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„Polyphem“ der Zykloid – und das Getriebe im Roboterarm

Was hat die griechische Odyssee mit moderner Getriebetechnologie zu tun? Sirenen, Zykloiden und Roboterarme? Der Versuch einer Verbindung von Felix Lang.

Die Sage

Odysseus segelt mit seinem Schiff durch die antike, griechische Welt und strandet auf einer Insel. Dort trifft er auf Polyphem den Zykloiden, der ihn und seine Mannschaft gefangen nimmt. Nachdem er einige der Mitfahrer von Odysseus verspeist hat, wird Polyphem von ebendiesem geblendet. Daraufhin gelingt Odysseus die Flucht. Erste -akustische- Erfahrungen mit Getrieben sind auch schon gesammelt worden. Es kann schließlich jedem passieren, dass vergessen wird die Kupplung zu treten, während mit Steinmetzkraft der erste Gang herbeigezwungen wird. Das Getriebe im Roboterarm ist ohnehin obsolet. Getriebe werden in Autos verbaut und Roboterarme von Elektromotoren bewegt. Ein bisschen Halbwissen und das Leben könnte so einfach sein.

Die Realität

Tatsache ist jedoch, dass das Leben in der Realität ganz anders ist. Polyphem soll ein Zyklop gewesen sein, Roboterarme werden nicht ausschließlich von Elektromotoren bewegt. Diese sind zwar die bewegende Komponente, werden aber mit Getrieben unterstützt. Roboterarme müssen sich oft mit hohen Geschwindigkeiten bewegen, müssen aber gleichzeitig beim Anhalten an vorher genau festgelegten Punkten stehen bleiben. Sie dürfen nicht nachschwingen oder die Position aufgrund von Spiel im Antrieb nachträglich verändern. Für diesen konkreten Anwendungsfall werden häufig Zykloidgetriebe verwendet. Diese Getriebeart zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, was auch für den Roboterbau vorteilhaft ist. Durch die kleine Bauform bewegt sich auch das Gewicht des Aggregats in relativ niedrigen Dimensionen. Neben der hohen Belastbarkeit im Betrieb sind diese Getriebe auch gegenüber Drehmomentspitzen  sehr tolerant. Sie können im Schockfall, also beispielsweise falls der Roboterarm aufgrund einer Gefahrensituation unvermittelt und sofort stehen bleiben muss, sogar ein Vielfaches ihrer Nennmomente aufnehmen.

Im Titelbild ist das Zykloidgetriebe in der „Ausgangslage.“ Die Blauen Punkte der grünen Kurvenscheibe und des weißen Bolzenrings liegen aufeinander. Hier im Bild: wurde das Getriebe um 180° weitergedreht. Erkennbar ist, der blaue Punkt auf der Kurvenscheibe ist in den Zwischenraum von zwei Bolzen gewandert.

Zykloidgetriebe ähneln Planetengertieben

Im Aufbau und im Aussehen ähneln Zykloidgetriebe den Planetengetrieben. Besonders bei zweistufigen Zykloidgetrieben fallen Ähnlichkeiten auf. Zykloidgetriebe können jedoch, im Gegensatz zu Planetengetriebe, auf Zahnräder verzichten. Stattdessen werden in Zykloidgetrieben Kurvenscheiben verbaut. Die Funktion dieser Getriebe ist allerdings nicht ganz leicht nachvollziehbar. Der Antrieb, häufig ein Elektromotor, ist über ein Ritzel mit den Planetenrädern des Getriebes verbunden. Bei Planetenradsätzen ist das Abtriebszahnrad des Motors mittig angeordnet und drei Stirnräder sind im Dreieck darum montiert. Hier wird die Drehgeschwindigkeit das erste Mal untersetzt. Die Planetenräder sind wiederrum auf Exzenterwellen montiert. Über Nadellager, plump gesagt sehr harte Stahlstifte, werden dann die Kurvenscheiben angetrieben. Diese beginnen im Gehäuse des Getriebes zu Rotieren. Das Aussehen der Kurvenscheiben ist mit dem von verschlissenen Stirnrädern vergleichbar.

Der Experte: Rado Ries, Sales Engineer bei Nabtesco Precision Europe GmbH. Foto: Felix Lang

Die Ränder der Kurvenscheiben sind mehr gewellt, als gezackt. Das Gehäuse ist auf der Innenseite mit Bolzen versehen, in die „Zähne“ der Kurvenscheiben eingreifen können. Im Gehäuse ist allerdings ein Bolzen mehr, als die Kurvenscheibe Zähne hat. Während der Bewegung haben stets alle Bolzen des Gehäuses Kontakt zur Kurvenscheibe. Zwar haben einige Bolzen größere Berührungsflächen als andere, aber in Hinblick auf die Kraftaufnahme ist jeder noch so kleine Berührpunkt ein Gewinn an Standfestigkeit. Eine 360° Umdrehung der Exzenterwellen hat zur Folge, dass sich die Kurvenscheibe um einen Zahn im Gehäuse weiterbewegt. Die Folge ist, die Drehgeschwindigkeit sinkt maßgeblich. Die Präzision des Antriebs steigt jedoch, da die langsame Abtriebsgeschwindigkeit des Getriebes weit besser zu handhaben ist, als die hohe Drehzahl des Motors.

Hohe Nachfrage

Zykloidgetriebe können mehrstufig gebaut werden. Rado Ries, Sales Engineer bei Nabtesco Precision Europe GmbH, erzählt, fast alle Zykloidgetriebe des Unternehmens seien mit doppelten Kurvenscheiben ausgestattet. Diese erhöhen die Kräfte, die das Getriebe aufnehmen kann, da sich die Auflagefläche erhöht. Er ergänzt, die vorgelegte Planetenrad-/Ritzelkombination ihrer Getriebe ließe sich individuell anpassen und modular austauschen. Durch eine Vorspannung des Getriebes, sei auch das Spiel im selbigen auf das technisch mögliche Minimum reduziert. Der Aufwand der hinter einem solchen Getriebe liegt, ist immens. Derzeit ist die Nachfrage nach Zykloidgetrieben hoch wie nie. In Zeiten der Industrieautomatisierung, in der selbstverständlich auch Roboter gefragt sind, wird in den meisten Fällen nur von Softwarelösungen und Schnittstellen gesprochen. Nur selten drehen sich die Gespräche in dem Zusammenhang um klassische Maschinenbauelemente wie Getriebe. Obwohl sie die Bewegungen der Automatisierung erst ermöglichen.

Nach weiteren 180°, also einer kompletten Umdrehung, befinden sich die Exzenterwellen wieder in der Ausgangslage. Der blaue Punkt auf der grünen Kurvenscheibe steht Spitze auf Spitze mit dem nächsten Bolzen.