Warum eine einzige Planetengetriebeserie nicht alle sechs Robotergelenke bedienen kann
Die sechs Achsen eines Standard-Industrieroboters unterscheiden sich nicht nur im Drehmomentbedarf, sondern grundlegend darin, welche physikalische Eigenschaft des Getriebes am wichtigsten ist. J1 und J2 werden von Anforderungen an Trägheit und Torsionssteifigkeit dominiert, die Standard-Planetengetriebe in ihrer Drehmomentklasse nicht adäquat erfüllen können. Bei J3 geht es um ein optimales Verhältnis von Drehmoment und Wirkungsgrad. J4 und J5 stellen primär ein Platzproblem dar, bei dem die axiale Tiefe darüber entscheidet, ob das Roboterhandgelenk innerhalb seines Zielbereichs bleibt. J6 ist ein Problem der Minimierung von Geschwindigkeit und Masse.
Die Verwendung desselben Getriebetyps für alle sechs Gelenke – eine gängige Vereinfachung in frühen Phasen der Roboterentwicklung – führt dazu, dass einige Gelenke überdimensioniert (schwer, teuer, hohe Trägheit) und andere unterdimensioniert (unzureichende Steifigkeit oder axiale Belastbarkeit) sind. Der korrekte Ansatz besteht darin, jedes Gelenk als unabhängiges Auswahlproblem zu behandeln und es der Reihe nach von J1 an zu lösen.
| Gemeinsam | Primärer Designfaktor | Typischer Drehmomentbereich | Typisches Verhältnis | IP-Anforderung | Empfohlene EP-Serie |
|---|---|---|---|---|---|
| J1 — Taille | Torsionssteifigkeit Trägheit immer >5:1 |
800–3000+ N·m | 20:1 – 40:1 | IP65 bevorzugt | EP-ZDS-142/190 |
| J2 — Großer Arm | Drehmoment + Steifigkeit Maximales Gravitationsdrehmoment |
600–2000+ N·m | 16:1 – 25:1 | IP65 bevorzugt | EP-ZDS-115/142 |
| J3 — Kleinarm | Drehmoment + Wirkungsgrad | 250–800 N·m | 10:1 – 20:1 | IP54 | EP-ZDS-115 oder EP-ZDE-160 |
| J4 — Handgelenkrolle | Axiale Tiefe (kompakt) | 20–80 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-80 oder EP-ZDE-80 |
| J5 — Handgelenksbeugung | Axiale Tiefe (kompakt) | 15–60 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-60/80 |
| J6 — Werkzeugrotation | Massenminimierung | 5–20 N·m | 3:1 – 8:1 | IP54 | EP-ZDE-60 |
J1 und J2 – Warum die Torsionssteifigkeit wichtiger ist als das Spiel
J1 (Taillenrotation) und J2 (großer Arm) sind die anspruchsvollsten Gelenke eines jeden 6-Achs-Roboters. Bei J1 rotiert der gesamte Roboterkörper mit maximaler Nutzlast um die Basis. Bei J2 wirkt das kombinierte Gewicht von Unterarm, Handgelenk und Nutzlast im maximalen Hebelarm, wenn der Arm horizontal vollständig ausgestreckt ist. Beide Gelenke weisen eine entscheidende Eigenschaft auf: Ihr Lastträgheitsmoment übersteigt das des Servomotorrotors selbst bei einem Übersetzungsverhältnis von 20:1 um das 10- bis 35-Fache.
Bei einem Roboter mit 100 kg Nutzlast beträgt das effektive Lastträgheitsmoment an J1 etwa 540 kg·m² – der gesamte Roboterkörper mit Nutzlast rotiert um die Basis. Ein großer Servomotor dieser Klasse hat ein Rotorträgheitsmoment J_Motor ≈ 0,15 kg·m². Bei einem Übersetzungsverhältnis von 20:1 gilt: J_reflected = 540/20² = 1,35 kg·m², was ein Trägheitsverhältnis von 1,35/0,15 ergibt = 9:1 — deutlich über dem „sicheren“ Zielwert von 3:1. Bei J2 mit einem Verhältnis von 20:1 verbessert sich das Verhältnis auf etwa 2:1, wodurch 20:1 das bevorzugte Verhältnis für J2 wird.
Die technische Lösung: Torsionssteifigkeit erhöht die Resonanzfrequenz
Wenn das Trägheitsverhältnis 3:1 überschreitet, regt die übliche Vorgehensweise – Erhöhung der Servo-Kv-Verstärkung – die mechanische Resonanzfrequenz des Antriebsstrangs an. Für J1 und J2 muss diese Resonanzfrequenz über die Bandbreite der Servoregelung (typischerweise 50–100 Hz für Robotergelenksteuerungen) angehoben werden, um Schwingungen zu vermeiden. Die Resonanzfrequenz des Last-Getriebe-Systems beträgt:
Diese Berechnung erklärt, warum Roboterhersteller in der Vergangenheit für J1 und J2 spielfreie, extrem steife Wellengetriebe einsetzten und warum die hochsteife EP-ZDS-Serie – mit einer Torsionssteifigkeit von bis zu 130 N·m/arcmin und einer axialen Tragfähigkeit von 28.000 N – für diese Gelenke die relevante EP-Serie und nicht die Standard-EP-ZDE ist. Die Spielvorgabe (<8 arcmin für EP-ZDS) ist für den Ct-Wert an dieser Achse zweitrangig.
- Drehmoment: Berechnung des Gesamtkörperträgheitsmoments + Nutzlast × maximale Winkelbeschleunigung, SF = 2,0–2,5
- Steifigkeit: Ct ≥ 44 N·m/arcmin (EP-ZDS-142 oder -190)
- Axial: typischerweise niedrig bei J1 (Taille ist horizontal) – EP-ZDE-160 kann ausreichend sein, wenn kein vertikaler Versatz vorhanden ist
- Schutzart IP65 für Schweiß- und Karosseriewerkstätten
- Verhältnis: 20:1–25:1, um das Trägheitsverhältnis unter 10:1 zu bringen
- Drehmoment: Schwerkraftdrehmoment bei voller horizontaler Streckung + Beschleunigungsdrehmoment, SF = 2,0
- Mit einem Verhältnis von 20:1 erreicht man ein Trägheitsverhältnis von ≈ 2:1 (siehe Berechnung oben).
- Steifigkeit: Ct ≥ 20 N·m/arcmin — EP-ZDS-115 im Verhältnis 20:1 liefert Ct = 22 N·m/arcmin
- Axial: signifikant – das Gewicht des Arms erzeugt eine axiale Belastung auf der J2-Abtriebswelle; mit dem Grenzwert vergleichen.
- Schutzart IP65 für raue Umgebungen; Schutzart IP54 ist für Reinräume oder allgemeine Automatisierungsanwendungen geeignet.
J3 – Kleiner Arm: Der optimale Punkt zwischen Drehmoment und Effizienz
J3 treibt Unterarm, Handgelenk und Nutzlast an – typischerweise 50–80 kg bei einem Roboter mit 100 kg Nutzlast. Bei maximaler Streckung erzeugt dies ein Drehmoment von 350–500 Nm. Zusammen mit dem Beschleunigungsdrehmoment und einem Betriebsfaktor von 1,75 für moderate Stöße beträgt das erforderliche Ausgangsdrehmoment typischerweise 600–900 Nm. Damit liegt J3 an der Grenze zwischen dem EP-ZDE-160 (Nenndrehmoment 800 Nm) und dem EP-ZDS-115 (Nenndrehmoment 260 Nm bei einem Übersetzungsverhältnis von 20:1 bzw. 780 Nm bei einem zweistufigen Übersetzungsverhältnis über den EP-ZDS-142).
Bei J3 beträgt das Trägheitsverhältnis bei 16:1 etwa 1,7:1 – ein idealer Bereich für eine stabile Servoabstimmung ohne die Notwendigkeit außergewöhnlicher Torsionssteifigkeit. Dadurch wird J3 zum ersten Gelenk, bei dem die Effizienz (und somit das Wärmemanagement) zu einem relevanten Unterscheidungsmerkmal wird. Ein einstufiger Servo mit 96%-Effizienz am EP-ZDE-160 erzeugt im Armgehäuse deutlich weniger Wärme als ein zweistufiger Servo mit 94%-Effizienz während kontinuierlicher Pick-and-Place-Zyklen.
| Konfiguration | Maximales Drehmoment | Effizienz | Ct (N·m/arcmin) | Gewicht (2-stufig) | Am besten geeignet für J3 |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-160, 16:1 | 800 N·m | 94% | 38 | 22 kg | ✅ T ≤ 700 N·m |
| EP-ZDS-142, 16:1 | 910 N·m | 94% | 44 | 18,5 kg | ✅ J3 mit hohem Drehmoment |
| EP-ZDS-115, 20:1 | 260 N·m | 94% | 22 | 11,6 kg | ⚠ Nur wenn T ≤ 250 N·m |
J3-Entscheidungsregel: Wenn das benötigte Gesamtdrehmoment (Schwerkraft + Beschleunigung × SF) 700 N·m übersteigt, wählen Sie EP-ZDS-142 im Verhältnis 16:1. Liegt es unter 700 N·m und ist IP65 nicht erforderlich, ist EP-ZDE-160 im Verhältnis 16:1 die kostengünstigere Wahl bei vergleichbarer Effizienz. EP-ZDS-142 bietet eine höhere Torsionssteifigkeit (44 gegenüber 38 N·m/arcmin) und IP65 als zusätzliche Sicherheitsreserve für J3-Anwendungen, bei denen das Armgehäuse Umwelteinflüssen ausgesetzt ist.
J4 und J5 – Handgelenke: Wo die axiale Tiefe die Konstruktion bestimmt
Die Roboterhandgelenke J4 (Rollen) und J5 (Biegen) haben vergleichsweise geringe Drehmomentanforderungen – typischerweise 20–80 Nm, abhängig von der Masse des Handgelenks und der Werkzeuglast. Die größte Herausforderung bei J4/J5 ist nicht das Drehmoment, sondern der verfügbare Platz. Das Handgelenk muss in den Roboterarm passen, und jeder Millimeter axialer Getriebetiefe vergrößert direkt den Außendurchmesser bzw. die Länge des Handgelenks. Bei kollaborativen Robotern mit einem angestrebten Handgelenkdurchmesser von 100 mm entspricht der Unterschied zwischen einem linearen EP-ZDE-80-Getriebe und einem rechtwinkligen EP-ZDWE-80-Getriebe an J4 dem Unterschied zwischen einem realisierbaren und einem nicht realisierbaren Handgelenkquerschnitt.
Die rechtwinklige EP-ZDWE-Serie weist im Vergleich zur Inline-Serie EP-ZDE bei gleicher Baugröße ein größeres Spiel auf (<25–30 Bogenminuten gegenüber <8 Bogenminuten), wie im Spielleitfaden erläutert. Für J4/J5 in servogesteuerten Robotern ist dies unproblematisch, da der Servoregelkreis das Spiel im geschlossenen Regelkreis vollständig kompensiert. Das Spiel wird erst bei Schrittmotorsystemen mit offenem Regelkreis relevant, die nicht für Präzisionsrobotergelenke eingesetzt werden.
- Zielwert für den Handgelenkaußendurchmesser: ≤ 130 mm
- Der Motor kann nicht koaxial mit dem Getriebeausgang gestapelt werden.
- Handgelenk eines kollaborativen Roboters, bei dem die Kabelführung einen seitlichen Austritt des Motors erfordert
- Servogesteuerte Achse (Positionsrückmeldung im geschlossenen Regelkreis)
- Die Handgelenksöffnung ermöglicht die Stapelung von Koaxialmotor und Getriebe.
- Die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit erfordern ein Spiel von <8 Bogenminuten für die teilweise offene Haltefunktion.
- Industrieroboter (kein Cobot), bei dem die Handgelenksgröße weniger eingeschränkt ist
- Kraftregelungsmodus, bei dem die Getriebesteifigkeit von entscheidender Bedeutung ist
J6 — Werkzeugrotation: Masse ist das primäre Spezifikationskriterium
Gelenk J6 dreht den Endeffektor bzw. das Werkzeug. Es hat das geringste Drehmoment aller Gelenke (typischerweise 5–20 Nm), die höchste Dauerdrehzahl (oft 360–720 U/min) und das geringste Gewichtsbudget – denn jedes zusätzliche Gramm an J6 erhöht das Lastdrehmoment an den Gelenken J5, J4, J3, J2 und J1 in einer Verbundkette. Der richtige Ansatz ist, den kleinsten EP-ZDE-Rahmen zu wählen, der die Drehmomentanforderung erfüllt, eine einstufige Einheit für maximale Effizienz zu wählen und die Masse absolut zu minimieren.
| EP-ZDE Rahmen | Drehmoment bei 3:1 | Drehmoment bei 5:1 | Gewicht (1-stufig) | Maximale Eingangsgeschwindigkeit | J6 Eignung |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-60 | 12 N·m | 16 N·m | 0,9 kg | 4.500 U/min | ✅ Am besten geeignet für die meisten J6 |
| EP-ZDE-80 | 40 N·m | 50 N·m | 2,1 kg | 4.500 U/min | ⚠ Nur Werkzeuge für schwere Nutzlasten |
| EP-ZDE-40 | 4,5 N·m | 6 N·m | 0,4 kg | 4.500 U/min | Leichtestes Gewicht; für Werkzeugwechsler <5 N·m |
J6 Faustregel: Wählen Sie EP-ZDE-60 mit einem Übersetzungsverhältnis von 3:1 oder 5:1 für den Standardroboter J6 mit 100 kg Nutzlast. Das Trägheitsverhältnis bei J6 ist hervorragend (≈1,1:1 bei einem Übersetzungsverhältnis von 3:1), der Wirkungsgrad beträgt 961 TP3T (einstufig), und das Getriebegewicht von 0,9 kg belastet die vorgelagerten Gelenke nur unwesentlich. Verwenden Sie EP-ZDE-80 für Anwendungen mit schweren Werkzeugen, deren Masse 15 kg übersteigt und deren Drehmoment über 30 Nm liegt.
Vollständige Achsenauswahlmatrix – 6-Achs-Roboter mit 100 kg Nutzlast
Die folgende Matrix fasst die vollständigen Spezifikationsempfehlungen für einen 6-Achs-Industrieroboter mit 100 kg Nutzlast, 1,5 m Reichweite zusammen. Alle Drehmomentwerte beinhalten einen Sicherheitsfaktor von 2,0 für J1/J2, 1,75 für J3 und 1,5 für J4–J6. Passen Sie die Rahmengröße für Roboter mit geringerer Nutzlast proportional an, indem Sie die Drehmomentanforderungen skalieren.
| Gemeinsam | T_erforderlich (N·m) | Verhältnis | Trägheitsverhältnis | Min Ct (N·m/arcmin) | IP | Empfohlene Einheit | Nenndrehmoment (N·m) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| J1 Taille | 800–2.000+ | 20:1–25:1 | ≈9:1 (strukturell) | ≥44 | IP65 | EP-ZDS-142, 20:1 | 910 |
| J2 Großarm | 600–1.500+ | 20:1 | ≈2:1 ✅ | ≥20 | IP65 | EP-ZDS-115, 20:1 | 260 |
| J3 Kleinarm | 400–900 | 16:1 | ≈1,7:1 ✅ | ≥30 | IP54 | EP-ZDS-142, 16:1 | 910 |
| J4 Handgelenkrolle | 20–80 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-80, 8:1 | 45 |
| J5 Handgelenksbeugung | 15–60 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-60, 10:1 | 12 |
| J6-Werkzeug | 5–20 | 3:1 – 5:1 | ≈1,1:1 ✅ | ≥1 | IP54 | EP-ZDE-60, 3:1 | 12 |
Referenzdesign für einen 6-achsigen Industrieroboter mit 100 kg Nutzlast und 1,5 m Reichweite. Drehmomente: SF 2,0 (J1/J2), 1,75 (J3), 1,5 (J4–J6). Skalierung proportional für verschiedene Nutzlastklassen. Die endgültigen Spezifikationen sind mit der Anwendungstechnik von Korea Ever-Power abzustimmen.
Gelenkauswahl für kollaborative Roboter (Cobots) – Wo die Spezifikationen abweichen
Kollaborative Roboter (Cobots) arbeiten ohne Schutzzäune Seite an Seite mit menschlichen Arbeitskräften, was deutlich andere Konstruktionsanforderungen mit sich bringt als bei herkömmlichen Industrierobotern. Die Nutzlastklasse ist typischerweise geringer (3–25 kg gegenüber 50–200 kg bei Industrierobotern), die Armgeschwindigkeit ist bewusst begrenzt, dafür sind die Anforderungen an Handgelenkdurchmesser und Gesamtform höher – Cobots müssen optisch kompakt und ergonomisch sein.
Koreanische Cobot-Hersteller in Suwon, Seongnam und Ansan zielen typischerweise auf Handgelenkdurchmesser von 60–100 mm für ihre Produktlinien ab. Bei diesen Abmessungen ist der rechtwinklige Eingang EP-ZDWE-Serie Die Positionierung an den Punkten J4 und J5 ist nicht nur bevorzugt, sondern oft die einzig praktikable Lösung innerhalb des angestrebten Handgelenkbereichs. Die EP-ZDWE-60 in einstufiger Ausführung (L1 = 150 mm, Gesamthöhe L12 = 93 mm) ermöglicht die Verlegung des Motors innerhalb des Armkörpers, wobei der Querschnitt des Handgelenks unter 100 mm bleibt.
- Geringere Nutzlast → kleinere Rahmen: Der 10 kg schwere Cobot J1 verwendet EP-ZDS-115 anstelle von EP-ZDS-190; J6 verwendet EP-ZDE-40 mit einem Gewicht von 0,4 kg.
- Kraft-Drehmoment-Erfassung an J6: Wenn für die Kraftregelung eine Rückantriebsfähigkeit erforderlich ist, muss sichergestellt werden, dass der Getriebewirkungsgrad für eine zuverlässige Rückberechnung des Gelenkdrehmoments aus dem Motorstrom ausreicht.
- Lärm: Cobots arbeiten in der Nähe von menschlichen Arbeitskräften – die Geräuschpegel von EP-ZDE/ZDS (55–70 dB(A)) liegen im akzeptablen Bereich; dreistufige Geräte sollten vermieden werden, da diese tendenziell höhere Werte aufweisen.
- IP54 ist im Allgemeinen ausreichend für typische Cobot-Einsätze, es sei denn, der Cobot befindet sich in einer Lebensmittelverarbeitungs- oder Reinigungszone – in diesem Fall gilt IP65 (EP-ZDS).
Drei häufige Spezifikationsfehler von Roboterherstellern
Die Verwendung von EP-ZDE an allen Gelenken führt zu einer Untersteifigkeit von J1/J2 (zu niedriger Ct-Wert, Resonanzrisiko) und einem Übergewicht von J6. Die Verwendung von EP-ZDS an allen Gelenken erhöht die Masse der distalen Gelenke um 12–30 kg, was die Anforderungen an das vorgelagerte Drehmoment erhöht und die dynamische Leistungsfähigkeit verringert. Die korrekte Stückliste enthält mindestens drei verschiedene EP-Serien für die sechs Gelenke.
Ingenieure spezifizieren mitunter ein Spiel von <3 Bogenminuten an den Gelenken J1/J2, in der Annahme, dies verbessere die Präzision. An diesen Gelenken ist der dominierende Positionsfehler unter Last jedoch die elastische Torsionsverformung (θ = T/Ct) und nicht das Spiel. Bei 1000 N·m an EP-ZDE-160 (Ct=38) beträgt die elastische Verformung 26 Bogenminuten – deutlich mehr als jedes vorgegebene Spiel. Eine Verringerung des Spiels von 8 auf 3 Bogenminuten spart 5 Bogenminuten, während die 26 Bogenminuten lastabhängiger Fehler ignoriert werden. Die Spezifizierung von EP-ZDS mit Ct=130 reduziert die gleiche elastische Verformung auf 7,7 Bogenminuten – eine 3,4-fache Verbesserung bei gleichen oder sogar geringeren Kosten.
In koreanischen Karosseriewerkstätten arbeiten Roboter in Umgebungen mit Schweißspritzern, Kühlnebel und regelmäßiger Linienreinigung. Die Schutzart IP54 schützt vor Spritzwasser, jedoch nicht vor dauerhafter Einwirkung oder Hochdruckreinigung. Die Getriebe J1/J2 – die größten und teuersten Komponenten des Roboters – befinden sich typischerweise am unteren Ende, in unmittelbarer Nähe zu Spritzwasser und Reinigungswasser. Ein IP54-Getriebe hat in dieser Umgebung eine effektive Lebensdauer von 3.000–5.000 Stunden, bevor es zu Schmierstoffverunreinigungen kommt. Die von Anfang an gewählte Schutzart IP65 (EP-ZDS) für J1/J2 ist kostengünstiger als ein ungeplanter Austausch und der damit verbundene Produktionsstillstand.
Geben Sie die Nutzlastklasse Ihres Roboters, die Armreichweite, die Zykluszeit und die Betriebsumgebung an. Das Anwendungstechnik-Team von Korea Ever-Power erstellt Ihnen kostenlos eine vollständige Spezifikation der EP-Serie für jedes einzelne Gelenk inklusive Drehmomentreserven, Trägheitsverhältnissen und Torsionssteifigkeitsanalyse – in Koreanisch und Englisch – für qualifizierte OEM-Projekte.
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Herausgeber: Cxm
