allem beim Positionieren mit maximaler Abbremsung. Was man durch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an kurzer Taktzeit gewinnt, geht durch ein längeres Einschwingen beim Positionieren wieder verloren.

Einen großen Einfluss auf die Eigenfrequenz von Cobots haben folgende Faktoren:

  • die Kippsteifigkeit der Gelenklager beziehungsweise der Getriebehauptlager
  • die Torsionssteifigkeit der Getriebe und
  • die Torsionssteifigkeit der Drehmomentsensoren.

Externes versus internes Drehmomentsensor-Konzept

Bei externen Drehmomentsensoren kann durch die zusätzlich eingebrachte Elastizität die Torsionssteifigkeit eines Gelenks auf 25 % bis 60 % des ursprünglichen Wertes sinken. Bei dem von Schaeffler entwickelten Konzept bleibt die Torsionssteifigkeit des Gelenks zu 100 % erhalten. Den Einfluss der Torsionssteifigkeit von Drehmomentsensoren auf das dynamische Verhalten von Cobots soll ein Vergleich dieser beiden Konzepte in einem Worst-Case-Szenario verdeutlichen. Als Vergleichsbasis dient das Präzisionswellgetriebe RT1 von Schaeffler einmal mit integrierter Sensorik und einmal mit externem Sensormodul. Dabei beschleunigt der Motor jeweils ein Massenträgheitsmoment von 7,6 kgm2 aus null heraus und bremst den Antrieb wieder bis zum Stillstand.

Der Antrieb mit externem Sensormodul (Diagramm 1) zeigt deutlich ein instabiles Verhalten mit sehr großen Beschleunigungsspitzen. Um das dynamische Verhalten zu verbessern, wurden in einer zweiten Simulation die Regelparameter angepasst. So konnten die Beschleunigungsspitzen reduziert werden, allerdings zu Lasten der Positionierzeit. Diese steigt auf 1,2979 s (Diagramm 2). Diagramm 3 zeigt das dynamische Verhalten des RT1-T-Getriebes mit integriertem Drehmomentsensor. Die Positionierzeit beträgt nur 0,99241 s und ist damit um 0,3 s kürzer. Auch ohne Anpassung der Regelparameter klingen die Schwingungen hier schnell ab.

Diese Simulation wurde für die Drehachse eines einzigen Gelenks durchgeführt. Selbstverständlich sind die Verhältnisse bei sechs Gelenken mit ihren veränderlichen räumlichen Lagen eines Cobots wesentlich komplexer und die Auswirkungen sehr viel größer. Das vereinfachende Beispiel verdeutlicht jedoch den positiven Einfluss von Drehmomentsensoren auf die Positionierzeit, wenn diese die Torsionssteifigkeit des Gelenks nicht reduzieren.

Eigenschaften der internen Drehmomentsensoren

In der Entwicklung, Applikation und Serienproduktion integrierter Drehmomentsensoren verfügt Schaeffler über jahrelange Erfahrung. Die als Sensotect bekannte Sensortechnologie findet beispielsweise in der Windenergie und in der Automobilindustrie erfolgreich Anwendung. Die Funktionalität wird durch eine Submikrometer dünne, dehnungsempfindliche PVD-Metallbeschichtung realisiert, die durch Mikrobearbeitung strukturiert wird. Das Bauteil selbst wird zum Sensor und der Sensor wird zum Bauteil. Für die Anwendung in der Robotik wurde die Flexspline des Präzisionswellgetriebes genutzt, da sie direkt im Kraftfluss liegt. Zusätzlicher Bauraum wird nicht benötigt. Klebstoffe und Transferpolymere sind nicht erforderlich. Herausragend sind auch eine sehr geringe Hysterese- und Linearitätsabweichung, auch aufgrund fehlender Störfaktoren. Ebenso werden kleinste Kraft- und Drehmomentänderungen zuverlässig erfasst, was das „smooth Direct-Teach-in“, die Bedienung und die Selbstoptimierung von Cobots wesentlich vereinfacht.

Das Sensorelement bietet eine Genauigkeit von <0,5 % (Fullscale), was im Vergleich zu Sensormodulen am Cobot-Markt ein hervorragender Wert ist. Da die Sensorik fest im RT1-Präzisionswellgetriebe integriert ist, addieren sich weitere Einflüsse wie die mechanische Hysterese und Temperatur, die schließlich zu einer Systemgenauigkeit „Sensor+Getriebe“ von <1,5 % (Fullscale des wiederholbaren Peak torque des Präzisionswellgetriebes) führen. Diese Unterscheidung gilt es bei einem Vergleich mit externen Drehmomentsensoren am Markt, die ja als Einheit funktionsfähig sind, zu beachten.

Kurze Positionierzeiten beziehungsweise kurze Taktzeiten machen eine besonders steife Cobotstruktur erforderlich. Die von Schaeffler in die Präzisionswellgetriebe integrierten Drehmomentsensoren beeinflussen die mechanische Struktur von Cobots nicht – die Torsionssteifigkeit der Drehachsen bleibt im Vergleich zu externen Sensoren vollständig erhalten.

Als weiteren Baustein der Gesamtlösung entwickelte Schaeffler für die Präzisionswellgetriebe-Baureihen RT das zweireihige Schrägnadellager XZU. Es erhöht die Steifigkeit der Cobotstruktur quer zu den Drehachsen. Werden XZU-Lager anstatt der üblichen Kreuzrollenlager in jedem Gelenk eines Cobot vorgesehen, kann eine Reduzierung der Positionierzeit um bis zu 50 % erreicht werden. Mit RT1-T-Präzisionswellgetrieben lässt sich das Geschwindigkeits- respektive Beschleunigungsniveau von Cobots anheben, ohne lange Einschwingzeiten und große Amplituden in Kauf nehmen zu müssen. Schaeffler eröffnet damit der Branche einen Weg für den wirtschaftlichen, autarken Einsatz von Cobots in dynamischen Anwendungen.

Nicolai Hämmerle, Head of Strategic Business Field Robotics, Schaeffler

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