Planetengetriebe für die industrielle Automatisierung: 7 wichtige Leistungsfaktoren

Auf einem Pick-and-Place-Portal muss ein 750-W-Servomotor mit 3.000 U/min 25 bis 30 Nm an der Abtriebswelle liefern und innerhalb von 0,05 mm von seiner eingelernten Position stoppen, 90 Mal pro Minute, drei Schichten am Tag. Der Antrieb liefert die Geschwindigkeit und den Regelkreis. Das mit dem Motorflansch verschraubte Planetengetriebe entscheidet darüber, ob diese 0,05 mm nach zwölf Monaten Produktionszeit noch 0,05 mm sind oder sich auf 0,4 mm geöffnet haben.

Fünf Leistungsfaktoren entscheiden über das Ergebnis: Spiel und Torsionssteifigkeit, Drehmomentdichte gemessen am tatsächlichen Betriebsfaktor, Effizienzverlust pro Stufe und die dadurch erzeugte Wärme, Lebensdauer des Abtriebslagers unter Radiallast und das auf die Anlagenumgebung abgestimmte Dichtungs- und Schmierpaket. Wenn zwei davon auf dem Maßblatt falsch eingeschätzt werden, wird die Achse in der Werkstatt und nicht auf dem Papier neu konstruiert.

Shanghai SGR Heavy Industry Machinery Co., Ltd., bekannt als SGR , baut Planetengetriebe, doppelwandige Schneckengetriebe und kombinierte Untersetzungsgetriebe für die Industrieautomation und schwere Maschinen. Die folgenden Kriterien beziehen sich daher darauf, was tatsächlich ausfällt, verschleißt oder an einer laufenden Linie driftet.

Was ein Planetengetriebe zu einer automatisierten Achse beiträgt

Ein Planetengetriebe vervielfacht das Drehmoment und teilt die Eingangsdrehzahl auf, indem es die Last auf drei oder mehr Planetenräder verteilt, die gleichzeitig das Sonnenrad und das Innenhohlrad berühren, und dieser gleichzeitige Eingriff sorgt für alle Vorteile und jede daraus resultierende Dimensionierungsfalle.

Ein Planetengetriebe ist ein koaxiales Untersetzungsgetriebe, bei dem ein zentrales Sonnenrad mehrere Planetenräder antreibt, die auf einem rotierenden Träger montiert sind. Die Planeten rollen in einem Hohlrad, sodass die übertragene Last auf mehrere Zahnpaare statt auf einen einzelnen Zahneingriff aufgeteilt wird.

Auf einer automatisierten Achse sind drei Konsequenzen von Bedeutung:

• Das Verhältnis pro Stufe reicht von 3:1 bis etwa 10:1, sodass zwei Stufen etwa 100:1 und drei Stufen 1.000:1 in einem Gehäuse erreichen, das kürzer ist als eine vergleichbare Spiraleinheit.
• Durch die Lastverteilung auf drei bis fünf Planetenräder wird die Kraft auf jedes Zahnpaar verringert, was die Drehmomentdichte und Torsionssteifigkeit erhöht und die Geräusche reduziert, die bei einem Single-Mesh-Design entstehen.
• Antriebs- und Abtriebswelle liegen auf derselben Mittellinie, sodass die Einheit direkt an einen Servomotor angeflanscht werden kann, ohne die Maschinenachse zu bewegen.

Dieselben Eigenschaften erzeugen die Fehlermodi. Eine Einheit, die nur für ein durchschnittliches Drehmoment dimensioniert ist, wird ihre Planetenzähne beschädigen, lange bevor das Abtriebslager seine Nennlebensdauer erreicht.

Spiel und Torsionssteifigkeit: der erste Leistungsfaktor

Spiel ist das Winkelspiel, das an der Abtriebswelle gemessen wird, wenn der Eingang die Richtung umkehrt, und es wird direkt in einen Positionierungsfehler umgewandelt: 1 Bogenminute entspricht etwa 0,15 mm bei einem 500-mm-Arm, 3 Bogenminuten entsprechen 0,44 mm und 8 bis 12 Bogenminuten einer universellen Industrieeinheit entsprechen 1,16 mm oder mehr.

ISO 1328-1:2013 definiert die Ganggenauigkeitsgrade 0 bis 12, und Planetensätze der Automatisierungsqualität werden normalerweise auf Grad 6 oder Grad 7 geschliffen, was eine Garantie von 3 Bogenminuten ermöglicht, ohne jede Einheit von Hand zu läppen. Ein Set der Güteklasse 5 kann für 1 Bogenminute zu einem höheren Preis und einer längeren Lieferzeit bestellt werden.

Die Steifigkeit ist die zweite Hälfte derselben Spezifikation. Das Spiel gibt an, wie weit die Achse zurückgelegt wird, bevor der Lastpfad eingreift. Die Torsionssteifigkeit, angegeben in Nm pro Bogenminute, gibt an, wie weit sie sich nach Einwirkung der Last durchbiegt. Beide Zahlen gehören auf das Auswahlblatt, und das Zusammenspiel zwischen ihnen auf einer Servoachse wird in diesem Testbericht untersucht Spieldeterminanten bei der Roboterpositionierung .

Auswahl von Drehmomentdichte, Betriebsfaktor und Übersetzungsverhältnis

Dimensionieren Sie ein Planetengetriebe eher nach dem Spitzendrehmoment als nach dem Nenndrehmoment, da eine Servoachse beim Beschleunigen und Bremsen für einige hundert Millisekunden routinemäßig 200 % bis 300 % des Nenndrehmoments aufbringt. Bei einer Nennleistung, die nur das Dauerdrehmoment abdeckt, kommt es innerhalb des ersten Betriebsjahres einer Maschine mit hoher Zyklenzahl zu Lochfraß bei den Planetenzähnen.

Wenden Sie einen Servicefaktor von mindestens 1,5 für die Einschichtautomatisierung und 2,0 für den 24/7-Betrieb an und vergleichen Sie das Ergebnis dann mit dem Verhältnis, das Sie tatsächlich benötigen. Verhältnis, Spielklasse und Stufenanzahl sind keine unabhängigen Entscheidungen: Das Hinzufügen einer Stufe, um ein höheres Verhältnis zu erreichen, kostet etwa 3 Prozentpunkte an Effizienz und erhöht das Spiel bei jeder Masche.

Planetengetriebe der N-Serie mit hohem Drehmoment Überprüfen Sie dieses Gerät der N-Serie, wenn Sie den Betriebsfaktor, das Übersetzungsverhältnis, das Spiel und die Stufenanzahl anpassen, bevor Sie die Berechnungen für das Spitzendrehmoment und die Einschaltdauer nach ISO 6336 bestätigen. Produkt anzeigen →

Wenn der Arbeitszyklus häufiges Reversieren oder eine hohe reflektierte Trägheit umfasst, bestätigen Sie das Spitzendrehmoment, die Anzahl der Spitzenzyklen pro Stunde und die nach ISO 6336 berechneten Zahnfuß- und Flankensicherheitsfaktoren, bevor Sie den Auftrag freigeben.

Effizienz, Wärme und Arbeitszyklus

Jede Planetenstufe verliert etwa 2 bis 3 % der sie durchlaufenden Energie, so dass eine einstufige Einheit etwa 97 %, zwei Stufen etwa 94 % und drei Stufen etwa 91 % zurückgibt. Der fehlende Prozentsatz verschwindet nicht; es verlässt das Gehäuse als Wärme.

Die thermischen Nennwerte werden bei einer definierten Umgebungstemperatur, üblicherweise 40 Grad, und einer definierten Montageposition angegeben. Ein Gerät, das in ruhender Luft thermisch ausreichend ist, kann in einem geschlossenen Gehäuse überhitzen, und ein höherer Wartungsfaktor ist die kostengünstigste Lösung: Es wählt die nächsthöhere Rahmengröße, wodurch die Strahlungsfläche vergrößert wird, bevor die Kosten dadurch erheblich steigen.

Lebensdauer des Abtriebslagers, Radiallasten und Montageschnittstelle

Bei einer riemen-, ketten- oder ritzelgetriebenen Achse ist das Abtriebslager und nicht die Zahnradverzahnung das erste Bauteil, bei dem der Spielraum ausläuft. Die Kataloglagerlebensdauer wird nach ISO 281 berechnet und normalerweise als L10-Bewertung von 20.000 Stunden bei Nennlast angegeben, dem Punkt, an dem 90 % der Bevölkerung diese Zeitspanne überleben.

Koaxiales, bodenmontiertes Planetengetriebe mit hohem Drehmoment der N-Serie Erwägen Sie diese koaxiale Basiseinheit, wenn die Lebensdauer des Abtriebslagers, Querkraft, Axiallast und Starts pro Stunde die angetriebene Achse bestimmen. Produkt anzeigen →

Geben Sie dem Hersteller drei Zahlen: die Radiallast und ihren Angriffspunkt entlang der Abtriebswelle, die Axiallast und die Starts pro Stunde. Eine Querlast, die 25 mm weiter außen anliegt als angenommen, kann die berechnete Lagerlebensdauer halbieren.

Umwelt, Abdichtung und Schmierung

Über Schutzart und Schmierung entscheidet das Werk, nicht die Katalogseite. IP65 gemäß IEC 60529 ist das praktische Minimum, wenn Spritzwasser, Staub oder Metallpartikel vorhanden sind.

• Abgedichtete Einheiten mit lebenslanger Fettschmierung machen Ölwechsel überflüssig, weisen jedoch eine niedrigere Dauertemperaturgrenze auf als ölgeschmierte Rahmen gleicher Größe.
• Ölgeschmierte Einheiten, die mit mineralischem oder synthetischem Getriebeöl nach ISO VG 220 betrieben werden, bewältigen höhere Drehzahlen und Dauerbetrieb besser, allerdings auf Kosten eines Ölwechselintervalls.
• Lebensmittel-, Pharma- und Verpackungsbereiche schreiben in der Regel NSF H1-registrierte Schmierstoffe vor, die vor dem Zusammenbau der Einheit und nicht erst danach ausgewählt werden müssen.
• Extreme Umgebungstemperaturen, unter minus 10 oder über 45 Grad, verändern die Wahl des Schmiermittels und können eine Heizung oder einen Ventilator erfordern.

Eine sechsstufige Auswahlsequenz für automatisierte Maschinen

Passen Sie das Getriebe in sechs Schritten an den Arbeitszyklus an und notieren Sie die Zahl hinter jedem Schritt, damit eine spätere Änderung als Entscheidung und nicht als Vermutung zurückverfolgt werden kann.

Planetengetriebe für Schwenkantriebsanwendungen Verwenden Sie dieses Planetengetriebe, wenn Sie die Arbeitszyklusschritte anpassen. Wenn eine Prüfung fehlschlägt, sollten Sie einen größeren Rahmen in Betracht ziehen, bevor Sie zu einem niedrigeren Verhältnis wechseln. Produkt anzeigen →

Wenn ein Schritt fehlschlägt, verschieben Sie eine Bildgröße nach oben, bevor Sie zu einem niedrigeren Verhältnis wechseln. Eine Überdimensionierung des Rahmens ist reversibel, eine Unterdimensionierung des Verhältnisses jedoch nicht.

Spiel, Drehmomentdichte, Effizienz, Lagerlebensdauer und Abdichtung sind die fünf Faktoren, die ein Planetengetriebe, das die Toleranz ein Jahrzehnt lang hält, von einem Planetengetriebe unterscheiden, das zu einem Posten im Wartungsprotokoll wird. Die Angabe aller fünf im Vergleich zum tatsächlichen Arbeitszyklus dauert einen Nachmittag; Ihre Korrektur nach der Inbetriebnahme erfordert einen Shutdown.