Een nieuw koppelsensorsysteem voor cobots – geïntegreerd in een precisie “strain wave” tandwielkast – verbetert de prestaties van cobots en lichtgewicht robots en verkort de cyclustijden. Dit betekent volgens Ralf Moseberg, hoofd van de Business Unit Industrial Automation bij Schaeffler, een grote stimulans voor een breder gebruik van robots in de industriële automatisering.
Het unieke van “strain wave” tandwielkasten is het gebruik van een elastisch element, de flex spline, een flexibele ring met buitenvertanding. In de vroege jaren 70 al succesvol toegepast tijdens de Apollo-ruimtemissies in de wielaandrijvingen van het maanvoertuig Lunar Rover werd het principe verder ontwikkeld, bijvoorbeel voor het bewegen van parabolische antennes, luchtvaarttoepassingen en medische technologie. “Strain wave” tandwielkasten worden ook al tientallen jaren gebruikt in de industriële automatisering. Ze zijn bijvoorbeeld zeer geschikt voor de scharnierpunten van kleine robotarmen met een laadvermogen tot ongeveer 20 kg. Bijzondere eigenschappen van
“strain wave” tandwielkasten zijn onder meer:
- zeer grote overbrengingsverhouding in één trap
- spelingsvrij voorgespannen tandwieloverbrenging tussen flex spline en de daar omheen gelegen ring met binnenvertanding;
- hoge positionerings- en herhalingsnauwkeurigheid;
- mogelijkheid van een holle as, bijvoorbeeld voor het doorlaten van kabels;
- extreem compact design en gering gewicht. Het aantal fabrikanten van “strain wave” tandwielkasten is bescheiden, voornamelijk vanwege de vele nichetoepassingen en uitdagende tandwieltechnologie.
De sleutel tot hogere cobot-omzetcijfers
Er is brede consensus in de industrie dat de verkoop van collaboratieve robots (cobots) omhoog zou kunnen schieten als twee technische vraagstukken zouden kunnen worden opgelost zonder enorme prijsverhoging, namelijk: Hoe bereik je hogere snelheden/versnellingen en dus een hogere productiviteit van cobots in autonoom bedrijf en hoe verhoog je de gevoeligheid in collaboratieve modus? Cobots die over beide eigenschappen beschikken kunnen flexibel
worden gebruikt, bijvoorbeeld door overdag samen te werken en ’s nachts autonoom, zoals klassieke industriële robots. Dit zou resulteren in een aanzienlijke toename van de productiviteit en een snellere terugverdientijd.
Voor cobots die processen moeten uitvoeren met gevoeligheid of krachtbeheersing en voor soepele leerprocessen
zit er niets anders op dan sensorsystemen te gebruiken voor het bepalen van externe krachten. De meest populaire producten op de cobot-markt voor het meten van externe krachten en momenten zijn sensormodules; dat wil zeggen sensoren die worden ontwikkeld en aangeboden als afzonderlijke componenten voor cobots. Ze vereisen echter extra installatieruimte en moeten worden geïntegreerd in het cobot-ontwerp.
Extern koppelsensorconcept
Bij dit type sensor worden de krachten en momenten gedetecteerd door middel van een elastische structuur waarop doorgaans het eigenlijke sensorsysteem (een rekstrookje) is gelijmd. Bij een dergelijk ontwer zal altijd een compromis moeten worden gevonden tussen hoge resolutie en geringe vervorming. Als bijvoorbeeld een grijper nauwkeurig een traject moet volgen of een positie onder belasting moet vasthouden, is de door de sensor veroorzaakte positieafwijking een groot nadeel. Meestal wordt gebruik gemaakt van zesassige krachtkoppelsensoren, gemonteerd op de grijper of van sensormodules die op de scharnier-assen van de robot zijn geflensd.
Concept van de interne koppelsensor
De aanpak van Schaeffler is om een bestaand onderdeel van de aandrijflijn te gebruiken voor de koppelmeting in plaats van via een extra elastisch element. Dit betekent dat er geen extra elasticiteit in de cobot-structuur wordt geïntroduceerd en dat de cobot-stijfheid zelfs met sensorsysteem op 100% blijft.
Kenmerken van interne koppelsensoren
Schaeffler is zeer ervaren in de ontwikkeling toepassing en massaproductie van geïntegreerde koppelsensoren. Zo wordt bijvoorbeeld haar Sensotect-sensortechnologie met succes gebruikt in windturbines en in de auto-industrie. De functionaliteit wordt gerealiseerd door middel van ee submicrometer dikke, rekgevoelige PVD-coating, vormgegeven via micro machining. Op die manier wordt het bestaande onderdeel de sensor en de sensor wordt het bestaande onderdeel. Voor toepassing in robotica wordt hiervoor de flex spline van de precisie “strain wave” tandwielkast gebruikt, omdat hier het volledige vermogen wordt doorgegeven. Er is geen extra installatieruimte, lijm of andere verbindingstechniek nodig.
Opvallende kenmerken zijn de zeer lage hysterese en niet-lineariteit, wat te danken is aan de afwezigheid van storende factoren. De betrouwbare detectie van minimale kracht- en koppelveranderingen is erg nuttig bij de soepele directe teach-in, de bediening en de zelfoptimalisatie van cobots. Het sensorelement heeft een indrukwekkende nauwkeurigheid van <0,5% (FS), veel beter dan de nauwkeurigheid die sensormodules op de cobot-markt bieden.
Waarom kiezen voor Schaeffler?
Snel positioneren en korte cyclustijden vereisen een bijzonder stijve cobot-structuur. In tegenstelling tot externe sensoren hebben de koppelsensoren die Schaeffler in de precisie “strain wave” tandwielkasten integreert geen effect op de mechanische structuur van de cobot (de torsiestijfheid van de roterende assen blijft volledig behouden).
Als onderdeel van de totaaloplossing ontwikkelde Schaeffler de XZU-dubbelrijige hoekcontactnaaldrollagers
voor de RT-serie “strain wave” tandwielkasten. Ze verhogen de stijfheid van de cobot-structuur haaks op de roterende assen. Met XZU-lagers in plaats van de gebruikelijke kruisrollagers in alle gewrichten van een cobot kan de positioneringstijd tot 50% worden verminderd.
RT1-1 precisie “strain wave” tandwielkasten maken hogere snelheden en versnellingen in cobots mogelijk zonder de nadelen van langere dempingstijd en grotere amplitudes. Hiermee heeft Schaeffler de industrie een manier gegeven om cobots economisch in te zetten voor autonoom functioneren in dynamische toepassingen.
Lees hier nog meer tandwielkast expertise in onze special Mechanische Aandrijvingen
