Drehantriebe für die automatisierte Montage

Jun 04, 2023

Automobilhersteller nutzen SBZ-Schwenkbacken zum Heben, Transportieren, Drehen und Ablegen großer Bauteile. Die Backen verfügen über ein doppeltes Zahnstangen-Ritzel-Drehgetriebe, das an jedem Greiferfinger montiert ist. Foto mit freundlicher Genehmigung der Zimmer Group US Inc.

Dieses Bild zeigt eine Kombination aus Dreh-, Greifer- und Linearschlitten, die das Laden und Entladen von Teilen durchführt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Destaco, einer Dover Co.

Pneumatische Rotationsmaschinen mit einer Konstruktion aus zwei Zahnstangen und Ritzeln erzeugen ein viel höheres Drehmoment als Einheiten mit einer einzelnen Zahnstange und Ritzel. Foto mit freundlicher Genehmigung von Festo Corp.

Der flache pneumatische RCC-Drehmechanismus wird von einem Stahlkabel in Flugzeugqualität angetrieben und dreht sich um 90 und 180 Grad. Foto mit freundlicher Genehmigung von PHD Inc.

GFS-Schwenkfinger sind in der Lage, Werkstücke zu wenden, die von einem Greifer gehalten werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von SCHUNK Inc.

Von außen betrachtet scheint ein Roboter ein unabhängiges Wesen zu sein, das ganz allein viele großartige Dinge tun kann. In Wirklichkeit sind es jedoch die interne Technologie und die End-of-Arm-Werkzeuge, die es dem Roboter ermöglichen, viele Arten von Montagen effektiv durchzuführen.

Eine der wichtigsten internen Komponenten des Roboters ist der Drehantrieb oder Drehantrieb. Sein kompaktes und dennoch robustes Design ermöglicht es Ingenieuren, es an die Gelenke oder Muskeln eines Roboters anzupassen und so ein hohes Maß an mechanischer Steifigkeit und Drehmoment bereitzustellen. Der Drehantrieb kann auch separat oder mit anderen Geräten in Anwendungen verwendet werden, in denen ein Mehrachsenroboter zu teuer oder zu groß, nicht schnell genug oder nicht notwendig ist.

„Stellen Sie sich die Situation vor, in der ein Hersteller eine Pick-and-Place-Einheit benötigt, um Teile während der Montage schnell in eine Maschine hinein und aus dieser heraus zu bewegen“, erklärt Thomas Reek, Vizepräsident Vertrieb für Automatisierungskomponenten bei SCHUNK Inc. „Durch die Integration einer Rotationseinheit mit Mit den Doppelgreifern können sie abwechselnd Rohteile einlegen und Fertigteile aus der Maschine entnehmen oder gleichzeitig Teile greifen, umorientieren und für weitere Montagearbeiten bereitstellen, ohne sie loslassen zu müssen.“

Laut Reek ermöglicht der Einsatz einer Dreheinheit einem Pick-and-Place-Roboter oder einem Roboter, seine Aufgabe schneller zu erledigen, indem er Werkstücke in einer einzigen Fahrt platziert und entnimmt. Dies kann Gesamtzyklen verkürzen und verhindern, dass Prozesse stillstehen.

„Rotationsantriebe arbeiten in einer Bewegungsebene, und normalerweise ist das alles, was Sie brauchen, um eine Art automatisierte Montage effektiv durchzuführen“, bemerkt Costas Charalambous, Vertriebsleiter für die Region Ost bei Zimmer Group US Inc. „Ein mehrachsiger Roboter ist hier oft übertrieben Anwendungen.“

Im Gegensatz dazu beruht die Rotationsmaschine auf einer einfachen mechanischen Aktion, um so unterschiedliche Funktionen wie das Zuführen und Ausrichten von Teilen, das Betreiben von Rutschen oder das Führen von Paletten auf einem Förderband zuverlässig auszuführen. Diese Vielseitigkeit kommt den Herstellern seit den 1950er Jahren zugute, als Kreiselrotoren entweder hydraulisch oder pneumatisch angetrieben wurden. Heutzutage bieten Ausrüstungslieferanten auch elektrische Drehantriebe sowie das erforderliche Fachwissen an, um Ingenieuren dabei zu helfen, für jede Aufgabe den richtigen Antrieb zu spezifizieren.

Pneumatische Drehantriebe sind nach wie vor am beliebtesten für die automatisierte Montage, während hydraulische Drehantriebe aufgrund der wachsenden Umweltbedenken der Hersteller und ihres Wunsches nach geringerem Wartungsaufwand nur selten eingesetzt werden. Elektrische Rotationsmaschinen sind die Neulinge auf dem Markt, werden aber langsam und stetig immer häufiger eingesetzt.

Sowohl pneumatische als auch hydraulische Drehantriebe sind in Einzel- oder Doppelzahnstangen-Ritzel-, Flügelrad- (Halbdreh-) und Schrägverzahnungsausführung erhältlich. Empfohlen für präzise und schwere Anwendungen. Ein Zahnstangen-Drehantrieb wandelt die lineare Bewegung eines Zylinders in eine Drehbewegung um.

Die Zahnstange ist ein gerader Satz Zahnradzähne, der am Kolben des Zylinders befestigt ist. Während sich der Kolben bewegt, wird die Zahnstange linear gedrückt und ihre Zähne kämmen mit den kreisförmigen Zähnen des Ritzels, wodurch es sich dreht. Das Ritzel dreht sich in seine ursprüngliche Position zurück, wenn der gegenüberliegenden Seite des Zylinders Luft- oder Flüssigkeitsdruck zugeführt wird. Seine maximale Drehung ist nur durch seine Größe begrenzt.

Zimmer Group US Inc. bietet die SBZ-Serie von Schwenkbacken an, bei denen an jedem Greiferfinger ein doppeltes Zahnstangengetriebe montiert ist. Charalambous sagt, dass Hersteller in den Bereichen Automobil, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte und Konsumgüter die Backen seit mehreren Jahren zum Heben, Transportieren, Drehen und Ablegen kleiner, mittlerer und großer Teile verwenden. Es stehen fünf Backengrößen mit einem Drehmoment pro Backe von 1,2, 3,5, 10, 23 oder 57 Newtonmetern zur Verfügung. Der Schwenkwinkel beträgt 90 und 180 Grad. Die Backen sind für 10 Millionen wartungsfreie Zyklen ausgelegt.

Flügelradantriebe verwenden einen einfachen Luftmotor oder mit Flüssigkeit gefüllte Kammern, um einen Flügel anzutreiben, der an einer rotierenden Antriebswelle befestigt ist. Wenn ein erheblicher Druck auf die Kammer ausgeübt wird, dehnt sie sich aus und bewegt die Schaufel in einem Bogen von bis zu 280 Grad, bis sie auf eine stationäre Barriere trifft. Die Drehrichtungsumkehr erfolgt durch Umkehr des Luft- oder Flüssigkeitsdrucks an den Einlass- und Auslassöffnungen. Dieser Aktuatortyp wird manchmal als halbdrehend bezeichnet, da er eine Drehung von weniger als 360 Grad erzeugt.

Ein Doppelflügelantrieb hat diametral gegenüberliegende Flügel und Barrieren. Obwohl diese Konstruktion im gleichen Raum das doppelte Drehmoment bietet wie ein Einzelflügelantrieb, ist die Drehung im Allgemeinen auf 100 Grad begrenzt.

Die pneumatischen Flügelzellenantriebe der DRVS-Serie von Festo Corp. lassen sich schnell und einfach installieren und bieten aufgrund ihres abgedichteten Gehäuses, das die Buchsen vor Staub und Schmutz schützt, eine lange Lebensdauer. Standardschwenkwinkel sind 90, 180 und 270 Grad. Mit einem Anschlagwinkel-Zubehör sind individuelle Schwenkwinkel möglich. Bei 6 bar Druck liefern die sieben verschiedenen Modelle einen Drehmomentbereich von 0,15 bis 20 Newtonmeter.

Der spiralförmige (oder gleitende) Spline-Rotary besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, einer Welle und einer Kolbenhülse. Wie der Zahnstangen-Ritzel-Aktuator basiert auch der Spiralantrieb auf dem Antriebskonzept mit Keilverzahnung, um eine lineare Kolbenbewegung in eine Wellendrehung umzuwandeln.

Auf der Welle eingearbeitete schrägverzahnte Zähne greifen in ein passendes Paar Keilverzahnungen am Innendurchmesser des Kolbens ein. Wenn der Anschluss auf der linken Seite des Kolbens mit pneumatischem oder hydraulischem Druck beaufschlagt wird, dreht er sich im Uhrzeigersinn. Diese Aktion wiederum zwingt die Welle, sich ebenfalls im Uhrzeigersinn zu drehen. Durch Anlegen von Druck an den alternativen Anschluss wird die Kolbenhülse in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückgebracht und die Welle gegen den Uhrzeigersinn gedreht.

Bei der Doppelhelix ist die Drehung der Welle wesentlich stärker als die der Kolbenhülse. Beispielsweise ist die Wellendrehung bei 30-Grad-Helix-Designs fast doppelt so hoch und bei 45-Grad-Designs sogar noch größer.

Eine andere Art von pneumatischem Drehantrieb ist einer, der über ein Kabel angetrieben wird, wie etwa das von PHD Inc. angebotene RCC-Modell. Carey Webster, leitender Segmentmanager bei PHD, sagt, dass ein Stahlkabel in Flugzeugqualität verwendet wird, um die Einheit in zwei Standarddrehungen anzutreiben ( 90 und 180 Grad). Der Aktuator hat ein niedriges Profil für beengte Platzverhältnisse, erzeugt jedoch für seine Größe hohe axiale Schubkräfte. Zu den typischen Anwendungen gehören die Drehung leichter Teile, die Elektronikmontage und die Etikettierung.

Ein elektrischer Drehgeber erzeugt entweder eine kontinuierliche Drehung oder eine Bewegung in eine feste Winkelposition. Es verfügt über einen Motor (Schrittmotor, Servo oder Drehmoment), einen Drehzahlminderer und eine rotierende Abtriebswelle. Bei Schritt- und Servo-basierten Einheiten ermittelt ein Positionsencoder die Winkelposition der Abtriebswelle. Der Torquemotor erzeugt und übt ein präzises Drehmoment aus, das die Drehung des Aktuators bewirkt. Allerdings dreht sich der Motor selbst nicht wirklich.

„Die Konstruktion mit zwei Zahnstangen und Ritzeln erzeugt viel mehr Drehmoment als die Einzelausführung und das ohne Spiel“, sagt Charalambous. „Es ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen dem Versuch, einen Stock mit einer Hand oder mit beiden Händen zu reiben. Deine Hände sind die Zahnstangen und der Stock ist das Triebwerk.“

Die pneumatischen Optimax ORQ-Rotoren von PHD verfügen über ein duales Zahnstangen-Ritzel-System und Gewindedurchgangslöcher im Gehäuse für eine einfache Montage. Die Rotoren sind in sechs Bohrungsgrößen (12, 16, 20, 25, 32 und 40 Millimeter) erhältlich und verfügen über ein Hohlritzel, das den Durchgang von der Rückseite der Einheit zur Abtriebsnabe ermöglicht. Der Drehwinkel ist durch Anziehen oder Lösen der Einstellschrauben einstellbar (bis zu 190 Grad). Stoßdämpferpolster sind Standard. Die Geräte haben eine Mindestlebensdauer von 3 Millionen Zyklen.

Ein Flügelrotor ist kompakter und kostengünstiger als ein Zahnstangenantrieb und erfordert in der Regel weniger Wartung, da weniger Teile und weniger kritische Passungen erforderlich sind. Der Drehschieber hat einen mechanischen Wirkungsgrad von 80 bis 95 Prozent und wird häufig zum Verschieben einer Schurre oder zum Betätigen eines Ventils verwendet.

Der Nachteil besteht darin, dass Flügeldrehbewegungen vergleichsweise mehr Spiel erzeugen, Flügelecken schwer abzudichten sind, Leckagen im internen Bypass häufig auftreten und die Positionshaltung ohne externe Steuerung eingeschränkt sein kann.

Schrägverzahnte Rotoren bieten ein hohes Drehmoment bei kompakter Größe sowie ein konstantes Drehmoment über den gesamten Drehwinkel ohne interne Leckage. Darüber hinaus sind alle Getriebe, beweglichen Teile und Lager in Hydraulikaggregaten ständig in Öl gebadet und somit nahezu wartungsfrei.

Elektrische Modelle zeichnen sich durch präzise Programmierbarkeit, uneingeschränkte Rotation, Kontrolle über den gesamten Bewegungsbereich und eine einfache Einrichtung aus. Allerdings sind sie schwerer, teurer und erzeugen ein geringeres Drehmoment als vergleichbare pneumatische Modelle, sofern kein Untersetzungsgetriebe verwendet wird. Diese Nachteile müssen von Herstellern übersehen werden, die elektrische Rotationsmaschinen verwenden müssen, weil ihren Anlagen die Infrastruktur für pneumatischen Antrieb fehlt. Typische Anwendungen für elektrische Kreisel sind die Robotik und die Rutschensteuerung.

„Bei der Spezifikation eines Rotors ist es sehr wichtig, dass Sie das Rotationsmassenträgheitsmoment (MMOI) genau dimensionieren und die Rotationsgeschwindigkeit schätzen“, bemerkt Webster, ein ehemaliger Anwendungsingenieur bei PHD. „Während der Rotationskurse, die ich unterrichte, können beispielsweise neun von zehn anwesenden Ingenieuren die Rotationseinheit hinsichtlich des Drehmoments genau dimensionieren, sie jedoch hinsichtlich der kinetischen Energie zu klein dimensionieren.“

Ebenso wichtig ist die Nutzlast und ihre Lage im Verhältnis zur Rotationsachse. Obwohl Rotationsmaschinen mit Hunderten von Zyklen pro Minute arbeiten, begrenzt der Drehimpuls der meisten Lasten die nutzbare Geschwindigkeit. Beispielsweise unterscheiden sich die Kräfte, die auf einen horizontalen Drehtisch mit einer 1-Pfund-Last in der Mitte wirken, von denen auf einen vertikalen Drehtisch, bei dem die gleiche Last 10 Zoll an einer Seite hängt.

„Viele Endanwender berücksichtigen bei der Spezifikation eines Rotationsgeräts nicht den Einfluss der Schwerkraft auf die Teilerotation“, sagt Gary Labadie, Produktdirektor für Greifer und Indexierer bei Destaco, einem Unternehmen aus Dover. „Es gibt einen großen Unterschied beim Massenmoment Trägheit, die erforderlich ist, um ein Teil im Uhrzeigersinn von der 9. auf die 12. Position und von der 12. auf die 3. Position zu drehen. Ersteres kämpft gegen die Schwerkraft, letzteres profitiert jedoch von der Schwerkraft, insbesondere wenn es um eine große Nutzlast geht.“ Weitere Schlüsselfaktoren sind der Betriebsluftdruck, die Zykluszeit, die erforderliche Präzision und die verfügbare Stellfläche.

Die mittelschweren Kreiselrotoren RR-36 und 46 von Destaco verfügen über einen Flanschausgang und ein niedriges Profil für Anwendungen auf engstem Raum. Laut Labadie ist der rotierende Teil jeder Einheit etwa so groß wie ein Hockey-Puck (3 Zoll breit). Die Modellnummer bezieht sich auf die Bohrungsgröße in Millimetern.

Beide Einheiten drehen sich um 45, 90, 135 oder 180 Grad. Ein Mid-Stop-Krümmer ist optional. Der RR-36 kann eine Nutzlast von 8 Pfund bewältigen; Das Modell 46 kann eine Last von 15 Pfund tragen. Beide können ohne Lagerbock direkt mit dem Plattenspieler verbunden werden. Laut Labadie verwenden OEMs diese Drehschalter bei der Montage von Leistungsschaltern sowie kleinen Automobil- und Verbraucherprodukten.

Zum Drehen von Werkstücken, die von einem Greifer gehalten werden, stellt SCHUNK den pneumatischen Schwenkfinger GFS her. Zur Standardausstattung gehören ein einzelner Zahnstangenantrieb und ein Druckhalteventil, das es dem GFS ermöglicht, seine Position auch bei Druckausfall zu halten. Standard-Schwenkwinkel sind 90 und 180 Grad, andere Winkel sind auf Anfrage erhältlich. Es stehen mehrere Serien zur Verfügung (16, 25, 32, 40), die es Herstellern ermöglichen, Teile unterschiedlicher Größe zu greifen, von großen Motorblöcken bis hin zu winzigen Leiterplatten.

Mike Guelker, Produktmanager für pneumatische Aktuatoren bei Festo, empfiehlt Endbenutzern, sich mit mehreren Schlüsselfragen zu befassen, um den Drehantrieb richtig zu spezifizieren. Die ersten beiden sind: Welcher Drehwinkel und welche Drehzeit sind für die Anwendung erforderlich? Als nächstes muss das Drehmomentniveau berücksichtigt werden, gefolgt von der Masse des Teils (anstelle des Gewichts), seiner Position relativ zur Antriebswelle und dem MMOI des Teils.

Festo verfügt über Online-Software, die Ingenieuren hilft, den Spezifikationsprozess zu beschleunigen. Ein Benutzer gibt Zahlen für Parameter wie Drehmoment, Trägheit und Teilemasse ein, bevor er auf die Schaltfläche „Simulieren“ klickt. Anschließend erstellt die Software eine Liste der empfohlenen pneumatischen Zahnstangen- und Flügelrotationsgetriebe von Festo.

Schließlich erhöhen viele Ingenieure das erforderliche Drehmoment um 40 Prozent, um Lastschwankungen, Druckschwankungen und Reibung Rechnung zu tragen. Webster und PHD schlagen jedoch einen Sicherheitsfaktor von 2 zu 1 für das Drehmoment vor. Er sagt, es sei auch eine gute Idee, immer eine Art Verzögerungsschutz in den Aktuator einzubauen, um seine kinetische Energiekapazität zu erhöhen und ihn vor Schäden zu schützen. Stoßpolster bieten nur minimalen Schutz, wobei pneumatische Luftkissen etwas besser sind und Stoßdämpfer den größten Schutz bieten.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.