Ein Harmonic-Drive-Motor ist eine hervorragende Wahl für Automatisierungsanlagen, die eine kompakte Bauweise, eine hohe Drehmomentdichte, geringes Spiel und präzise Positionierung erfordern. Die richtige Auswahl der Baugröße ist jedoch von entscheidender Bedeutung. Ingenieure sollten einen Harmonic-Drive-Motor nicht allein anhand des Nenndrehmoments oder der Baugröße auswählen.

Ein umfassender Auslegungsprozess muss das Abtriebsdrehmoment, das Spitzendrehmoment, die Drehzahl, das Untersetzungsverhältnis, die Trägheit, den Einschaltdauerfaktor, die Belastung des Abtriebslagers, die Genauigkeit, den Einbauraum und die thermische Leistung berücksichtigen.

Warum die Auswahl der richtigen Größe wichtig ist

In Automatisierungsanlagen arbeitet der Harmonic-Drive-Motor häufig unter Bedingungen wie häufigen Starts und Stopps, kurzen Beschleunigungszeiten, wiederholten Positionierungen und ständigen Lastwechseln. Wenn die gewählte Baugröße das Spitzendrehmoment während der Beschleunigung und Verzögerung nicht bewältigen kann, kann es zu Verschleiß am Getriebe oder zu einer verkürzten Lebensdauer kommen. In den Katalogangaben von Harmonic Drive wird darauf hingewiesen, dass das Getriebe während der Beschleunigung und Verzögerung einem Spitzendrehmoment ausgesetzt ist, das durch das Trägheitsmoment der Abtriebslast verursacht wird.

Eine korrekte Dimensionierung trägt dazu bei, Folgendes sicherzustellen:

• Ein stabiles Abtriebsdrehmoment
• Präzise Positionierung
• Geringe Vibrationen
• Lange Lebensdauer des Getriebes
• Sicherer Betrieb bei Not-Aus-Situationen
• Bessere Wärmeableitung
• Höhere Zuverlässigkeit der Anlage

Allgemeine Größenübersicht für Harmonic-Drive-Motoren

Größe des Harmonic-Drive-Motors	Typischer Leistungsbereich der Motoren	Typisches Drehmomentniveau	Empfohlene Lastart
Größe 8 / 11	10 W–50 W	Sehr geringes Drehmoment	Ultraleichte Belastung
Größe 14	30 W–100 W	Geringes Drehmoment	Leichte Last
Größe 17	50 W–200 W	Geringes bis mittleres Drehmoment	Leichte bis mittlere Belastung
Größe 20	100 W–400 W	Mittleres Drehmoment	Mittlere Belastung
Größe 25	200 W–750 W	Mittleres bis hohes Drehmoment	Mittlere Belastung
Größe 32	400 W–1,5 kW	Hohes Drehmoment	Mittlere bis schwere Belastung
Größe 40 / 45	750 W–2,5 kW	Hohes Drehmoment	Schwere Last
Größe 50	1,5 kW–3 kW	Sehr hohes Drehmoment	Schwerlast
Größe 65	2 kW–5 kW	Sehr hohes Drehmoment	Schwerlast / hohe Momentbelastung
Größe 80+	5 kW+	Extra hohes Drehmoment	Besondere Hochlast

Hauptfaktoren für die Dimensionierung von Harmonic-Drive-Motoren

Erforderliches Abtriebsdrehmoment

Der erste Faktor bei der Dimensionierung ist das Abtriebsdrehmoment. Sie müssen berechnen, wie viel Drehmoment der Automatisierungsmechanismus an der Abtriebswelle benötigt.

Zu den üblichen Lastquellen gehören:

• Gewicht des rotierenden Arms oder der Halterung
• Gewicht des Werkstücks
• Reibungsdrehmoment
• Schneid-, Press-, Spann- oder Handhabungskräfte
• Schwerkraftbelastung bei Anwendungen mit vertikaler Achse
• Beschleunigungsmoment

Eine einfache Ausgangsformel lautet:

Erforderliches Abtriebsdrehmoment = Lastdrehmoment + Beschleunigungsdrehmoment + Reibungsdrehmoment

Fügen Sie nach der Berechnung dieses Wertes eine Sicherheitsmarge hinzu. Bei Automatisierungsanwendungen mit geringer Belastung kann ein niedrigerer Sicherheitsfaktor akzeptabel sein. Bei Maschinen mit hoher Taktzahl, vertikalen Achsen, Stoßbelastungen oder Produktionslinien im 24/7-Betrieb wird eine größere Sicherheitsmarge empfohlen.

Dauerdrehmoment und Spitzendrehmoment

Wählen Sie die Motorauslegung nicht ausschließlich anhand des Spitzendrehmoments. Sie müssen sowohl das Dauerdrehmoment als auch das Spitzendrehmoment prüfen.

Drehmomentart	Bedeutung	Warum dies wichtig ist
Dauerdrehmoment	Das während des normalen Betriebs erforderliche Drehmoment	Beeinflusst Wärmeentwicklung, Lebensdauer und stabilen Betrieb
Spitzendrehmoment	Kurzzeitdrehmoment bei Beschleunigung, Verzögerung oder Stößen	Beeinflusst die Überlastfähigkeit und die Sicherheit des Getriebes
Haltemoment	Drehmoment, das zum Halten der Position erforderlich ist	Wichtig für vertikale Achsen und Bremsen
Notdrehmoment	Drehmoment bei plötzlichem Stopp oder bei einer Kollision	Wichtig für die Sicherheitsauslegung

Beispielsweise benötigt ein Bestückungsarm möglicherweise ein moderates Dauerdrehmoment, aber ein hohes Spitzendrehmoment, wenn er schnell anläuft und stoppt. Wenn Sie nur das durchschnittliche Drehmoment berechnen, könnte der ausgewählte Harmonic-Drive-Motor zu klein sein.

Ausgangsdrehzahl

Berechnen Sie als Nächstes die erforderliche Abtriebsdrehzahl. In Automatisierungsanlagen wird die Abtriebsdrehzahl in der Regel durch die Zykluszeit definiert.

Beispiel:

• Ein Drehtisch muss sich möglicherweise in 0,5 Sekunden um 90 Grad drehen.
• Ein Robotergelenk muss sich möglicherweise innerhalb einer festgelegten Taktzeit von einem Winkel in einen anderen bewegen.
• Eine Kamera-Prüfachse benötigt möglicherweise eine gleichmäßige Bewegung bei niedriger Drehzahl.

Die Beziehung lautet:

Motordrehzahl = Ausgangsdrehzahl × Untersetzungsverhältnis

Wenn die Abtriebsdrehzahl 60 U/min betragen soll und das Untersetzungsverhältnis 100:1 ist, beträgt die Motordrehzahl etwa 6.000 U/min, bevor Systemgrenzen berücksichtigt werden. Sie müssen prüfen, ob der Motor und das Getriebe diese Antriebsdrehzahl sicher bewältigen können. Der Wirkungsgrad variiert je nach Untersetzungsverhältnis, Drehzahl, Belastung, Temperatur und Schmierung.

Untersetzungsverhältnis

Das Untersetzungsverhältnis verbindet die Motordrehzahl mit der Abtriebsdrehzahl. Es beeinflusst zudem das Abtriebsdrehmoment, die Positionierauflösung, den Trägheitsabgleich und das Ansprechverhalten des Systems.

Übersetzungsbereich	Typische Anwendung	Vorteile	Mögliche Einschränkungen
30:1–50:1	Automatisierungsachsen mit höherer Geschwindigkeit	Höhere Ausgangsgeschwindigkeit	Geringere Drehmomentverstärkung
80:1–100:1	Allgemeine Präzisionsautomatisierung	Ausgewogenes Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment	Gängige Wahl für viele Systeme
120:1–160:1	Positionierung mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl	Höheres Drehmoment und höhere Auflösung	Geringere Ausgangsgeschwindigkeit
200:1+	Spezielle Präzisionsgeräte für niedrige Drehzahlen	Sehr hohe Untersetzung	Kann den Wirkungsgrad oder das Ansprechverhalten beeinträchtigen

Ist das Übersetzungsverhältnis zu hoch, kann die Abtriebsdrehzahl zu niedrig sein, wodurch sich das System weniger reaktionsfreudig anfühlt. Ein niedriges Übersetzungsverhältnis kann erfordern, dass der Motor ein höheres Drehmoment liefert.

Lastträgheit

Die Trägheit wird oft vernachlässigt, ist jedoch für Automatisierungsanlagen von entscheidender Bedeutung. Eine große rotierende Last kann während der Beschleunigung und Verzögerung ein hohes Drehmoment erzeugen.

Das Grundprinzip lautet:

Beschleunigungsdrehmoment = Massenträgheit der Last × Winkelbeschleunigung

Bei Drehachsen, Rundtischen mit großem Durchmesser, langen Roboterarmen und schweren Vorrichtungen kann die Massenträgheit das Ergebnis der Auslegung maßgeblich beeinflussen. Selbst wenn die statische Last gering erscheint, benötigt der Motor möglicherweise ein hohes Drehmoment, um die Last schnell zu beschleunigen.

Ein Harmonic-Drive-Getriebe senkt die auf den Motor zurückwirkende Trägheitslast. Da jedoch auch das Getriebe selbst Trägheit und Drehmomentgrenzen aufweist, müssen Motor und Getriebe gemeinsam geprüft werden.

Radiale, axiale und Momentbelastungen

Viele Harmonic-Drive-Motoren sind direkt mit einem Drehtisch, einem Arm, einer Riemenscheibe oder einer Vorrichtung verbunden. In diesen Fällen muss das Abtriebslager nicht nur das Drehmoment, sondern auch externe Belastungen aufnehmen.

Prüfen Sie diese drei Belastungsarten:

Belastungsart	Richtung	Beispiel
Radiale Belastung	Seitliche Belastung der Welle	Riemenspannung, seitlich montierter Arm
Axiale Belastung	Schieben oder Ziehen entlang der Welle	Vertikales Pressen oder Klemmen
Momentbelastung	Kippbelastung	Versetzter Roboterarm oder Auslegerhalterung

Einige Harmonic-Drive-Getriebe verwenden Kreuzrollen-Ausgangslager, um Radial-, Axial- und Momentbelastungen in einer kompakten Bauweise aufzunehmen. Wenn Ihre Automatisierungsachse eine freitragende Last aufweist, kann die Momentbelastbarkeit wichtiger sein als die Drehmomentkapazität.

Auswahl der Baugröße nach Anwendung

Unterschiedliche Automatisierungsanlagen erfordern unterschiedliche Prioritäten bei der Dimensionierung.

Anwendung	Wichtigste Priorität bei der Dimensionierung	Empfohlener Schwerpunkt
Robotergelenk	Drehmoment, Trägheit, kompakte Bauweise	Spitzendrehmoment und Momentbelastung prüfen
Drehtisch	Positioniergenauigkeit, Lastträgheit	Beschleunigungsdrehmoment und Lagerbelastung prüfen
Halbleiterausrüstung	Gleichmäßige Bewegung, Wiederholgenauigkeit	Geringes Spiel und geringe Schwingungen prüfen
Medizinische Automatisierung	Kompakte Bauweise, leiser Betrieb	Geräuschpegel, Laufruhe und Sicherheitsreserve prüfen
Verpackungsmaschine	Taktgeschwindigkeit, Lebensdauer	Prüfung des Dauerdrehmoments und des Einschaltverhältnisses
Gelenk eines AGV oder Serviceroboters	Gewicht und Leistungsaufnahme	Wählen Sie einen kompakten Motor mit effizientem Übersetzungsverhältnis
Prüfgeräte	Stabile Positionierung	Überprüfen Sie die Wiederholgenauigkeit und die Encoder-Auflösung

Praktische Schritte zur Dimensionierung

Schritt 1: Bewegungsanforderungen definieren

Legen Sie vor der Auswahl einer Baugröße das Bewegungsprofil fest:

• Erforderlicher Drehwinkel
• Bewegungszeit
• Beschleunigungszeit
• Verzögerungszeit
• Verweilzeit
• Taktfrequenz
• Betriebsstunden pro Tag

Ohne diese Informationen ist die Dimensionierung nur eine Schätzung.

Schritt 2: Berechnung des Lastdrehmoments

Ermitteln Sie das erforderliche Drehmoment anhand der Bewegungsbedingungen der Last. Bei vertikalen Achsen ist das Schwerkraftdrehmoment zu berücksichtigen. Bei horizontalen Drehachsen sind Trägheit und Reibung zu berücksichtigen. Bei Press- oder Spannachsen ist die Prozesskraft zu berücksichtigen.

Schritt 3: Berechnung des Spitzendrehmoments

Das Spitzendrehmoment tritt bei Beschleunigung, Verzögerung, plötzlichem Stopp oder Stoß auf. Dieser Wert muss unter dem zulässigen wiederholten Spitzendrehmoment des Getriebes und dem Spitzendrehmoment des Motors liegen.

Schritt 4: Auswahl des Übersetzungsverhältnisses

Wählen Sie ein Übersetzungsverhältnis, das es dem Motor ermöglicht, innerhalb eines geeigneten Drehzahlbereichs zu arbeiten und gleichzeitig ein ausreichendes Abtriebsdrehmoment bereitzustellen.

Ein geeignetes Übersetzungsverhältnis sollte:

• die Motordrehzahl im Nennbereich halten
• ein ausreichendes Abtriebsdrehmoment bereitstellen
• die Positionierauflösung verbessern
• die reflektierte Trägheit reduzieren
• unnötige Drehzahlverluste vermeiden

Schritt 5: Dauerbetrieb prüfen

Selbst wenn der Motor das Spitzendrehmoment bewältigen kann, kann es bei einem zu hohen Dauerdrehmoment zu einer Überhitzung kommen. Bei Automatisierungsanlagen mit hoher Auslastung ist das Dauerdrehmoment oft der entscheidende Faktor.

Schritt 6: Mechanische Schnittstelle prüfen

Prüfen Sie die Einbaumaße:

• Motorflanschgröße
• Abmessungen der Abtriebswelle oder Hohlwelle
• Schraubenanordnung
• Gesamtlänge
• Kabelrichtung
• Platzbedarf für Encoder
• Bremsraum
• Einbaulage

Ein technisch korrekter Motor ist dennoch unbrauchbar, wenn er nicht in die Maschine passt.

Häufige Fehler bei der Auswahl der Größe von Harmonic-Drive-Motoren

Fehler 1: Auswahl ausschließlich nach Nenndrehmoment

Das Nenndrehmoment ist wichtig, reicht aber nicht aus. Sie müssen auch das Spitzendrehmoment, die Drehzahl, die Trägheit, die Lagerbelastung, den Einschaltdauerfaktor und die thermischen Bedingungen prüfen.

Fehler 2: Die Beschleunigungszeit wird außer Acht gelassen

Eine kürzere Beschleunigungszeit bedeutet ein höheres Beschleunigungsdrehmoment. Ein Motor, der bei langsamen Bewegungen gut funktioniert, kann in der Hochgeschwindigkeits-Serienfertigung versagen.

Fehler 3: Verwendung eines zu großen Sicherheitsfaktors

Eine Überdimensionierung mag sicher erscheinen, kann jedoch Kosten, Gewicht und Trägheit erhöhen. In kompakten Automatisierungsanlagen kann ein überdimensionierter Motor den Wirkungsgrad der Maschine verringern.

Fehler 4: Die Belastung des Abtriebslagers ignorieren

Bei Auslegerarmen und Drehtischen kann die Belastbarkeit des Abtriebslagers der begrenzende Faktor sein. Das Getriebe verfügt möglicherweise über ausreichend Drehmoment, aber nicht über eine ausreichende Momentbelastbarkeit.

Fehler 5: Wärmeentwicklung und Einschaltdauer außer Acht lassen

Ein Motor, der für kurze Testläufe eingesetzt wird, mag zwar gut funktionieren, doch im 24-Stunden-Betrieb kann Wärme zu einem ernsthaften Problem werden. Überprüfen Sie stets die tatsächliche Betriebsauslastung.

Kurze Checkliste zur Dimensionierung von Harmonic-Drive-Motoren

Überprüfen Sie vor der endgültigen Auswahl Folgendes:

• Erforderliches Abtriebsdrehmoment
• Erforderliche Ausgangsdrehzahl
• Spitzendrehmoment während der Beschleunigung
• Lastträgheit
• Untersetzungsverhältnis
• Dauerbetriebszyklus
• Radialbelastung
• Axialbelastung
• Momentbelastung
• Positioniergenauigkeit
• Wiederholgenauigkeit
• Motorspannung und Kompatibilität mit dem Treiber
• Auflösungsvermögen des Encoders
• Bremsanforderung
• Einbauraum
• Kabel- und Steckerausrichtung
• Betriebstemperatur
• Erwartete Lebensdauer

Beispiel für die Auslegungslogik

Angenommen, eine Drehachse in der Automatisierungstechnik erfordert geringes Spiel, kompakte Abmessungen und präzise Positionierung. Der Tisch dreht sich in einer Sekunde um 180 Grad und trägt eine mittlere Last.

Ein geeigneter Auslegungsprozess wäre:

1. Berechnung der erforderlichen Ausgangsdrehzahl aus der Bewegungszeit.
2. Schätzen Sie die Massenträgheit von Tisch und Werkstück.
3. Berechnen Sie das Beschleunigungsdrehmoment.
4. Rechnen Sie das Reibungsmoment und das Prozessmoment hinzu.
5. Wählen Sie ein Untersetzungsverhältnis, das eine geeignete Motordrehzahl gewährleistet.
6. Prüfen Sie, ob der Harmonic-Drive-Motor das Dauerdrehmoment und das Spitzendrehmoment aufnehmen kann.
7. Prüfen Sie die Belastung des Abtriebslagers, insbesondere wenn das Werkstück gegenüber dem Drehpunkt versetzt ist.
8. Fügen Sie eine geeignete Sicherheitsmarge hinzu.
9. Überprüfen Sie die Einbaumaße und die Kompatibilität des Antriebs.

Diese Methode ist wesentlich sicherer als die Auswahl eines Motors allein anhand der Baugröße oder des Nenndrehmoments.

So wählen Sie die richtige Baugröße für einen Harmonic-Drive-Motor aus

Motorgröße	Geeignet für	Typischer Vorteil	Hinweis zur Auswahl
Kleiner Harmonic-Drive-Motor	Kleine Greifer, Inspektionsköpfe, kompakte Robotergelenke	Leicht und platzsparend	Begrenztes Drehmoment und begrenzte Tragfähigkeit
Mittlerer Harmonic-Drive-Motor	Drehtische, Verpackungsachsen, Gelenke für kollaborative Roboter	Ausgewogenes Drehmoment und kompakte Bauweise	Bei hoher Beanspruchung muss die Wärmeentwicklung überprüft werden
Großer Harmonic-Drive-Motor	Schwere Robotergelenke, große Rundschalttische, industrielle Positioniersysteme	Hohes Drehmoment und hohe Steifigkeit	Höhere Kosten, höheres Gewicht und höhere Trägheit

Für die meisten Automatisierungsanlagen ist nicht der kleinste Motor, der die Last bewegen kann, die beste Wahl. Die beste Wahl ist der kleinste Motor, der das Dauerdrehmoment, das Spitzendrehmoment, die Drehzahl, das Trägheitsmoment, die Lagerbelastung und den Einschaltdaueranteil mit einer angemessenen Sicherheitsmarge sicher bewältigen kann.