Drehmoment messen mit getriebeinterner Sensorik
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Schaeffler präsentiert zur Automatica Sensoren für Cobots, die in Präzisions-Wellgetriebe integriert sind. Mit diesem Konzept zum Drehmoment messen sind kürzere Taktzeiten in der Robotik möglich. Methoden wie diese ermöglichen einen bedeutenden Fortschritt für den breiten Einsatz der kollaborierenden Roboter in der Industrie-Automation.
Inhalt
- Drehmomentmessung extern und intern
- Steifigkeit und Einfluss auf die Positionierzeit
- Externer versus interner Drehmomentsensor
- Fazit der neuen Drehmomentmessung
Drehmomentmessung extern und intern
Sollen Cobots feinfühlig und kraftgesteuert arbeiten und auch das Teaching geschmeidig erfolgen, benötigt man eine Sensorik, um Messdaten von den äußeren Kräfte zu erhalten. Für die Messungen von äußeren Kräften und Momenten werden in Cobots meist Drehmomentsensor-Module eingesetzt. Das sind Sensoren, die als eigenständige Komponente für die kollaborative Robotik entwickelt wurden. Sie benötigen nicht nur zusätzlichen Bauraum, sondern müssen zudem konstruktiv in den Cobot integriert werden.
Externe Drehmomentsensoren
Bei diesen Sensoren werden die Kräfte und Momente mit Hilfe der Dehnmessstreifen Technologie (DMS) ermittelt. Bei den DMS Sensoren ist die Sensorik meist auf einer elastischen Struktur aufgeklebt. Die konstruktive Auslegung solcher Sensoren ist ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung und niedriger Verformung. In Anwendungen, in denen der Endeffektor eine Bahnkurve oder Position unter Last exakt einzuhalten hat, ist die durch den Sensor verursachte Positionsabweichung nachteilhaft. Konkrete Bauformen sind 6-Achs-Force-Torque-Sensoren am Endeffektor oder an Gelenkachsen geflanschte Sensormodule.
Neues Konzept: interne Drehmomentsensoren
Das raffinierte Konzept der Schaeffler-Ingenieure besteht darin, dass sie für die Messung des Drehmoments statt auf ein zusätzliches elastisches Element, auf ein vorhandenes Bauteil vom Antriebsstrang zugreifen. Dadurch wird keine weitere Elastizität in die Cobot-Struktur gebracht. Deren Steifigkeit bleibt mit Sensorik komplett erhalten. Welche Vorteile bietet nun dieses interne Konzept?
Steifigkeit und Einfluss auf die Positionierzeit
Cobots haben aufgrund ihrer schlanken Bauform und der damit einhergehenden höheren Elastizität im Vergleich zu Industrierobotern einen großen Nachteil: Bei höheren Beschleunigungen geraten sie spürbar in Schwingung durch ihre schlanke Struktur – insbesondere wenn beim Positionieren maximal abgebremst wird. Dann löst sich durch das längere Einschwingen wieder in Luft auf, was durch hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung an Taktzeit gewonnen wurde.
Diese Faktoren beeinflussen die Eigenfrequenz von Cobots stark:
- Kippsteifigkeit von Gelenklager bzw. Getriebe-Hauptlager
- Torsionssteifigkeit der Getriebe und Torsionssteifigkeit der Drehmomentsensoren
Externer versus interner Drehmomentsensor
Während bei externen Drehmomentsensoren die Torsionssteifigkeit eines Gelenks auf 25 % bis 60 % durch die zusätzlich eingebrachte Elastizität sinkt, bleibt diese bei dem von Schaeffler entwickelten Konzept zur Messung des Drehmoments vollständig erhalten.
Vergleichsbasis Präzisions-Wellgetriebe
Den Einfluss der Torsionssteifigkeit eines Drehmomentsensors auf das dynamische Verhalten von Cobots soll ein Vergleich beider Konzepte in einem Worst-Case-Szenario verdeutlichen. Als Vergleichsbasis dient das herstellereigene Präzisionswellgetriebe RT1 zum einen mit integrierter Sensorik und zum anderen mit externem Sensormodul. Der Motor beschleunigt jeweils ein Massenträgheitsmoment von 7,6 kgm2 aus Null heraus. Dann bremst er wieder bis zum Stillstand.
Anpassung der Regelparameter
Der Antrieb mit externem Drehmomentsensor (Diagramm 1) zeigt deutlich ein instabiles Verhalten mit sehr hohen Beschleunigungsspitzen. Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens haben die Versuchsingenieure in einer zweiten Simulation die Regelparameter angepasst. Damit konnten sie die Beschleunigungsspitzen reduzieren. Allerdings ging das zu Lasten der Positionierzeit, welche auf 1,2979 s (Diagramm 2) anstieg. Das dritte Diagramm zeigt das dynamische Verhalten vom RT1-T-Getriebe mit integriertem Drehmomentsensor. Die Positionierzeit beträgt nur 0,99241 s und ist damit um 0,3 s kürzer. Selbst ohne Anpassung der Regelparameter klingen hier die Schwingungen schnell ab.
Die Simulation erfolgte für die Drehachse eines Gelenks. Bei sechs Gelenken mit den veränderlichen räumlichen Lagen eines Cobots sind die Verhältnisse wesentlich komplexer und die Auswirkungen sehr viel größer. Das vereinfachte Beispiel verdeutlicht aber bereits den positiven Einfluss von torsionssteifen Drehmomentsensoren auf die Positionierzeit.
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 diese 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, also die Bedienung und die Selbstoptimierung von Cobots wesentlich vereinfacht.
Drehmoment-Messwelle ermittelt simultan vier Messgrößen
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 Präzisionswellgetriebe) führen. Diese Unterscheidung gilt es bei einem Vergleich mit externen Drehmomentsensoren am Markt, die ja als Einheit funktionsfähig sind, zu beachten.
Fazit der neuen Drehmomentmessung
Die in die Wellgetriebe eingebauten Drehmomentsensoren beeinflussen die mechanische Struktur von Cobots nicht. Ihre Torsionssteifigkeit in den Drehachsen bleibt im Vergleich zu externen Sensoren zu 100 % erhalten.
Als weiteren Baustein hat Schaeffler zudem das zweireihige Schrägnadellager XZU für die RT Wellgetriebe entwickelt. Dieses erhöht die Steifigkeit der Cobot-Struktur quer zu den Drehachsen. Mit der Verwendung der XZU-Lager statt der üblichen Kreuzrollenlager in den Cobot-Gelenken kann die Positionierzeit um bis zu 50 % reduziert werden.
Mit den RT1-T-Präzisions-Wellgetrieben lässt sich die Leistung in Form von Geschwindigkeit und Beschleunigung von Cobots anheben, ohne dass man lange Einschwingzeiten und große Amplituden in Kauf nehmen muss. Schaeffler eröffnet damit der Branche einen Weg für den wirtschaftlichen Einsatz von Cobots für einen autarken Einsatz in dynamischen Anwendungen.
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