Stefan Niermann (r.) und Alexander Mühlens, igus

Die Redaktion sprach mit Stefan Niermann (r.) und Alexander Mühlens von igus über das die nächste Generation von Wellgetrieben aus Kunststoff. igus

Massive Konstruktionen reduzieren die Nutzlast von Robotern; vor allem bei Cobots zählt praktisch jedes Gramm. Für zahllose Roboter-Szenarien verspricht igus massive Gewichtsvorteile ­­– mit Wellgetrieben aus Kunststoff. Nach der ersten Baureihe für die 5. Achse von igus Robotern Anfang 2020 kündigt das Unternehmen für 2021 das Wellgetriebe als vollintegriertes Einzelgelenk an, nicht nur für die eigenen Roboter, sondern auch zum Einsatz in Drehtischen, Speichertischen und anderen Automatisierungsanwendungen.

Stefan Niermann, Leiter des Geschäftsbereichs Linear- & Antriebstechnik, und Alexander Mühlens, Leiter Automatisierungstechnik, zeigen die Möglichkeiten der Kunststoff-Wellgetriebe auf.

Herr Niermann vor knapp einem Jahr haben wir uns in Köln getroffen und über Ihre Wellgetriebe gesprochen. Offensichtlich hat sich in der relativ kurzen Zeit einiges getan?

Stefan Niermann: Im Februar 2020 haben wir die erste industrietaugliche Wellgetriebegeneration auf Kunststoff-Basis vorgestellt. Und im letzten Jahr hat sich tatsächlich noch eine Menge getan: Wir haben den Wellgenerator weiter überarbeitet, um eine größere Andruckfläche für den Wellring an der Außenverzahnung hinzubekommen.

Mit welchem Ziel?

Igus-Wellgetriebe-Wirkungsgrad-Vergleich

Die neue Generation Wellgetriebe (orange) legt hinsichtlich Drehmoment und Wirkungsgrad nochmals deutlich zu. Igus

Stefan Niermann: Der Wirkungsgrad wurde deutlich verbessert und auch die Lebensdauer weiter erhöht, speziell beim Flexring. Mittlerweile können wir 1 Million Zyklen mit 1,5 Newtonmeter und 20 Umdrehungen pro Minute garantieren – und das bei einem für unsere Verhältnisse recht geringem Umkehrspiel von rund 0,5°. Man sieht es zwar fast nicht mit bloßem Auge, aber wir haben  dazu die Zahngeometrie weiterentwickelt. Herr Mühlens nennt das die „Bachkiesel-Geometrie“.

Alexander Mühlens: Die spezielle Geometrie der Verzahnung im Wellgenerator trägt zur Standzeiterhörung und Verbesserung des Wirkungsgrades bei. Denn durch die abgeflachten Kanten bewegen sich die Zähne viel weniger gegeneinander und verzahnen sauber ineinander

Lässt sich die Verbesserung auch quantifizieren?

Stefan Niermann: Wir sprechen über eine Verbesserung des Wirkungsgrades von 30 % auf über 40 %.

Und wie sieht es beim Drehmoment aus?

Stefan Niermann: Durch die Optimierung im Wellgetriebe haben wir auch hier nochmals deutlich zugelegt, von knapp 2 Nm auf bis zu 4 Nm. Das erhöht das Einsatzspektrum der Wellgetriebe enorm. Dazu kommt, dass wir das Torque Ripple halbieren konnten. Im Ergebnis läuft das Wellgetriebe deutlich ruhiger.

Wie wichtig ist das für einen Einsatz als Roboter-Gelenk?

Stefan Niermann (l.) und Alexander Mühlens, igus

„Ein 6-Achs-Roboter für 2 500 Euro ist keine Utopie.“ Stefan Niermann igus

Alexander Mühlens: Die Wellgetriebe lassen sich somit ideal für Roboter einsetzen. Wir verfolgen dabei immer unseren Do-it-yourself- oder Buy-Gedanken. Anwender haben die Möglichkeit aus einzelnen Wellgetrieben einen eigenen Roboter zusammenzubauen (DIY) oder direkt eine fertige Kinematik zu kaufen (Buy). Alle drei der inzwischen verfügbaren Varianten unterstützen diese Szenarien. Die 17er Baugröße, welche wir letztes Jahr vorgestellt haben, ist sehr kompakt und für die Kombination mit Schrittmotoren entwickelt. Dadurch eignet sich diese Variante besonders als letzte Drehachse an Robotern. Als Einzelgelenk lässt es sich ebenso in Roboter-Kinematiken anderer Hersteller integrieren, mit denen wir natürlich in intensivem Kontakt stehen.

Neben der Baugröße 17 gibt es als weitere Wellgetriebe-Baureihen die Baugrößen 80 und 105, also mit den Durchmessern 80 mm und 105 mm. Diese Baugrößen sind technisch an der 17er Baugröße angelehnt, aber für einen BLDC-Außenläufer konzipiert. Diese vollintegrierten Baugrößen werden in 2021 auch als Robotereinzelgelenke in unserer neuesten Robotergeneration auf den Markt kommen.

Stefan Niermann: Mit den neuen Wellgetrieben haben wir eine kostengünstige und leistungsstarke Alternative zu den bisher verwendeten Schneckengetrieben. Die neue Robotergeneration Rebel wird somit wesentlich schlanker und durch die integrierten BLDC-Motoren auch günstiger. Unser Ziel ist es, den Rebel bereits ab geringen Stückzahlen für 2 500 Euro auf den Markt zu bringen. Wir wollen damit 2 kg mit einer Reichweite von bis zu 800 mm über Minimum 2 Millionen Zyklen bewegen können.

Und in allen drei Varianten bildet die überarbeitete Wellgetriebegeneration die Basis?

Alexander Mühlens: Es gibt schon noch technische Unterschiede, allein weil wir aufgrund der Abmessungen mit anderen Flächenpressungen arbeiten können. Das Wellgetriebe an sich ist identisch, nur der Aufbau ist entsprechend den Aufgaben modifiziert. Bei den Baugrößen 80 und 105 haben wir ein komplett anderes Motorkonzept mit einem BLCD-Motor als Außenläufer, der komplett ins Gelenk integriert ist. Die Varianten in der Baugröße 17 sind Wellgetriebe mit angeflanschten Motoren, das heißt die Motorwelle wird im Getriebe befestigt.

Überhaupt, wie funktioniert denn so ein Well­getriebe?

Stefan Niermann (l.) und Alexander Mühlens, igus

„Viele Cobots sind überdimensioniert für ihren Einsatz.“ Alexander Mühlens igus

Alexander Mühlens: Das erste Wellgetriebe wurde 1955 von Walton Musser entwickelt. Dessen Prinzip eines elliptischen Innen-Zahnrads haben wir adaptiert: Die Hauptbestandteile der Getriebe sind der so genannte Wellgenerator, der Flexring mit Außenverzahnung sowie ein gehäusefester Außenring und ein drehbares Abtriebselement. Der elliptische Wellgenerator wird von einem Motor angetrieben und überträgt seine Bewegung auf den umliegenden Flexring. Aufgrund der elliptischen Bewegung greift die Verzahnung des Flexrings immer nur an zwei Stellen in die Verzahnung des Außenrings. Da der Außenring zwei Zähne mehr hat als die anderen Bauteile, wird der Flexring pro Umdrehung des Wellgenerators auch nur um zwei Zähne weiterbewegt.

Bei der aktuellen Version haben wir die Oberfläche des Wave Generators im Vergleihc zum Vorgänger nochmals deutlich vergrößert, um mit mehr Kunststofffläche einhaken zu können. Denn Kunststoff ist immer dann stark, wenn er viel Kontaktfläche für die Kraftübertragung hat.

Was bringt Kunststoff an Gewichtseinsparung?

Stefan Niermann: Gegenüber vergleichbaren Getrieben aus Stahl sprechen wir vom Faktor 3. Wenn man das jetzt auf mehrere Achsen hochrechnet resultiert daraus schnell eine deutliche Gewichtseinsparung, die in Payload oder Dynamik eines Roboters umgesetzt werden kann.

Ist das Getriebe speziell daraufhin designt worden, um möglichst leicht zu bleiben?

Stefan Niermann: Das bringt unsere Kunststofftechnologie natürlich grundsätzlich mit. Da wir möglichst alle Bauteile der von uns entwickelten Maschinenelemente aus Kunststoff herstellen – mit besonderem Augenmerk auf die bewegten Teile in einer Kinematik – ist der Gewichtsvorteil eigentlich immer gegeben.

Alexander Mühlens: Beim einem Cobot wie dem Rebel ist neben der Traglast immer auch das Gesamtgewicht von Bedeutung. Wir sehen für unsere Wellgetriebe Marktchancen in Robotern, die komplett unter 8 kg wiegen. Diese Roboterkategorie lässt sich einfach transportieren, auf fahrbare Untersätze oder eine 7. Achse montieren oder in Zukunft sogar an Drohnen hängen. Bei Cobots spielt das Gewicht definitiv immer eine Rolle, da kleinere Massen auch kleinere Kräfte bei Kollisionen bedeuten.

Deshalb ist das Gewicht eine Hauptstoßrichtung bei den Entwicklungen der Robotergelenke?

Alexander Mühlens: Bei Servicerobotern mit Cobot-Charakter auf jeden Fall. Die ISO/ TS 15066 definiert schließlich ganz klar die Leistungs- und Kraftbegrenzung. Bei einer geringeren Masse darf der Gesamtroboterarm eine höhere Beschleunigung aufnehmen. Und umso leichter ein Roboter ist, desto weniger Gefahrenpotenzial geht von ihm aus.

Kraft und Moment, das sind dabei die kritischen Kenngrößen. Wie erfassen Sie die eigentlich bei ihren Robotern?

Alexander Mühlens: Wir arbeiten momentan mit unseren selbst entwickelten BLDC-Verstärkern sowie zwei Encodern, die vor und hinter dem Gelenk sitzen. Darüber können wir alle Kräfte wie auch Momente über den Motorstrom ermitteln und sicher begrenzen. Darüber hinaus werden wir eine gewisse MRK-Fähigkeit gewährleisten.

Wir verfolgen momentan zwei Wege, die kritischen Kenngrößen zu begrenzen beziehungsweise die MRK-Fähigkeit sicherzustellen. Einmal klassisch über Doppel­encoder, das heißt je eine Messung vor und hinter dem Gelenk, um dann mit den Motorparametern Kräfte und Drehmomente messen und darauf reagieren zu können.

Zum anderen wollen wir externe Vorrichtungen zur Verfügung stellen, um den Roboter im Bedarfsfall zu stoppen. Diese Strategie hat den Vorteil, dass sich die MRK-Fähigkeit definieren und an die Anwendungen anpassen lässt.

Bei Bedarf ist das Gelenk ja auch schnell ersetzt.

Alexander Mühlens: Das ist die Idee dahinter. Schließlich kostet ein Gelenk inklusive Leistungselektronik und Motor auch nur um die 300 Euro – bei Stückzahl 1. Über die Verstiftung von Gelenk und Arm ist dieses schnell ausgetauscht und der Roboter wieder in Betrieb genommen werden.

Stichwort Elektronik. Über die Ansteuerung der Roboter oder Achsen haben wir noch gar nicht gesprochen.

Stefan Niermann (l.) und Alexander Mühlens, igus

„Die nächste Generation Wellgetriebe überträgt noch mehr Drehmoment.“ Stefan Niermann igus

Alexander Mühlens: Wir nutzen dafür die igus Robot Control. Die Software haben wir um die Rebel-Kinematik erweitert und können jetzt auch unsere Knickarm-Roboter damit programmieren. Wir glauben zwar, dass sich in ein paar Jahren der Markt so entwickelt hat, dass vor allem vollintegrierte Einzelgelenke gefragt sind. Derzeit sind es aber vor allem Plug&Play-Versionen unserer verschiedenen Roboter- und Achsvarianten.

Wie bei unseren Energieketten verfolgen wir auch bei den Robotern konsequent unsere Philosophie von Plug&Play – Kunden können daher sämtliche Roboter-Kinematiken komplett vorverdrahtet und konfektioniert bestellen – also alle Parallel-Kinematiken, Portal-Achsen und auch unsere seriellen Roboter. Und zu Plug&Play gehört neben den Hardwarekomponenten wie die Leistungselektronik auch eine übergeordnete Steuerung mit passender Software.

Stefan Niermann: Die Software ist flexibel einsetzbar und für mittlerweile alle unsere Kinematiken ausgelegt, die wir anbieten. Ein Vorteil unserer Low Cost Automation ist, dass Anwender die Software kostenfrei und ohne irgendwelche Lizenzgebühren ausprobieren können. Alles lässt sich so vorab testen und eruieren, ob die gewählte Konfiguration auch zur Applikation passt – inklusive Greifer oder Werkzeuge am Roboterarm, sofern wir die entsprechenden Daten haben.

Greifen Sie hier auf die RBTX-Plattform zurück, die igus vor knapp zwei Jahren initiiert hat?

Stefan Niermann: Ja. Sie finden einige der angebotenen Greifer auch in der igus Robot Control wieder. Das erleichtert die Integration natürlich enorm. Ansonsten können Anwender auf diesem Online Marktplatz sämtliche Werkzeuge und Komponenten mit den angebotenen Roboter-Kinematiken kombinieren. Der Marktplatz zeigt einen Live-Preis an und gibt eine Kompatibilitätsgarantie, sowohl auf der Hardware- als auch auf Software-Seite.

Wird ein Greifer eingefügt, verändert sich im Engineeringtool automatisch auch der Tool Center Point. Der Projekteur hat auch die Möglichkeit, Safety-Areas zu generieren, die Kinematik auf eine 7. Achse zu packen oder ein Vision System zu ergänzen. Für alle im RBTX-Store verfügbaren Tools gibt es entsprechende Plugins.

Wir wollen möglichst viele Applikationen adressieren und dabei die Komplexität für den Projekteur reduzieren. Zukünftig wird es daher auch eine Schnittstelle geben, mit der Anwender beliebige Komponenten in unsere Programmierumgebung integrieren können.

Unterstützt Robot Control auch die Roboter anderer Hersteller, wenn sie Partner der RBTX-Plattform sind?

Stefan Niermann: Bei dem Thema schlagen zwei Herzen in Herrn Mühlens und meiner Brust. Einerseits gibt es unsere eigenen Entwicklungen, andererseits die Plattform RBTX, deren Partner wir sind. Dort ist Festo beispielsweise nicht präsent. Wir als igus haben wiederum Festo-Greifer integriert, weil dies keine schlechte Referenz ist.

Alexander Mühlens: igus ist längst nicht mehr der einzige Roboteranbieter auf RBTX.com. Neben Schulungsrobotern und Delta-Kinematiken ist auch Fruitcore Robotics mit Horst präsent – einige andere Roboterhersteller sind in der Pipeline.

Wird es für diese ‚befreundeten‘ Roboter auch ein Plugin geben?

Stefan Niermann: Ein großes Ziel ist es, dass die Partner-Komponenten mit uns kombinierbar sind. Dann lässt sich alles per Plug&Play integrieren, beispielsweise eine Kamera von Matrox oder von IFM.

In Bezug auf die Roboterkinematiken ist das schwierig bis gar nicht durchsetzbar, weil jeder Roboter seine eigene Steuerungsumgebung hat. Damit hat igus als ein Partner der Plattform auch erst mal nichts mit zu tun. Als Mitglied der Plattform haben wir großes Interesse, dass die Roboter anderer Hersteller wie unsere eigenen mit allen anderen Produkten konfigurierbar sind. Umso interessanter ist die Plattform dann für Kunden. Sie wollen schließlich möglichst viel Auswahl haben, auch was die Roboterkinematik betrifft. Und vor dem direkten Vergleich mit anderen Anbietern brauchen wir uns nicht zu fürchten.

Kann ich im Tool auch Warnzonen projektieren, bei der die Roboter die Geschwindigkeit reduzieren. Das sind doch die üblichen Konzepte für MRK- und Cobot-Szenarien.
Alexander Mühlens: Aktuell noch nicht, aber das sind genau die Themen, die wir im Rahmen der kontinuierlichen Rebel-Entwicklung angehen. Als Cobot hat er speziellere Bedürfnisse als der aktuelle robolink DP von igus, gerade was Parameter wie den Abstand angeht, ob beispielsweise ab einem halben Meter Entfernung eine sicher reduzierte Geschwindigkeit eingehalten werden soll. All das muss nicht nur die Software abdecken, die Steuerungshardware hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeiten und Zykluszeiten ebenso.

Das heißt, Software und Hardware unterstützen die notwendigen Safe-Motion-Features?

Stefan Niermann (r.) und Alexander Mühlens, igus

„Kraft und Moment ermitteln wir über Encoder und eigene Motor-Treiber.“ Alexander Mühlens Igus

Alexander Mühlens: Wir versuchen, das offen zu halten. Denn wir haben immer unser Ziel vor Augen – 2 500 Euro für einen Rebel. Daher möchten wir nicht unbedingt Safety-Features verbauen, die der Kunde dann mit bezahlt, aber für seine Applikation gar nicht braucht. Wir möchten dem Kunden die individuelle Anpassung auf seine Anwendung ermöglichen. Denn echte kollaborierende Applikationen machen vielleicht gerade 1 bis 2 % der bei uns angefragten Anwendungen aus. Die überwältigende Mehrheit sind allenfalls kooperative Aufgaben, die aber mit vollwertigen Cobots realisiert werden. Der Anwender zahlt dann ungenutzte Safety-Features. Dennoch wollen wir optional auch den vollwertigen Cobot zugänglich machen, da auch wir dort die Zukunft sehen.

Stefan Niermann: Wir versuchen das im Rahmen unseres Build-or-Buy-Gedankens abzubilden, also kauf nur das Einzelgelenk, den kompletten Cobot oder eine teilkonfektionierte Variante. Das kann dann auch nur eine MRK-Funktion sein oder ein sequenzieller Cobot.

Welche Well-Getriebe sind denn verfügbar?

Stefan Niermann: Demnächst sind die vollintegrierten Wellgetriebe in den Baugrößen 80 mm und 105 mm verfügbar. Sie sind mit einem BLDC-Außenläufer ausgestattet. Eine Motortreiberplatine mit CAN ist optional verfügbar.

Auch auf RBTX.com?

Stefan Niermann: Die Wellgetriebe sind auch auf RBTX verfügbar, derzeit noch auf eine Technologie und die Größe 17 beschränkt. Bis zur Hannover Messe 2021, also bis Ende April, wollen wir mindestens ein oder zwei weitere Größen der voll integrierten Wellgetriebe vorstellen und auch auf der Plattform vorhalten.

Das Interview führte Chefredakteur Stefan Kuppinger