Eine Vierte Achse stand schon länger auf der Wunschliste, jetzt wollen wir uns dem Thema annehmen. Wie der Titel schon verrät nutzen wir ein Harmonic Drive Getriebe – das ist quasi Spielfrei und kann hohe Drehmomente übertragen.
Auf der Maschine haben wir sogar zwei Optionen für die Befestigung. Konstruktionsbedingt kann die X Achse über das Tischende hinaus verfahren. So könnte die 4. Achse auch dauerhaft montiert bleiben.
Kurz zum Harmonic Drive
Hinter dem Harmonic Drive steckt ein geniales Prinzip. Über eine Antriebswelle wird ein Stahlbecher mit Außenverzahnung verformt und gegen einen Ring mit Innenverzahnung gedrückt. Die Innenverzahnung besitzt dabei weniger Zähne als die Außenverzahnung, was durch die elytische Bewegung zu einer Drehung auf der Abtriebsseite führt.
Es wird dabei relativ immer um zwei Zähne versetzt und insgesamt sind immer eine Vielzahl an Zähnen im Eingriff.
Ergebnis ist eine ruckfreie und sehr genaue Drehbewegung ohne Umkehrspiel.
Vorteile
- Kann hohe Drehmomente übertragen
- Kompakt, kurze Bauweise
- Praktisch Spielfrei, dadurch hohe Positioniergenauigkeit und kein Umkehrspiel
- Sehr effiziente Übertragung (bis 95%)
Nachteile
- Preis, ab Werk immer noch recht teuer
- Großes Trägheitsmoment, nicht nachlaufend
- Bauartbedingtes Übersetungsverhältnis von minimal 1:35
Sollte man wissen
- HD Getriebe können auch rückwärts laufen (Also Abtriebseitig auf die Antriebsseite). Sie sind nicht selbsthemmend! Je nach Anwendung ist eine Bremse nötig.
- Es gibt sehr flach bauende voll integrierte Servo-Getriebe-Lager Kombinationen vom Hersteller Harmonic Drive AG mit denen man sehr einfach eine 4. + 5. Achse bauen kann. Leider sehr teuer, manchmal bei eBay gebraucht für ca. 1.200 Euro zu finden.
- Baureihen xxx-CP, xxx-UH , xxx-ULW, xxx-M, xxx-H, etc. besitzen ein eingebautes Kreuzrollen bzw. 4-Punkt Lager auf der Abtriebsseite, was eine Integration deutlich vereinfacht.
Komponenten
Kleine Übersicht der Komponenten mit ein paar Detailansichten.
Gehäuse
Ein dicker Klotz aus GGG40 bzw. EN-GJS-400-15 mit Bearbeitung von drei Seiten. Guss dämpft vibrationen, lässt sich gut bearbeiten (bis auf die Sauerei) und ist ausreichend stabil. Unser Maschinentisch besteht aus dem gleichen Material.
Auf der Unterseite befindet sich eine Nut zum Einsetzen eines Nutensteins. Damit lässt sich das Gehäuse einfach an den Tischnuten ausrichten um die Rüstzeit zu verringern.
Motorhalterung
Hier steht die Wahl des Materials noch aus. Möglicherweise nehmen wir POM, Alu wäre aber auch eine Option.
Welle
Motor und Harmonic Drive haben unterschiedliche Wellen-Durchmesser, entsprechend muss ein kleines Drehteil mit Ausfräsungen her. Wir adaptieren von 19mm auf 11mm.
Harmonic Drive HFUC-25-100-2UH-SP
Das HD kommt gebraucht von einem Industrie-Händler aus Österreich. Variante HFUS kommt bereit mit einem eingebauten Abtriebslager, bei dieser Variante ein Kreuzrollenlager. CAD Modell: Harmonic Drive AG.
Kleine Aufschlüsselung der Typbezeichnung aus dem Hersteller-Datenblatt.
- HFUC
- 25 = Baugröße
- 100 = Untersetzung (1:100)
- 2UH = Integrierte Abtriebslagerung (Kreuzrollenlager)
- SP = ?
Leadshine EL6 / Stepper-Online T6 Servomotor 1 kW
Auch das Thema AC Servomotor ist schon länger im Gespräch. Als wir vor 10 Jahren mit dem Bau der Maschine begonnen hatten war der Markt noch recht klein und Motoren/Regler für den Hobbybereich zu teuer. Das hat sich mittlerweile geändert.
- Leistung 1,0 kW
- Drehmoment 3,19 bzw. 9,26 Nm
- Drehzahl 3.000 bzw. 5.000 U/min
- Encoder 17bit
- Bremse 3,2 Nm
Da Harmonic Drive Getriebe auch rückwärts Kraft übertragen können (genauer: umgekehrt von Ab auf den Antrieb), haben wir uns für einen Motor mit Bremse entschieden.
Ein paar Daten
Drehmoment
Laut Tabelle vom Hersteller gelten folgende Grenzen für unser Harmonic Drive (HD):
- Wiederholbares Spitzendrehmoment: 157 Nm
Also die Kraft die regelmäßig und ohne Schäden erreicht werden kann. - Durchschnittsdrehmoment: 108 Nm
Um die angegebene Lebensdauer zu erhalten, sollte dieses Drehmoment im Durchschnitt eingehalten werden. - Kollisionsdrehmoment: 284 Nm
Ende Gelände, ab hier nimmt das Getriebe permanenten Schaden. Maximal zulässiges Drehmoment z.B. bei einem Crash oder einem Not-Aus.
Der Motor ist laut Hersteller mit 3,2 Nm bzw. einem Spitzendrehmoment von 9,5 Nm angegeben. Zusammen mit der Untersetzung von 1:100 durch das HD ergibt sich somit theoretisch ein Drehmoment von 950 Nm, was deutlich über der zulässigen Kraft liegt. Entsprechend werden wir den Motor in seiner Kraft abriegeln.
Kurze Info noch zur elektromagnetischen Bremse – diese ist NC, also normal geschlossen und hält die Position der Welle mit max. 3,2 Nm. Nach der Untersetzung also 320 Nm und auch damit deutlich über dem Kollisionsdrehmoment des Getriebes. Entsprechend werden wir den Motor in seiner Leistung reduzieren, eventuell sogar auf die 750W Variante umsteigen.
Geschwindigkeit
Mit Fett- und Ölschmierungen sind Antriebsdrehzahlen von 5.600 bzw. 7.500 U/min zulässig, der Motor liefert 3.000 bzw. im erweiterten Bereich 5.000 U/min. Damit sind Abtriebsseitig 30 bzw. 50 U/min möglich und eine Umdrehung der Achse dauert somit 2 bzw. 1,2 Sekunden.
Wie geht es weiter?
Aktuell warten wir auf die Komponenten aus Österreich, China und Deutschland. Sobald das Material da ist geht es auch schon an die Bearbeitung der Bauteile… Bald mehr an dieser Stelle.
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