DE19630486A1 - Verfahren zur Herstellung eines spielarmen, hochuntersetzenden Planetengetriebes für Roboter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Planetengetriebes und ein Planetengetrie­ be, das ein mit einer Antriebswelle verbundenes Sonnenrad aufweist sowie zwei innenverzahnte Hohlräder, von denen eines feststeht und das andere drehbar gelagert ist und den Abtrieb bildet und das mehrere Planetenräder aufweist, die jeweils zwei Verzahnungsbereiche aufweisen, welche in die beiden Hohlräder eingreifen und die auf Planetenachsen im Planetenträger gelagert sind.

Mit derartigen Getrieben sind hohe Übersetzungen bei engem Bauraum erzielbar. Bei Einsatz in Robotern ist es jedoch wünschenswert, neben einer hohen Steifigkeit auch Laufruhe und Gleichförmigkeit der Drehübertragung ein­ schließlich geringer Geräuschentwicklung des Antriebes zu gewährleisten und gleichzeitig die Herstell- und Montageko­ sten zu senken und die Reibungseinflüsse zu vermindern. Eine hohe Gleichförmigkeit der Übertragung ist insbesondere für Roboter erforderlich, die zum Lichtbogenschweißen oder zum Kleben eingesetzt werden. Ein wesentliches Problem, das die oben genannten Eigenschaften entscheidend beeinflußt, liegt dabei in der radialen und axialen Ausrichtung der Hohlradzahnlücken sowie in den vorhandenen Rundlauffehlern von Verzahnungen und Lagersitzen der beiden Hohlräder zu­ einander. So muß die gemeinsame Zahnlücke der Hohlräder für die Aufnahme eines Planetenzahnes aufgrund des sehr gerin­ gen zur Verfügung stehenden Flankenspiels möglichst stufen­ frei ausgebildet werden. Dieses wird mit Einstellscheiben oder noch aufwendigeren Lösungen wie z. B. Gewinde er­ reicht. Weiterhin ist das minimal einstellbare Flanken­ spiel, sofern ein Klemmen der Räder während des Betriebes vermieden werden soll, von den erzielbaren Rundlauffehlern der Einzelteile abhängig. Dies bedeutet, daß kleine Getrie­ be mit guten Gleichlaufeigenschaften nur durch einen hohen Fertigungs- und Montageaufwand herstellbar sind.

Aus der US-PS 1 499 763 ist ein Getriebe mit hoher Untersetzung bekannt. Zu seiner Herstellung wird vorge­ schlagen, die Planeten mit zwei Ritzeln mit gleichen Teil­ kreisdurchmessern, unterschiedlichen Zähnezahlen und ver­ schiedenen Modulen zu bestücken. Bei diesem bekannten Ge­ triebe sind die Verzahnungsbereiche der Stufenplaneten zy­ lindrisch ausgebildet und die Achsen der Stufenplaneten sind gegenüber der Mittelachse des Getriebes geneigt, um die zylindrischen Verzahnungsbereiche an die konisch ver­ zahnten Hohlräder anzupassen. Die radial geneigten Achsen der Stufenplaneten bewirken am Planetenträger einen Axial­ schub, der in entsprechenden Lagern aufgefangen wird. Diese Lager verursachen nicht nur Kosten, sondern vergrößern den Bauraum und damit das Gewicht. Bei größeren Lagerabmessun­ gen wird zudem auch die Leerlaufreibung erhöht. Da sich die geneigten Achsen der Stufenplaneten mit der Mittelachse des Getriebes unter einem Winkel schneiden, ergibt sich selbst unter günstigen Bedingungen ein Flankenkontakt unter Punkt­ berührung. Dies ist jedoch keine optimale Voraussetzung für eine geringe Geräuschentwicklung, die Tragfähigkeit und die korrekten Eingriffsverhältnisse eines Getriebes.

Insbesondere in der Handhabungstechnik werden zur Lei­ stungsübertragung von hochtourigen Antriebsmotoren hochun­ tersetzende Getriebe benötigt. Einen Anwendungsfall stellen dabei Industrieroboter dar, bei denen Planetengetriebe ein­ gesetzt werden. Für die Präzision eines Industrieroboters kommt dem Planetengetriebe eine zentrale Bedeutung zu. Es müssen präzise Bewegungsabläufe mit höchster Wiederholge­ nauigkeit gewährleistet sein. Für ein derartiges Planeten­ getriebe sind insbesondere folgende Kriterien von Bedeu­ tung: Geringes einstellbares Verdrehspiel, hohe Steifig­ keit, hoher Wirkungsgrad, niedrige Wärmeentwicklung, gerin­ ge Vibration und hohe Laufruhe. Der Gesamtwirkungsgrad ist ein mitentscheidendes Kriterium für die Brauchbarkeit des Planetengetriebes. Innere Verspannungen haben durch die resultierende erhöhte innere Wälzleistung einen gravieren­ den Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad.

Ein Planetengetriebe mit gleichen Zähnezahlen und gleichen Teilkreisen in beiden Zahnbereichen des Planeten ist aus der US-PS 5 242 336 bekannt. Dieses Getriebe hat den Nachteil, daß die Verzahnungen der Hohlräder mittels Gewinde auf einen gemeinsamen Kegel ausgerichtet werden müssen. Die Rundlauffehler von Rotor und Stator addieren sich und können bei zu geringem Zahnflankenspiel zu parti­ ellem Klemmen der Verzahnung führen. Bei diesem geradver­ zahnten Getriebe ist ferner ein relativ großer eingriffs­ freier axialer Zwischenraum zwischen den beiden Hohlrädern erforderlich, der die axiale Baulänge des Getriebes erhöht und dessen Steifigkeit mindert. Von erheblichem Nachteil ist ferner die Zunahme an Massenträgheitsmoment, da die Planeten und der Planetenträger durch diesen Zwischenraum deutlich schwerer werden. Die dynamischen Eigenschaften dieses Antriebs werden durch diese Ausgestaltung ver­ schlechtert, insbesondere wenn die Planetenräder und der Planetenträger mit hohen Drehzahlen rotieren. Wollte man den erwähnten axialen Zwischenraum vermeiden, so wären er­ hebliche Verzerrungen der Eingriffsverhältnisse unvermeid­ bar. Extreme Werte im Profilverschiebungsfaktor der Hohlrä­ der führen zu spitzen Zahnlücken in den Hohlrädern, was sich auch ungünstig auf die Verzahnungswerkzeuge auswirkt. Weiterhin würden extreme Werte beim Betriebseingriffswinkel zu Geräusch-, Reibmoment- und Verschleißproblemen führen.

Die europäische Patentanmeldung 627575 beschreibt ein Wolfrom-Planetengetriebe, bei dem die Planetenräder axial In zwei unterschiedlich verzahnte Bereiche aufgeteilt sind. Die Teilkreisdurchmesser der beiden Verzahnungsbereiche können gleich oder ungleich sein. Die in beiden Bereichen auftretenden Axialkräfte sollen durch gegensinnige Schräg­ verzahnungen etwa gegeneinander aufgehoben werden. Betrach­ tet man die auftretenden Zahnkräfte, so stellt man fest, daß sich die auftretenden Axialkräfte nicht gegenseitig aufheben, sondern sich zu einer Resultierenden addieren.

Bei dem Planetengetriebe nach der internationalen Pa­ tentanmeldung WO 95/04232 weisen die Planetenräder eben­ falls eine durchgehende Verzahnung auf. Der Vorteil dieser Anordnung besteht insbesondere darin, daß die Hohlräder in Axialrichtung unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet werden können. Dies gewährleistet eine hohe Steifigkeit des Getriebes, wenngleich der Unterschied in den Zähnezahlen der beiden Hohlräder klein sein sollte. Durch die Verzah­ nung mit durchgehend konstantem Profil der Zahnflanken an den Planeten müssen bei der gegenseitigen Abstimmung mit den Verzahnungen der beiden Hohlräder Kompromisse geschlos­ sen werden.

Schließlich beschreibt die deutsche Patentanmeldung 195 25 831.2 vom 14.07.1995 der Anmelderin ein Planetenge­ triebe mit einem angetriebenen Sonnenrad, einem ersten und einem zweiten, jeweils innen - und konisch verzahnten Hohl­ rad, von denen das erste feststeht und das zweite drehan­ treibbar gelagert ist und den Abtrieb bildet und mit Stu­ fenplaneten mit konisch verzahnten Stufenrädern, die an einem Planetenträger in der Weise gelagert sind, daß sie in ständigem Zahneingriff mit dem Sonnenrad und den Hohlrädern stehen, wobei die Neigungswinkel, d. h. die Konusrichtungen der Verzahnungen der Stufenräder sowie der Hohlräder zuein­ ander entgegengesetzt verlaufen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Getriebes zu schaffen, mit dem insbesondere bei kleinen und mittleren Baugrößen gute Gleichlaufeigenschaften bei geringstem Spiel ohne Klemmer­ scheinungen mit geringem Aufwand erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem gattungs­ gemäßen Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird also vorschlagen, daß ein beson­ ders geräuscharmes für Industrieroboter geeignetes Getriebe mit geringstem Spiel dadurch hergestellt werden kann, daß die beiden Verzahnungsbereiche der Hohlräder gemeinsam mit einem einzigen außen verzahnten Werkzeug bearbeitet werden, wobei die Hohlräder zur Feinbearbeitung entsprechend vor­ montiert werden. Das Werkzeug ist dabei ähnlich dem Plane­ ten im Getriebe ausgebildet, wobei es sich von diesem durch die Wahl eines anderen Schrägungswinkels, einer geringfügig abweichenden Zähnezahl, der notwendigen Verzahnungskorrek­ turen sowie der Modifikation anderer Verzahnungskenndaten (z. B. Außendurchmesser) unterscheidet. Das Werkzeug kann im Kopfkreisdurchmesser konisch oder zylindrisch sein. Mög­ liche Ausgestaltungen der Hohlräder bzw. der Planetenräder sind in den Ansprüchen 6 und 7 aufgeführt.

Die sich durch Wahl eines abweichenden Schrägungswin­ kels ergebende Achslage von Werkzeug und Werkstück ermög­ licht eine auf überwiegend dem bekannten Tauchverfahren beim Zahnflankenhonen basierende Bearbeitungsmethode beider Verzahnungsbereiche in einer einzigen Aufspannung.

Eine geringfügige Oszillation in Zahnbreitenrichtung ist aufgrund der überwiegend zylindrischen Ausführung der Verzahnungsbereiche des Werkzeuges ebenfalls möglich und trägt so zu einer weiteren Verbesserung der Qualität der Räder bei.

Durch die Wahl ähnlicher Eingriffsverhältnisse wird der Vorteil erzielt, daß das Werkzeug die gesamte zur gleichförmigen Drehübertragung benötigte Eingriffsstrecke in beiden Hohlrädern erzeugt. Vorteilhaft ist, wenn die Aufspannung der beiden Hohlräder zur Bearbeitung das Lager beinhaltet. So können Rundlauffehler des Lagers und der Verzahnungsbereiche der Hohlräder eliminiert werden.

Vorzugsweise ist das Werkzeug mit Diamant, CBN oder einem ähnlichen in der Verzahnungstechnik oder anderen Fer­ tigungsverfahren üblichen, schneidfreudigen Belag versehen. Während des Bearbeitungsprozesses wird das Lager vorzugs­ weise durch eine Dichtung vor dem Abrieb, der durch die Feinbearbeitung erzeugt wird, geschützt. Das Lager ist vor­ zugsweise ein Kreuzrollenlager.

Vorteile hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Dreh­ übertragung des Planetengetriebes ergeben sich, wenn ein Hohlrad oder beide Hohlräder während der Bearbeitung ange­ trieben werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner der Vorteil erzielt, daß aufgrund der gemeinsamen Bearbeitung der Hohlradbaugruppe einschließlich Lager ein nachträgli­ ches Ausrichten, beispielsweise durch Distanzscheiben oder durch Einstellgewinde, der Hohlräder zueinander nicht er­ forderlich ist.

Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß während der Vormontage der Hohlräder die Bau­ teile gegen axiales bzw. radiales Verschieben gesichert sind. Die bisher übliche Einstellscheibe zwischen den Hohl­ rädern sowie die dafür benötigten Abdichtungen können ent­ fallen.

Durch die aus diesem Verfahren resultierende gleichmä­ ßige und genaue Spielaufteilung auf beide Hohlradeingriffe können neben noch geringeren Verdrehspielen des Gesamtge­ triebes erhebliche Vorteile hinsichtlich der Gleichförmig­ keit der Bewegungsübertragung, des Geräuschverhaltens und der Beanspruchbarkeit erzielt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Aufspannung der Hohlräder beim Leistungshonen;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Planetengetriebe und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Getriebe­ teiles.

Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Arbeitsraum und Achskreuzwinkel in einer gemeinsamen Aufspannvorrichtung zur gleichzeitigen Bearbeitung der Innenverzahnungen der beiden mit 1 und 2 bezeichneten Hohlräder eines Planetenge­ triebes, wobei mit 5 eine mitlaufende oder gekoppelte An­ triebswelle für das Werkzeug 6 bezeichnet ist und mit 7 der Achskreuzungspunkt.

Das Werkzeug 6 bearbeitet dabei die beiden Verzah­ nungsbereiche der Hohlräder 1, 2 gleichzeitig und weist gegenüber dem späteren Planeten einen anderen Schrägungs­ winkel, eine geringfügig abweichende Zähnezahl und weitere notwendige Verzahnungskorrekturen auf sowie einen gegebe­ nenfalls veränderten Außendurchmesser. Während der Bearbei­ tung kann ein Hohlrad 1 durch einen nicht dargestellten Antrieb angetrieben werden, womit eine höhere Gleichförmig­ keit der Drehübertragung des Planetengetriebes erzielt wird. Ebenso ist es möglich, beide Hohlräder entsprechend der Übersetzung des Planetengetriebes anzutreiben.

Durch die Wahl ähnlicher Eingriffsverhältnisse wird sichergestellt, daß das Werkzeug 6 die gesamte, zur gleich­ förmigen Drehübertragung benötigte Eingriffsstrecke in bei­ den Innenverzahnungsbereichen der Hohlräder 1, 2 erzeugt. Das Werkzeug kann dabei mit Diamant, CBN oder einem ähnli­ chen schneidfreudigen Belag versehen sein.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Planetengetriebe, wobei mit 1 das bewegliche Hohlrad, mit 2 das feststehende Hohlrad, mit 8 das Plane­ tenrad, mit 9 der Planetenträger, mit 10 ein Kreuzrollenla­ ger, mit 11 das Planetenträgerlager und mit 12 eine Radial­ wellendichtung bezeichnet sind.

Fig. 3 zeigt eine etwas vergrößerte Darstellung durch den in Fig. 2 oberhalb der Längsachse dargestellten Teil des Planetengetriebes, wobei auch hier gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In den Figuren erkennt man, daß aufgrund der gemeinsa­ men Bearbeitung der Hohlradbaugruppe einschließlich Lager ein nachträgliches Ausrichten der Hohlräder 1, 2 zueinan­ der, beispielsweise durch Distanzscheiben oder Einstellge­ winde, während der Montage nicht notwendig ist.

Während der Vormontage der Hohlräder ist es möglich, die Bauteile gegen axiales bzw. radiales Verschieben zu sichern, so daß die bisher üblichen Einstellscheiben zwi­ schen den Hohlrädern 1, 2 sowie die dafür benötigten Ab­ dichtungen entfallen können.

Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Planetengetriebe wird durch die gleichmäßige Spielaufteilung auf die Ein­ griffe Rotor - Planet und Stator - Planet neben erheblichen Einsparungen im Montagebereich auch eine nochmalige Absen­ kung der Verschleißneigung des Getriebes gewährleistet, da alle Kombinationen von möglichen Zahnpaarungen der Hohlrä­ der und Planeten während des Abwälzens genügend Zahnflan­ kenspiel erhalten, da der Abwälzprozeß des Planeten mit beiden Hohlrädern bei der Herstellung der Verzahnung simu­ liert wird.

Dieses Herstellungsverfahren ist neben den bereits geschilderten Vorgehensweisen auch für ähnliche Getriebe­ bauformen geeignet, bei denen die einzelnen Verzahnungen durch unterschiedliche Module bzw. Eingriffsteilungen, d. h. Teilkreise ausgeführt sind, wie beispielsweise die doppel­ konische Bauform. Vergleichbare Vorteile können dabei er­ zielt werden.

Bezugszeichenliste

1 Hohlrad (Rotor)
2 Hohlrad (Stator)
5 Antriebswelle des Werkzeugs
6 Werkzeug
7 Achskreuzungspunkt
8 Planetenrad
9 Planetenträger
10 Lager
11 Planetenträgerlager
12 Radialwellendichtung

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Planetengetriebes, das ein mit einer Antriebswelle verbundenes Sonnenrad auf­ weist, sowie zwei innenverzahnte Hohlräder (1, 2) von denen eines feststeht und das andere über ein Lager drehbar gela­ gert ist und den Abtrieb bildet und das mehrere Planetenrä­ der (8) aufweist, die jeweils zwei Verzahnungsbereiche auf­ weisen, welche in die beiden Hohlräder (1, 2) eingreifen und die auf Planetenachsen im Planetenträger (9) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungsbereiche der beiden Hohlräder in einer gemeinsa­ men Aufspannung bearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aufspannung das Lager (10) be­ inhaltet, wodurch Rundlauffehler des Lagers (10) und der Verzahnungsbereiche der Hohlräder (1, 2) eliminiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lager (10) ein Kreuzrollenlager verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Hohl­ räder (1, 2) während der Bearbeitung angetrieben wird und das andere bei der Bearbeitung frei mitläuft, womit eine höhere Gleichförmigkeit der Drehübertragung des Planetenge­ triebes erzielt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlrä­ der (1, 2) während der Bearbeitung entsprechend dem für das Getriebe gewünschten Übersetzungsverhältnis angetrieben werden, womit eine höhere Gleichförmigkeit der Drehübertra­ gung des Planetengetriebes erzielt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlrä­ der (1, 2) mit einer leicht konischen Innenverzahnung ver­ sehen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (8) mit einem im wesentlichen zylindrischen Verzahnungsbereich versehen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungsbereiche der beiden Hohlräder (1, 2) durch Zahnflankenhonen mittels eines Werkzeuges (6) mit einer Außenverzahnung bearbeitet werden, das wie ein Planetenrad ausgestaltet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Werkzeug (6) mit Außenverzah­ nung ein in der Zähnezahl geringfügig abweichendes im Kopf­ kreisdurchmesser konisches Werkzeug verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Werkzeug (6) mit Außenverzah­ nung ein in der Zähnezahl geringfügig abweichendes im Kopf­ kreisdurchmesser zylindrisches Werkzeug verwendet wird.

11. Planetengetriebe, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Hohlrädern (1, 2) keine Distanzscheiben oder Einstellgewin­ de zur Ausrichtung sind.