RV-Reduzierer vs. Harmonic Drive in ABB-Robotern
Wenn einige Menschen zum ersten Mal mit ABB-Industrierobotern in Kontakt treten, sind ihre Augen auf Steuerschränke, Servomotoren und Teach-Pendants gerichtet. Doch letztendlich hängt es davon ab, ob ein Roboter sich „stabil oder instabil, präzise oder ungenau, langlebig oder nicht langlebig“ bewegt – die eigentliche Ursache dafür liegt tatsächlich in den Gelenken verborgen: nämlich in einigen Reduziergetrieben.
Die meisten Kollegen, die ABB-Roboter warten, haben dieses Getriebe bereits erlebt: Nach einigen Jahren beginnen sich bei Robotern allmählich Probleme wie Bahnabweichung, instabiles Schweißen, Vibrationen, Geräusche sowie eine altersbedingte Positionsabweichung zu zeigen; bei einer systematischen Fehlersuche werden die Geschwindigkeitsreduzierer in den Gelenken häufig als Ursache identifiziert. An der Roboter-Spitze (Kopf) kommen bei ABB-Robotern am häufigsten zwei Arten von Reduziergetrieben zum Einsatz: das sogenannte RV-Reduziergetriebe und das sogenannte Harmonic-Drive-Getriebe.
Kunden fragen häufig: „Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Getrieben?“, „Warum muss ABB dies tun? Warum verwendet ABB bei einigen Achsen RV-Getriebe und bei anderen Harmonic-Getriebe?“, „Welches ist langlebiger?“, „Welches ist genauer?“ Heute sprechen wir mit Ihnen – rein aus der Erfahrung aus der Werkstatt. 
Das Reduktionsgetriebe im Roboter dient letztlich dazu, …
Servomotoren für Industrieroboter: Sie drehen sich schnell – doch hier gibt es ein gravierendes Problem: Schnelle Drehung bedeutet nicht automatisch hohe Kraft. Bei der eigentlichen Arbeit benötigt der Roboter niedrige Drehzahlen, hohes Drehmoment, hohe Präzision und zudem eine stabile Leistungsabgabe. Denken Sie daran: Beim Schweißen muss die Bewegung dem Schweißnahtverlauf exakt folgen – sie muss daher besonders gleichmäßig verlaufen; beim Handling von Werkstücken mit einem Gewicht von mehreren hundert Pfund müssen die Gelenke die auftretenden Kräfte problemlos aufnehmen können – ein Nachgeben oder Zittern ist unzulässig. Das Getriebe senkt die hohe, aber „dumme“ Drehzahl des Motors ab, verstärkt das Drehmoment und sorgt zudem dafür, dass die Abtriebswelle genau an der gewünschten Position zum Stillstand kommt. Daher kann man das Getriebe als „Kraftverstärker“ und „Präzisionswächter“ in den Gelenken betrachten. Bei vielen ABB-Robotern bemerkt man bereits bei Verschleiß des Getriebes deutliche Auswirkungen: Die Bahnführung wird zunehmend instabil, die Wiederholgenauigkeit verschlechtert sich Tag für Tag, der Roboterarm beginnt zu vibrieren, Beschleunigung und Verzögerung erfolgen stoßartig nacheinander, die Schweißqualität schwankt stark – und schließlich löst der Roboter bei kritischen Störungen direkt einen Alarm aus.
RV-Reduzierer: solider und herstellungsbeständiger Träger
Welche Rolle spielt der RV-Reduzierer? Viele Menschen bezeichnen ihn auch als Zykloiden-Reduzierer. Das Beste an diesem Gerät ist genau eine Sache: seine Steifigkeit – und insbesondere seine hohe Beständigkeit gegenüber Verformung. Er wird in schwerlastfähigen Industrierobotern eingesetzt, um die Lastträger zu bewegen; daher finden sich RV-Reduzierer vor allem bei großen ABB-Robotern für Schweiß-, Handhabungs- und Palettierarbeiten – insbesondere an der Basis, am Arm sowie an den am stärksten belasteten Gelenken des Arms. Im Bauchbereich dieser Roboter ist im Grunde immer ein RV-Reduzierer verbaut. Stellen Sie sich vor: Wenn ein großer ABB-Roboter den gesamten Arm nach oben schwingt, müssen die wenigen Lager an der Basis die Trägheitskräfte aufnehmen – welche Größe diese Kräfte haben, können Sie sich sicher vorstellen. Ist der Reduzierer an dieser Stelle nicht steif genug, arbeitet der gesamte Roboter wie betrunken und schwankt. Der stärkste Aspekt des RV-Reduzierers ist dieses feste Gerüst.
Warum ist der RV-Getriebeuntersetzer so robust? Das hängt mit seiner inneren Struktur zusammen. Bei einem herkömmlichen Getriebeuntersetzer sind möglicherweise gleichzeitig nur ein oder zwei Zähne belastet, beim RV-Getriebeuntersetzer hingegen stehen viele Zähne gleichzeitig in Kontakt, wodurch die Kraft verteilt wird. Das ist vergleichbar mit einer Gruppe von Menschen, die gemeinsam ein schweres Objekt heben, anstatt sich auf eine einzelne Person zu verlassen, die es allein trägt. Auf diese Weise verteilt sich die Kraft gleichmäßig, die Stoßfestigkeit ist hoch, das Risiko eines Zahnbruchs gering, und auch bei langfristiger Hochlastbeanspruchung bleibt die Leistung stabil. Daher können viele schwere ABB-Roboter mit RV-Getriebeuntersetzern über Jahre hinweg eingesetzt werden. Dies ist insbesondere in Automobil-Schweißwerkstätten besonders augenfällig: Jene ABB-Schweißroboter arbeiten täglich mehr als zehn Stunden lang und drehen sich kontinuierlich über mehrere Jahre – und meistens hält nicht die Steuerung, sondern vielmehr die mechanischen Gelenkteile als Erstes nicht mehr stand, da sich dort allmählich Spiel einstellt. Im Allgemeinen ist die Gesamtlebensdauer des RV-Getriebeuntersetzers jedoch tatsächlich sehr lang.
Harmonikareduzierer: Geboren für „extreme Genauigkeit“.
Der Harmonikareduzierer verfolgt einen völlig anderen Ansatz als der RV-Getriebe, das darauf ausgelegt ist, „robust gebaut“ zu werden, während der Harmonikareduzierer speziell für „extreme Genauigkeit“ konzipiert ist. Der Harmonikareduzierer weist besonders deutliche Merkmale auf: geringe Baugröße, geringes Gewicht, extrem geringes Spiel – so gering, dass es nahezu vernachlässigbar ist – sowie eine beeindruckende Präzision. Betrachten Sie daher beispielsweise das Handgelenk eines ABB-Roboters: Bei den dortigen Achsen, insbesondere in den Abschnitten nahe dem Werkzeugende – etwa bei Lackier-, Präzisionsmontage- oder Kleinteilegreif-Anwendungen sowie im Elektroniksektor – kommt im Roboterhandgelenk nahezu ausschließlich der Harmonikareduzierer zum Einsatz. Der verfügbare Platz in diesem Bereich ist bereits äußerst begrenzt, und die Anforderungen an die Bewegungspräzision sind dabei ungewöhnlich hoch – genau hier liegt die Stärke des Harmonikareduzierers.
Warum kann der harmonische Reduzierer so präzise sein? Der Schlüssel liegt darin, dass er nahezu keine Übertragungslücke aufweist – das, was wir gemeinhin als „Spielen“ bezeichnen. Viele herkömmliche Reduzierer weisen dieses Problem auf: Wenn sich das Motorende leicht bewegt, folgt die Abtriebsseite nicht sofort dieser Bewegung; es bleibt stets eine Lücke bestehen. Je größer diese Lücke ist, desto ungenauer wird die Lokalisierung des Roboters. Harmonische Getriebe beruhen auf einem Prinzip flexibler Kraftübertragung und reduzieren das Spiel auf ein sehr niedriges Niveau. Deshalb spürt man bei dem Handgelenk eines ABB-Roboters besonders glatte Drehbewegungen – ohne dieses lockere, spielfreie Gefühl. Besonders deutlich wird dies bei Lackierrobotern: Schon minimales Zittern der Spritzpistole entlang ihrer Bahn führt sofort zu Streifenbildung, ungleichmäßiger Lackdicke, Orangenhaut-Effekt oder Spritzlücken. Daher ist die Präzision des harmonischen Reduziers am Handgelenk für Lackierroboter besonders kritisch.
Warum verwendet ABB nicht einfach einen einzigen Getriebeblock?
Warum verwendet ABB also nicht einfach beide – RV-Getriebe an der großen Achse und Harmonic-Getriebe an der kleinen Achse? Kurz gesagt: Industrieroboter benötigen von Natur aus sowohl hohe Steifigkeit als auch hohe Genauigkeit; diese beiden Anforderungen werden jeweils durch das RV- und das Harmonic-Getriebe erfüllt. ABBs üblicher Konstruktionsansatz besteht darin, die RV-Getriebe an den großen Gelenken am Roboteranfang und die Harmonic-Getriebe an den kleineren Gelenken am Roboterende einzusetzen. Dadurch wird bei einer Bewegung die Gesamtsteifigkeit für schwere Lasten sichergestellt, die Endbewegung bleibt präzise genug, und die Bahnsteuerung verläuft ebenfalls reibungslos. Tatsächlich stellt diese Konfiguration mittlerweile den Markstandard für die meisten auf dem Markt erhältlichen Industrieroboter dar.
RV- oder Harmonic-Getriebe – welches versagt eher?
Was leichter kaputtgeht, ist auch die Frage, die Kunden immer stellen. Realistisch betrachtet können wir nicht einfach sagen, welches Getriebe empfindlicher ist als das andere, da beide in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings ergibt sich aus der praktischen Erfahrung in Werkstätten, dass der Harmonikareduktor relativ gesehen etwas „empfindlicher“ ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass das flexible Rad im Inneren ständig einer elastischen Verformung unterliegt; bei langzeitiger, hochfrequenter Hin-und-Her-Bewegung tritt allmählich Ermüdung auf. Insbesondere hochfrequente, kleinamplitudige Bewegungen – Tag und Nacht ohne Unterbrechung sowie häufige Start-Stopp-Vorgänge – beschleunigen den Verschleiß des Harmonikareduktors. Der RV-Reduktor hingegen ist besonders anfällig für stoßartige Schwerlastbelastungen, beispielsweise bei Roboter-Kollisionen, Überlastung, Notstopps oder bei älteren Anlagen mit hoher Trägheit, bei denen die mechanische Belastbarkeit nachlässt; in solchen Fällen entstehen oft verborgene Schäden an Zahnrädern und Lagern.
Welche Anzeichen deuten auf ein defektes Getriebe hin?
Im Feld ist der Vorläufer eines Reduzierers, der aus Schwierigkeiten gerät, besonders deutlich erkennbar; doch viele Menschen vermuten zunächst, es handele sich um einen Servo oder Motor – das Ergebnis ist jedoch ein Reduzierer. Wenn Sie von mir wissen möchten, bei welchen Symptomen Sie an den Reduzierer denken müssen: Die Positionierung des Roboters wird zunehmend ungenauer – dies ist das typischste Anzeichen. Insbesondere bei Schweißrobotern stimmt der Schweißpunkt am Anfang noch, doch im Laufe der Zeit treten immer stärkere Abweichungen auf; nach einer Neukalibrierung des Nullpunkts funktioniert die Anlage für ein bis zwei Tage gut, danach tritt erneut eine Fehlfunktion auf – in neun von zehn Fällen liegt hier eine Abnutzung der Reduzierspielräume vor. Die Roboterbewegung beginnt zu zittern; bei niedrigen Geschwindigkeiten ist dies besonders augenfällig. Bei manchen ABB-Robotern spürt man beim langsamen, manuellen Positionieren mit dem Handrad regelrecht ein Auf- und Abschwingen, ein Flattern – die Bewegung ist nicht mehr ausreichend glatt; dies deutet höchstwahrscheinlich auf innere Verschleißerscheinungen hin. An den Gelenken treten Geräusche auf: Klickgeräusche, metallisches Reibungsgeräusch oder dumpfe Schläge – nehmen Sie diese nicht auf die leichte Schulter. Insbesondere bei defekten Lagern im RV-Reduzierer sind die Geräusche besonders deutlich hörbar; dennoch bestehen viele Anwender weiterhin auf einem Betrieb, bis schließlich das gesamte Gelenk zerstört ist. Außerdem heizen sich die Gelenke stark auf: Sobald der Reduzierer verschlissen ist, nimmt die Reibung stark zu; Sie bemerken deutlich, dass die Temperatur der Welle merklich höher ist als die der übrigen Komponenten – im Extremfall können Sie sogar den Geruch verderbter Schmierfette wahrnehmen.
Wie pflegt man es, um eine längere Nutzungsdauer zu gewährleisten?
Bei der Wartung dieses Bauteils neigen viele Fabriken dazu, den mechanischen Teil zu vernachlässigen und anzunehmen, dass das Gerät problemlos in Betrieb genommen werden kann. Der Roboter-Getriebe jedoch fürchtet am meisten, über längere Zeit hinweg keine Aufmerksamkeit zu erhalten. Insbesondere bei Dreischicht-Betrieb rotierenden ABB-Robotern wiederholen wir unseren Kunden regelmäßig einige Hinweise: Spüren Sie Temperaturschwankungen, achten Sie auf Geräusche, fühlen Sie Schwingungen und beobachten Sie, ob sich Unterschiede innerhalb eines Tages bemerkbar machen. Die Schmierung sollte zudem regelmäßig je nach Situation überprüft werden. Viele Getriebe werden nicht plötzlich entsorgt – tatsächlich laufen sie bereits lange Zeit mit Abnutzung, ohne dass dies jemand bemerkt. Eine frühzeitige Erkennung ermöglicht oft lediglich den Austausch eines Lagers oder einen Ölwechsel als Lösung; verzögert man hingegen die Wartung, wird das gesamte Getriebe schließlich zum Altmetall.
Der Rückgang der Präzision hat meist seine Ursache im Getriebe
Bei vielen ABB-Robotern liegt die Ursache für eine ungenaue Positionierung nicht zwangsläufig im Encoder oder im Motor. Denn denken Sie doch mal nach: Selbst wenn Ihr Steuerungssystem und die daran angeschlossene Elektronik die Berechnungen präzise durchführen – wenn das mechanische System selbst Spiel aufweist, ist die endgültige Bewegung zwangsläufig fehlerbehaftet. Genau deshalb weisen manche ABB-Roboter trotz normalem Encoder, intaktem Motor und unveränderten Parametereinstellungen instabile Trajektorien auf. Bei der Demontage der Gelenke stellt sich heraus, dass der Getriebe reduzierer verschlissen ist. Dies tritt insbesondere bei Schweißrobotern auf, die bereits mehrere Jahre im Einsatz sind.
Reparatur oder Austausch des Getriebes
Ob das Getriebe repariert oder ausgetauscht werden soll, hängt von der konkreten Situation ab. In einigen Fällen – beispielsweise bei Lagerabnutzung, Schmierstoffversagen oder nur geringfügigem Spiel – ist eine Reparatur möglich. Wenn jedoch die Zahnräder bereits gebrochen sind, das Flexrad ermüdet und gebrochen ist oder der innere Verschleiß sehr gravierend ist, ist es in der Regel kostengünstiger, das Getriebe direkt durch ein neues zu ersetzen. Der Grund hierfür ist, dass die Kosten durch Ausfallzeiten von Robotern oft deutlich höher liegen als der Preis des Getriebes selbst. Dies gilt insbesondere für Automobilfertigungslinien, bei denen bereits ein einziger Tag Ausfallzeit den Kauf mehrerer Getriebeköpfe finanzieren könnte.
