Präzisionsbauteile für humanoide Roboter – Verzahnung für Aktuatoren
Verzahnte Schlüsselbauteile für Rotationsaktuatoren in der Robotik
Flexsplines – das Herzstück des Wellgetriebes
Flexsplines sind dünnwandige, präzisionsverzahnte Hohlzylinder aus hochfestem Stahl und bilden das zentrale Übertragungselement im Wellgetriebe. Mit Wandstärken unter einem Millimeter und Zähnezahlen zwischen 100 und 400 ermöglichen sie sehr hohe Untersetzungsverhältnisse in einer einzigen Getriebestufe – ein entscheidender Vorteil gegenüber mehrstufigen Planetengetrieben. Die Verzahnungsqualität muss DIN 3960/62 bzw. ISO 1328 Klasse 4 entsprechen, mit Teilungstoleranzen im einstelligen Mikrometerbereich und einem Rundlauf unter 5 µm.
Wave Generator – Eingangskomponente im Wellgetriebe
Der Wave Generator ist die antreibende Komponente im Wellgetriebe: Eine elliptische Nocke mit aufgesetztem Dünnringlager erzeugt die formschlüssige Verformung des Flexsplines. Die elliptische Außenkontur sowie die Bezugsbohrungen müssen Konzentrizitäts- und Symmetrietoleranzen von ≤ 3 µm einhalten. EMAG fertigt diese Bauteile auf der VLC 350 GT durch Kombination von Drehen, Fräsen und Schleifen in einer Aufspannung – so werden Umspannfehler vermieden und die engen Lagetoleranzen prozesssicher erreicht.
Planetenräder – kompakte Kraftübertragung in Rotationsaktuatoren
Planetengetriebe kommen in den größeren Gelenken humanoider Roboter zum Einsatz, wo hohe Tragfähigkeit bei kompakten Abmessungen gefordert ist. Aktuelle Roboter benötigen mindestens 14 Rotationsaktuatoren, viele davon mit Planetengetriebe. Die Fertigung der Planetenräder, Sonnenräder und Planetenträger erfolgt in einer mehrstufigen Prozesskette aus Weich- und Hartbearbeitung. Erzielt werden damit Verzahnungsqualitäten nach DIN-Klasse 5 bis 4 – auch in der Großserie reproduzierbar.
Vorteile
- Komplettbearbeitung in einer Aufspannung: Drehen, Fräsen und Schleifen in einem Arbeitsgang. Umspannfehler entfallen, Lagetoleranzen von ≤ 3 µm werden prozesssicher eingehalten.
- Spezialisierte Spann- und Maschinenkonzepte: Hydraulisch expandierende Spanndorne mit einem Rundlauf von max. 3-5 µm schützen dünnwandige Bauteile wie Flexsplines vor elastischen Verformungen während der Bearbeitung.
- Durchgängige Prozesskette aus einer Hand: Von der Weich- bis zur Hartbearbeitung – EMAG deckt die gesamte Fertigungsprozesskette für alle drei Aktuatorbauteile mit aufeinander abgestimmten Maschinenplattformen ab.
- Kürzere Taktzeiten durch Verfahrenskombination: Die Kombination von Vorfräsen und Fertigschleifen der elliptischen Kontur am Wave Generator reduziert die Bearbeitungszeit gegenüber reiner Schleifbearbeitung um 30 - 40 %.
- Flexibel für Entwicklung und Serie: Maschinenplattformen wie die G 375 H ermöglichen durch kurze Rüstzeiten und variable Schleifscheiben sowohl Kleinserien in der Entwicklungsphase als auch die stabile Großserienfertigung.
Fragen und Antworten
- Wie funktionieren Wellgetriebe und Planetengetriebe als Aktuatoren in humanoiden Robotern?
- Welche besonderen Fertigungsanforderungen stellen Flexsplines an Maschinen und Prozesse?
- Welche EMAG Technologien und Verfahren sind für die Fertigung von Robotik-Aktuatorbauteilen geeignet?
- Wie sieht eine typische Prozesskette für die Herstellung von Flexsplines aus?
- Welche EMAG Maschinen sind für die Bearbeitung von Robotik-Komponenten geeignet?
- Welche Toleranzen und Qualitätsklassen sind bei der Verzahnung von Robotik-Bauteilen erreichbar?
- In welchen Bereichen der Robotik werden diese Bauteile eingesetzt?
- Wie lässt sich die Wirtschaftlichkeit in der Serienproduktion von Robotik-Verzahnungen verbessern?
Beide Getriebearten wandeln die schnelle Rotation eines Elektromotors in langsame, kraftvolle Gelenkbewegung um – auf sehr unterschiedliche Weise.
Wellgetriebe nutzen die elastische Verformung des Flexsplines durch den Wave Generator und erreichen so sehr hohe Untersetzungen (bis 100:1) in einer einzigen Stufe bei geringem Bauraum und Spielfreiheit. Planetengetriebe verteilen die Last auf mehrere Zahneingriffe gleichzeitig und sind besonders tragfähig, benötigen für hohe Untersetzungen aber mehrere Stufen. In humanoiden Robotern kommen beide Typen je nach Gelenkanforderung gezielt zum Einsatz.
Flexsplines gehören zu den anspruchsvollsten Verzahnungsaufgaben in der Präzisionsfertigung.
Die Wandstärken liegen unter einem Millimeter – selbst geringe Spannkräfte können zu elastischen Verformungen und damit zu Verzahnungsfehlern führen. EMAG setzt daher hydraulisch expandierende Spanndorne ein, die die Spannkraft gleichmäßig auf die gesamte innere Mantelfläche verteilen. Hinzu kommen hochfeste Werkstoffe mit Härtewerten von 38–42 HRC sowie die Forderung nach Verzahnungsqualität DIN-Klasse 4 mit Teilungstoleranzen im einstelligen Mikrometerbereich.
EMAG bietet für die drei zentralen Bauteile jeweils spezialisierte Verfahren an.
Für Flexsplines kommt das Wälzfräsen auf den K-Serien-Maschinen mit speziellen Hartmetall-Wälzfräsern und Kompensationsstrategien für Synchronisationsfehler zum Einsatz. Wave Generatoren werden auf der VLC 350 GT durch Kombination von Drehen, Fräsen und Schleifen komplett in einer Aufspannung bearbeitet. Planetenräder durchlaufen eine Prozesskette aus Wälzfräsen, Einsatzhärten und Hartfeinbearbeitung – wahlweise durch Schälwälzfräsen, Wälzschleifen oder Profilschleifen.
Die Flexspline-Fertigung umfasst Weich- und Hartbearbeitung in enger Abstimmung.
Die Prozesskette beginnt mit dem Weichdrehen zur Geometrieherstellung, gefolgt von Wärmebehandlung (Härten, Kryogenbehandlung, Anlassen) und Hartdrehen der Funktionsflächen. Anschließend wird die Innenbohrung gehont – sie dient als präzise Spannreferenz für das Wälzfräsen der Verzahnung. Den Abschluss bilden Entgraten, Reinigen und Strahlen. Jeder Schritt ist auf den nächsten abgestimmt, da Fehler sich direkt auf die Endqualität der Verzahnung auswirken.
EMAG bietet für jede Komponente passende Maschinenplattformen.
Für Flexsplines stehen die K 160 (bis ca. 100 mm Außendurchmesser, offene Bauweise) und die K 300 (bis 140 mm, geschlossener Rahmen für höhere Steifigkeit) zur Verfügung. Wave Generatoren werden auf der VLC 350 GT (Drehen, Fräsen, Schleifen in einer Maschine) bearbeitet. Für Planetenräder eignen sich die K 160 zum Wälzfräsen sowie die G 160, G 250 HS oder G 375 H für das anschließende Hartfeinschleifen.
Die erreichbaren Qualitätsklassen variieren je nach Bauteil und Verfahren – liegen aber stets im Bereich der höchsten Präzision.
Für Flexsplines erzielt EMAG nachweislich Verzahnungsqualität nach DIN 3960/62 bzw. ISO 1328 Klasse 4, mit Teilungstoleranzen im einstelligen Mikrometerbereich und einem Rundlauf unter 5 µm. Wave Generatoren erreichen Konzentrizitäts- und Symmetrietoleranzen von ≤ 3 µm dank Komplettbearbeitung in einer Aufspannung. Planetenräder werden je nach Verfahren in DIN-Klasse 4 bis 6 gefertigt; aufkommende Anforderungen in der humanoiden Robotik fordern zunehmend Klasse 4 vor dem Härten.
Die Hauptanwendung liegt in den Rotationsaktuatoren humanoider Roboter.
Aktuelle humanoide Roboter benötigen mindestens 14 Rotationsaktuatoren – verteilt auf Schulter-, Ellbogen-, Hüft- und Kniegelenke. Wellgetriebe mit Flexspline und Wave Generator kommen bevorzugt dort zum Einsatz, wo Spielfreiheit, Kompaktheit und hohe Untersetzung entscheidend sind. Planetengetriebe übernehmen Gelenke mit hohen Drehmomenten. Mit zunehmender Entwicklung feinmotorischer Roboterhände steigt auch der Bedarf an miniaturisierten Getriebevarianten – ein wachsendes Anwendungsfeld für EMAG Fertigungslösungen.
Entscheidend sind kurze Taktzeiten, geringe Ausschussquoten und minimierte Rüstaufwände.
Die Kombination von Vorfräsen und Fertigschleifen der elliptischen Kontur am Wave Generator spart 30 - 40 % Bearbeitungszeit gegenüber reiner Schleifbearbeitung. Die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung reduziert Durchlaufzeiten und eliminiert Umspannfehler als Ausschussursache. Für Planetenräder verkürzt der alternative Prozess "Schleifen aus dem Vollen" die Prozesskette durch Wegfall des Vorverzahnens. Die G 375 H ermöglicht dank kurzer Rüstzeiten zudem den wirtschaftlichen Betrieb auch bei wechselnden Bauteilgeometrien.
Werkstücke
Flexspline
Flexsplines, auch als flexible Wellenräder, Flextopf oder Kragenhülse bezeichnet, bilden das Herzstück von Wellgetrieben. Diese hochpräzisen Bauteile ermöglichen sehr hohe Untersetzungsverhältnisse in…
Planetengetriebe
Wave Generator
Der Wave Generator ist die Eingangs-Komponente im Wellengetriebe. Er besteht aus einem dünnwandigen Lageraufbau (Außenring elastisch, Innenring auf einer elliptischen Nocke/Kurve fixiert) und…
