KUKA ROBOTER GMBH: MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT MASTER OF SPEED. OUTFLOW VALVE AKTUATOR: Gute Luft in grosser Höhe

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1 MAGAZIN DER / MAGAZINE OF HARMONIC DRIVE AG 3/2012 KUKA ROBOTER GMBH: MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT KUKA ROBOTER GMBH: MASTER OF SPEED OUTFLOW VALVE AKTUATOR: Gute Luft in grosser Höhe OUTFLOW VALVE ACTUATOR: Good Air at high Altitude MECHATRONIK: Näher ans Ideal MECHATRONICS: Closer to the Ideal

2 INHALT CONTENT AUSGABE / ISSUE 3/2012 IN DIESEM HEFT: KUKA ROBOTER GMBH MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT OUTFLOW VALVE AKTUATOR GUTE LUFT IN GROSSER HÖHE NEWS NEUIGKEITEN DER HARMONIC DRIVE AG KUNST UND PRÄZISION BRÜCKENSCHLAG ZWISCHEN KUNST UND TECHNIK MECHATRONIK NÄHER ANS IDEAL UNSER TEAM MITARBEITER UND JUBILARE MESSETERMINE SPS / IPC / DRIVES / IN NÜRNBERG IN THIS ISSUE: KUKA ROBOTER GMBH MASTER OF SPEED OUTFLOW VALVE ACTUATOR GOOD AIR AT HIGH ALTITUDE NEWS HARMONIC DRIVE AG NEWS ART AND PRECISION BRIDGING THE GAP BETWEEN ART AND TECHNOLOGY MECHATRONICS CLOSER TO THE IDEAL OUR TEAM EMPLOYEES AND EMPLOYEE ANNIVERSARIES TRADE FAIRS SPS / IPC / DRIVES / IN NUREMBERG

3 EDITORIAL EDITORIAL NACHHOLBEDARF BEI ROBOTIK DEMAND IN ROBOTICS Liebe Leserinnen und Leser, Dear Readers, die Erfolgsgeschichte der Industrieroboter setzt sich auch im Jahr 2012 trotz nachlassender globaler Konjunktur ungebremst fort. Die Experten der International Federation of Robotics (IFR) verzeichneten für 2012 einen Anstieg des Roboterabsatzes um neun Prozent auf Stück. This year s success story of industrial robots continues, seemingly unaffected by the decline in the global economy. Experts at the International Federation of Robotics (IFR) expect 2012 to see a nine per cent increase in the sales of robots with a total of being sold. Der Nachholbedarf an Handhabungsanwendungen ist im allgemeinen Maschinenbau gegenüber der Automobilindustrie enorm groß. Das ist vor allem für die Harmonic Drive AG eine echte Herausforderung. Denn was»intel inside«für die Computerindustrie darstellt, ist Harmonic Drive für die Robotik. So liegt der Anteil von Präzisionsgetrieben der Harmonic Drive AG in Anwendungen bis zu 15 kg Tragkraft bei über 80 Prozent. Seit vielen Jahren bedienen wir sämtliche europäischen Robotikunternehmen mit unseren Produkten. There is now an enormous demand in operational applications in general engineering, particularly with regards to the automotive industry and this is proving to be a real challenge for Harmonic Drive AG. What»Intel inside«is to the computer industry, Harmonic Drive is to robotics. Our precision gears account for 80 per cent of applications with a load capacity of up to 15kgs and we have been serving all European robotic companies with our expertise and technology for many years. Dies belegt eindrucksvoll der Artikel»Meister der Geschwindigkeit«in dieser Ausgabe: In einem»simultaneous engineering«-prozess wurden die Getriebe der neuen CobaltLine-Technologie exakt an die Anforderungen des neuen Roboters KR AGILUS der KUKA Roboter GmbH angepasst. Die Harmonic Drive AG ist längst nicht mehr nur ein Spezialist im Bereich der mechanischen Antriebstechnik, vielmehr sehen wir uns als Anbieter kompletter mechatronischer Systemlösungen. Der Beitrag»Näher ans Ideal«zeigt auf, dass durch mechatronische Ansätze intelligent geregelte, kompakte Servoantriebe eine maximale Performance erzielen. Außerdem in dieser Ausgabe zu lesen:»gute Luft in großer Höhe«wie die Spezialisten der Harmonic Drive AG dafür sorgen, dass Fluggäste auch in einer Höhe von über Metern noch sicher durchatmen können. Ich wünsche Ihnen eine spannende Lektüre und möchte Sie zudem einladen, uns am Messestand auf der SPS / IPC / Drives / zu besuchen, die vom 27. bis 29. November in Nürnberg stattfindet. Sie finden uns in der Halle 4 am Messestand 418. Wir freuen uns auf Ihren Besuch. The article»master of Speed«in this issue clearly shows this: In a new»simultaneous engineering«process, the gears of Harmonic Drive AG s new CobaltLine technology are perfectly adapted to the requirements of KUKA Roboter GmbH s new KR AGILUS robot. The article demonstrates that Harmonic Drive AG is no longer just a specialist in the area of mechanical drive engineering. Rather, we see ourselves as a provider of complete mechatronic system solutions. The article»closer to the ideal«shows the reader that by using mechatronic approaches, intelligently controlled compact gear motors can achieve peak performance. In this issue you can also read»good air at high altitudes«which demonstrates how specialists at Harmonic Drive AG ensure that air passengers can still breathe safely at altitudes above metres. Enjoy your reading! I would also like to invite you to come and see us at our stand at SPS / IPC / Drives / which takes place from the 27th to 29th November in Nuremberg. You will find us at stand 418 in hall 4. We look forward to seeing you there. Herzliche Grüße Ekrem Sirman Vorstandsvorsitzender der Harmonic Drive AG With kindest regards Ekrem Sirman President and CEO of Harmonic Drive AG 1

4 KUKA ROBOTER GMBH MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT KUKA ROBOTER GMBH MASTER OF SPEED MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT Mit der Roboterserie KR AGILUS präsentiert die KUKA Roboter GmbH eine neue Kleinrobotik-Familie. Auf engstem Raum stellt sich der wendige KR AGILUS als Allrounder für alle Umgebungen dar. Das neue Mitglied der KUKA-Roboterfamilie zeichnet sich durch Schnelligkeit, kurze Zykluszeiten und ein hohes Maß an Präzision und Sicherheit aus. Präzisionsgetriebe der Harmonic Drive AG sorgen in allen sechs Achsen des Kleinroboters für eine sichere und zuverlässige Leistungsübertragung. Schneller Allrounder Kompakt, präzise, wendig und schnell: Die Roboter der KR AGILUS-Serie sind die neuen Meister der Geschwindigkeit. Bei Handhabungsaufgaben, insbesondere»pick and Place«, liefert der KR AGILUS überzeugende Ergebnisse bei minimalen Zykluszeiten. Gleichzeitig arbeitet die Kleinroboterfamilie sehr präzise und ermöglicht Fertigungsqualität auf höchstem Niveau. Schnelligkeit und Genauigkeit machen die Performance des KR AGILUS in seinem Traglastbereich einzigartig. Das Basismodell KR 6 R900sixx kann bei einem Eigengewicht von 51 kg eine maximale Traglast von 6 kg aufnehmen. Der KR AGILUS ist für den Einsatz in der»general Industry«prädestiniert; überall dort, wo Automatisierung mit niedrigen Traglasten gefragt ist, wie etwa in den Bereichen Packaging oder Elektronik, macht der neue KUKA-Kleinroboter eine gute Figur. In den nächsten Monaten werden weitere Traglastvarianten in den Ausführungen Standard, Food, Cleanroom und Waterproof folgen. SICHERE ZUSAMMENARBEIT VON MENSCH UND ROBOTER Volle Funktion auf kleinstem Raum Die Energiezufuhr ist beim KR AGI- LUS platzsparend in den Roboter integriert, inklusive einer 100-MBit- Ethernetleitung, drei 5/2-Wegeventilen (Druckluft), einer direkten Luftleitung, sechs digitalen Eingängen und zwei digitalen Ausgängen. Der KR 6 R900sixx erreicht sowohl Punkte nahe der Roboterbasis als auch im Überkopfbereich. Die maximale Reichweite beträgt 901 mm. Er passt sich nicht nur durch sein ideales Verhältnis von Größe, Wendigkeit und Reichweite an beengte Platzverhältnisse an, sondern führt seine Aufgaben zudem wahlweise in Boden-, Decken- oder Wandeinbaulage aus. Höchste Flexibilität auch im kleinen Arbeitsraum kein Problem für den KR AGILUS! Kompakte Steuerung und hohe Flexibilität Wie seine großen Brüder der QUANTEC-Serie wird der KR AGILUS mit der universellen Steuerungstechnologie KR C4 betrieben in einer Kompaktversion, die auf kleinem Raum die Leistungsfähigkeit der bewährten KR C4 beinhaltet. Durch ihre offene Architektur steuert die KR C4 compact neben KUKA-Robotern auch Zusatzachsen für höchste Flexibilität, Skalierbarkeit, Leistung und Offenheit auf kleinstem Raum. Die hochwertige und robuste Steuerung ist wartungsarm und besonders energieeffizient. Präzisionsgetriebe der Harmonic Drive AG Die Getriebe der Harmonic Drive AG wurden in den KR AGILUS hochintegriert eingebunden. Schon bei der Auswahl wurde dem zukünftigen breiten Anwendungsspektrum in den unterschiedlichsten Industriebereichen umfassend Rechnung getragen. Eingesetzt wurde unter anderem eine neue Generation von Getrieben mit deutlich gesteigerten Leistungsdaten. Durch die Optimierung der Flexspline- und Circular Spline-Verzahnung sowie der Form des Wave Generators, wurde die Drehmomentkapazität der CobaltLine im Vergleich zur HFUC-Technologie um ca. 30 % und die Lebensdauer um weitere 40 % gesteigert. Bei einer Belastung mit gleichem Drehmoment ist die Lebensdauer von Getrieben mit der CobaltLine- Technologie im Vergleich zu der bisherigen HFUC-Ausführung sogar mehr als dreimal länger. Die neue CobaltLine-Technologie wird als Einbausatz von der Harmonic Drive AG für die direkte Integration in Maschinen oder als fertige Getriebe-Unit mit Gehäuse und Abtriebslager angeboten. Um den unterschiedlichsten Ansprüchen am Markt gerecht zu werden, stehen diese Units als 2UH-Versionen sowie als hochgenaue CPU-Versionen zur Verfügung, sodass diese auch in der Servomotoren-Technologie erhältlich sein werden. Der neue, umweltfreundliche und magentafarbene Schmierstoff Flexolub A1 erhöht die Leistungsfähigkeit des Präzisionsgetriebes und der Energieverbrauch sinkt, Reibung und Verschleiß werden minimiert, Wirkungsgrad und Betriebstemperatur gesteigert. Durch einen Betriebstemperaturbereich von -40 C bis +120 C kann die CobaltLine auch in mobilen Anwendungen ohne Beschränkung bei maximalem Drehmoment eingesetzt werden. Das Thema Sicherheit wird beim kleinen KR AGILUS großgeschrieben. Als einziger Roboter dieser Klasse hat er die KUKA-eigene SafeOperation- Funktionalität, welche die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter entscheidend vereinfacht und verbessert. Die Soft- und Hardwarekomponenten der KUKA-SafeOperation überwachen Geschwindigkeiten und Arbeitsräume von Roboter- und Zusatzachsen. Das macht die mechanische Achsbereichsüberwachung überflüssig und erschließt neue, kostengünstige Möglichkeiten der Zellenkonfiguration und der Mensch-Roboter-Kooperation. Geschwindigkeit, Flexibilität, Einfachheit und Sicherheit sind die wichtigsten Eckpfeiler erfolgreicher Automatisierungslösungen. Mit dem KR AGILUS hat die KUKA Roboter GmbH diese Grundsätze auch im Kleinrobotik-Segment erfolgreich umsetzt. 2

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6 Roboter sind sicher, effizient und gut aussehend Roboter sind in vielen Arbeitsbereichen im Einsatz nicht nur in der Produktion, sondern zunehmend auch im Dienstleistungssektor. In der newdrive erklärt Tanja Birner-Such, Leiterin des Produktmanagements der KUKA Roboter GmbH, dass es in Zukunft immer mehr Mensch-Maschine-Teams geben wird und welche Vorteile die Zusammenarbeit mit der Harmonic Drive AG hat. MASTER OF SPEED With the KR AGILUS series, KUKA Roboter GmbH presents a new family of mini robots. The KR AGILUS is an agile robot that takes up minimal space and is an all-rounder for all environments. This new compact member of the KUKA family of robots stands out for its speed, short cycle times and high degree of precision and safety. Furthermore, Harmonic Drive AG s precision gears ensure that the six axes of the mini robot deliver safe and reliable power transmission. newdrive: Frau Birner-Such, die KUKA Roboter GmbH ist einer der führenden Anbieter von Industrierobotik und sogar Weltmarktführer für Industrieroboter mit PC-basierter Steuerung. Was verschafft Ihrem Unternehmen diese herausragende Stellung? Tanja Birner-Such: Wir bieten mit unserem breiten Produktportfolio Automatisierungslösungen für ganz unterschiedliche Kundenanforderungen. Bei uns sind Flexibilität, Offenheit, Einfachheit und Sicherheit die Eckpfeiler erfolgreicher Automatisierung und das trägt zum Erfolg bei: Wir bieten für nahezu alle Anforderungen und Branchen kundenspezifische Automatisierungslösungen aus einer Hand. Dabei haben wir uns der Vereinfachung der Robotik in allen Dimensionen verschrieben: Unsere Roboter sind einfach zu planen, einfach zu integrieren, einfach zu bedienen, einfach zu warten und einfach an die Kundenbedürfnisse anzupassen. Und nicht nur das: Mit unseren Produkten demonstrieren wir, wie Robotik noch sicherer und energieeffizienter wird und dabei auch noch gut aussieht! Mit der Harmonic Drive AG arbeiten Sie bereits seit Jahren erfolgreich zusammen. Welche Vorzüge haben für Sie die Getriebe der Harmonic Drive AG im Vergleich zum Wettbewerb? Die große Produktvielfalt bei der Harmonic Drive AG ermöglicht uns eine zielgerichtete Auswahl von geeigneten Getrieben. Gerade beim KR AGILUS passt sich die hohe Übersetzung auf wenig Bauraum exakt in das Konzept des neuen Kleinroboters ein. Das geringe Leistungsgewicht trägt einen weiteren Teil zur Kompaktheit und Schnelligkeit des KR AGILUS bei. Durch die Hohlwelleneignung der Getriebe war es uns möglich, die notwendigen Medien innenliegend in der Hand zu verbauen. Dies gewährt unseren Kunden geringste Störkonturen und größte Flexibilität. Mit der Harmonic Drive AG können wir überdies kundenspezifische Änderungswünsche äußerst schnell und flexibel umsetzen. Fast all-rounder Compact, precise, agile and quick: The KR AGILUS series of robots are the new masters of speed. For handling tasks, such as»pick and place in particular, the KR AGILUS delivers impressive results with minimal cycle times. This family of mini robots also operates with precision and allows a very high level of production quality. Speed and precision make the performance of the KR AGILUS unique in its load capacity range. With a net weight of 51 kilograms, the basic model (KR 6 R900sixx) can take a maximum load capacity of 6 kilograms. The KR AGILUS is intended for use in general industry. Wherever there is a demand for automation with low loads, such as in packaging or electronics, this new KUKA mini robot makes a good impression. There will be other load variants in standard, food, cleanroom and waterproof versions coming out in the next few months. Full functionality in minimum space The energy supply is built into the KR AGILUS in a way that saves space and includes a 100 MBit Ethernet cable, 5 two-way valves (compressed air), a direct air line, six digital inputs and two digital outputs. With a maximum range of 901 mm, the KR 6 R900sixx reaches points near the base of the robot and in the overhead area. It adjusts to confined spaces not just because of its ideal size, agility and range, but also performs its tasks from floor, ceiling and wall-mounted positions. Maximum flexibility even in confined operating areas no problem for the KR AGILUS! Compact control and a high degree of flexibility Like its big brothers from the QUANTEC series, the KR AGILUS is operated by the universal control technology KR C4. The new compact version still offers the performance of the tried and tested KR C4 in a confined space. Its open architecture means that KR C4 compact controls KUKA robots and external axes, ensuring maximum flexibility, scalability, performance and 4

7 KUKA ROBOTER GMBH MEISTER DER GESCHWINDIGKEIT KUKA ROBOTER GMBH MASTER OF SPEED Die Roboter-Frau Tanja Birner-Such hat Maschinenbau studiert und einen Master of Business Administration. Im Jahr 2000 stieg sie bei der KUKA Roboter GmbH ein und betreute dort zunächst als Global Key Account Manager die DaimlerChrysler AG. Seit Mai 2009 leitet sie das Produktmanagement des Augsburger Roboterspezialisten. The robot woman Tanja Birner-Such has a degree in mechanical engineering and an MBA. She joined KUKA Roboter GmbH in 2000 and initially served as global key manager for the DaimlerChrysler AG. Since May 2009, she has been director of product management at the Augsburg-based robotics company. openness in the smallest space. The high quality and robust control unit is designed for low maintenance and offers optimum energy efficiency. Harmonic Drive AG s precision gears Harmonic Drive AG gears have been highly integrated into the KR AGILUS. The choice of components used demonstrates that full account has been taken of KR Agilus wide range of future applications in different industries. It uses, for example, a new generation of gears that offer significantly enhanced performance. Optimised Flex Spline and Circular Spline gearing and the shape of the Wave Generator have increased the torque capacity of the new Cobalt line by about 30% compared to the HFUC gear technology, whilst extending its lifespan by a further 40%. In the case of a load with the same torque, the lifespan of gears using Cobalt line technology is three times longer compared to that of HFUC. The new Cobalt line technology from Harmonic Drive AG will be used as a kit to be integrated directly into machines or as a complete gear unit with gearbox housing and output bearing. A SAFE WORKING ARRANGEMENT INVOLVING PEOPLE AND ROBOTS In order to meet market demands, these units are available as 2UH versions as well as high-precision CPU versions and therefore available in the servo motor technology. The new environmentally friendly and magenta coloured lubricant Flexolub A1 enhances the performance of precision transmission and reduces energy consumption. It minimises friction and wear and increases efficiency and the operating temperature range. The operating temperature range of -40 C to +120 C means that the Cobalt line technology can also be used in mobile applications without restriction at maximum torque. A safe working arrangement involving people and robots The KR AGILUS has a high safety profile and as the only robot in this class, he has KUKA s unique Safe Operation functionality, which significantly simplifies and improves collaboration between people and robots. The software and hardware components of KUKA s Safe Operation, monitors the speed and work space of the robots external axes. This makes the mechanical axis area monitoring redundant, developing new cost effective ways for cell configuration and the interaction between people and robots. Speed, flexibility, simplicity and safety are the key cornerstones of successful automation solutions. KUKA Roboter GmbH has a new friendly family member in the form of the KR AGILUS, which successfully incorporates these principles in the small robotics segment. Robots are safe, efficient and look good Robots are used in many areas of work not just in production but also increasingly in the service sector. Tanja Birner-Such, Director of Product Management at KUKA Roboter GmbH, tells»newdrive«that there will more and more human-machine teams in the future and talks about the benefits of the collaboration between KUKA Roboter Gmbh and Harmonic Drive AG. newdrive: Ms Birner-Such, KUKA Roboter GmbH is one of the leading suppliers of industrial robotics and the world leader for industrial robots with PC-based control. How has your company managed to achieve this outstanding position? Tanja Birner-Such: We use our broad product portfolio to offer automation solutions for a range of customer requirements. The key cornerstones for successful automation are flexibility, openness, simplicity and safety and this is what contributes to success. We offer one-stop customised automation solutions for virtually all requirements and sectors. We have focussed on simplifying every aspect of robotics. Our robots are easy to plan, easy to integrate, easy to operate, easy to maintain and easy to adapt to customer requirements. And that s not all. We demonstrate with our products that robotics is becoming even safer and more energy efficient and they also look good! You have been working successfully with Harmonic Drive AG for several years. What advantages do Harmonic Drive gears have over those of its competitors? The wide variety of products at Harmonic Drive offers a specific selection of suitable gear systems. In the case of the KR AGILUS in particular, high transmission in a confined installation space lends itself perfectly to the concept of the new mini robot. The low power to weight ratio also contributes to the compactness and speed of the KR AGILUS. The hollow shaft gears have enabled us to install the necessary media internally. This gives our customers minimal interference contours and maximum flexibility. With Harmonic Drive AG, we can also implement customer-specific change requests very quickly and flexibly. 5

8 OUTFLOW VALVE AKTUATOR GUTE LUFT IN GROSSER HÖHE OUTFLOW VALVE ACTUATOR GOOD AIR AT HIGH ALTITUDE GUTE LUFT IN GROSSER HÖHE Verkehrsflugzeuge fliegen heute in sehr großen Höhen. Ein neu entwickelter Aktuator gewährleistet dabei, dass Passagiere und Besatzung trotz der dünnen Luft nicht in Atemnot geraten. Die ultrakompakte Bauweise spart zudem Platz und Gewicht. Flugzeugen, in denen jede Komponente möglichst kompakt und zudem sehr leicht sein muss, ist ein sehr hoher Integrationsgrad des Gesamtantriebs. Gefordert ist dabei eine präzise und spielfreie Kraftübertragung. Unabdingbar ist zudem eine extreme Zuverlässigkeit aller Komponenten aufgrund der Sicherheitsrelevanz des Aktuators. Die Einbausituation am Auslassventil des Rumpfes stellt zudem hohe Ansprüche an die Dichtigkeit und Robustheit sowie an Funktion und Wirkungsgrad bei tiefen Temperaturen. Der komplette Antrieb muss sich deshalb mit relativ wenig Schmierstoff betreiben lassen, der auch tieftemperaturtauglich sein muss. Die Limburger Antriebstechnikspezialisten der Harmonic Drive AG stellen einen neuartigen OFV-Aktuator vor, der mit 95 Millimetern Durchmesser und einer Baulänge von weniger als 115 Millimetern deutlich kompakter und leichter ist als die bisherigen Lösungen. Eine wesentliche Anforderung an moderne Verkehrsflugzeuge ist ein geringer Treibstoffverbrauch. Um die Effizienz zu erhöhen, fliegen diese deshalb in möglichst großer Höhe. Ein Problem dabei ist jedoch, dass oberhalb einer Flughöhe von etwa Fuß (3.048 Meter) der Luftdruck und damit die Sauerstoffkonzentration in der Kabine unter einen kritischen Wert absinken und deshalb für Passagiere und Besatzung die Gefahr eines Sauerstoffmangels besteht. Die Vorteile einer großen Flughöhe lassen sich also nur nutzen, wenn dabei der Sauerstoffgehalt der Kabinenluft quasi konstant gehalten wird. Die Flugzeuge besitzen dazu Druckregelsysteme, die in der Kabine und im Cockpit Bedingungen erzeugen, die einer Höhe von weniger als Fuß (etwa Meter) entsprechen. Dazu wird permanent ein konstanter Luftstrom in die Flugzeugkabine eingeblasen. Der Kabinendruck wird reguliert, indem der Rückfluss in die Atmosphäre über sogenannte Outflow Valves (OFV) variiert wird. Bewegt werden diese Ventile durch eigens dafür entwickelte Aktuatoren. Entscheidend für deren Einsatz in DURCH DIE OPTIMIERUNG KONNTEN GEWICHT UND VOLUMEN MERKLICH REDUZIERT WERDEN. Die zentralen Elemente des hochintegrierten Aktuators sind ein kleiner bürstenloser DC-Motor mit hoher Drehzahl, ein Planetengetriebe als erste Getriebestufe sowie ein Harmonic-Drive -Getriebeeinbausatz vom Typ HFUC als zweite Untersetzungsstufe. Dieses Layout hat eine Reihe von Vorteilen. So lässt sich bei einer solchen Kombination die Planetenvorstufe im Flexspline des Wellgetriebes unterbringen, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass das Planetengetriebe entsprechend kompakt gewählt werden kann. Beim Einsatz im OFV-Aktuator ist jedoch das nominale Drehmoment sehr viel kleiner als das auftretende maximale Drehmoment; zudem ist die Anzahl der Zyklen hier sehr viel geringer als bei den meisten industriellen Anwendungen. Das Getriebe kann deshalb im kritischen Arbeitspunkt über das Nenndrehmoment hinaus belastet werden, sodass ein relativ kompaktes 6

9 Planetengetriebe zum Einsatz kommen kann. Die denkbare Alternative, einen Direktantrieb einzusetzen, kommt dagegen nicht infrage, weil verfügbare Direktantriebe nur etwa ein Fünftel der geforderten Kraftdichte leisten können. Gewählt wurde schließlich ein Planetengetriebe der Baugröße 11 mit einem maximalen statischen Drehmoment von 10 Newtonmeter und einer Untersetzung von 6 : 1. Die Wahl der gewichtsoptimierten Motor- Getriebe-Kombination wird bestimmt durch das erreichbare Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht im Drehmomentspektrum der Anwendung. Es liegt daher auf der Hand, dass eine größtmögliche Untersetzung zu bevorzugen ist. Die sehr hohe Drehmomentdichte der Wellgetriebe der Harmonic Drive AG von typischerweise 250 bis 550 Nm/kg prädestiniert dabei ihren Einsatz am Ausgang des Aktuators. Eingeschränkt wird die Auswahl allerdings durch die Drehzahlgrenzen von Motor und Getriebe sowie durch den abnehmenden Wirkungsgrad des Getriebes bei zunehmender Untersetzung. Außerdem nehmen die Reibungsverluste im Motor mit abnehmender Größe zu, was das Verhältnis Drehmoment zu Gewicht reduziert. Dazu kommt, dass ein Harmonic-Drive -Getriebe vom Typ HFUC eine maximale Untersetzung von 160 : 1 bietet. Zusammen untersetzen beide Getriebestufen die Motordrehzahl im Verhältnis 960 : 1. Maßgeblich für die Wahl des eingesetzten Motors sind jedoch die grundsätzlichen Leistungsansprüche an den Aktuator (Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel). Unter der Annahme, dass beide Getriebestufen jeweils einen Wirkungsgrad von 90 % besitzen, erfordert die beschriebene Anwendung eine maximale Leistung des Aktuators am Ausgang von etwa 38 Watt. Diese Spezifikation stellt hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad des Antriebs, schließlich steht an Bord des Flugzeugs nur eine Spannung von 28 Volt DC bei einem maximalen Strom von zwei Ampere zur Verfügung. Für den Arbeitspunkt mit der maximalen Leistung ergibt sich ein Wirkungsgrad von ca. 80 %, sodass als Antrieb nur ein bürstenloser DC-Motor mit hohem Wirkungsgrad infrage kommt. Hallsensoren in der Nähe des Stators ermöglichen die bürstenlose elektronische Motorkommutierung. Integrierte magnetoresistive Sensoren erfassen daneben die Position der Ausgangswelle. Die Kombination einer geringen Schmierstoffmenge mit einem speziellen Schmierstoff ermöglicht einen Betrieb bei bis zu minus 70 Grad Celsius. Letztendlich erfüllt das gefundene Layout damit sämtliche Anforderungen für den Einsatz als Outflow-Valve-Aktuator. Durch den hohen Integrationsgrad konnten zudem Volumen und Masse gegenüber dem ursprünglich eingesetzten Antrieb wesentlich reduziert werden. GOOD AIR AT HIGH ALTITUDES Commercial aircrafts are now flying at very high altitudes. A newly developed actuator will ensure that passengers and crew do not have difficulty breathing despite the thin air. The ultra-compact design also saves on space and weight. Very low fuel consumption is an essential requirement in modern commercial aircraft. Modern airliners therefore fly at the highest possible altitudes to increase efficiency. One problem with this, however, is that above an altitude of about feet (3.048 metres), air pressure and the concentration of oxygen in the cabin fall below a critical level. This means that passengers and crew are at risk of not having enough oxygen. We can only enjoy the benefits of flying at high altitudes if the oxygen content in the cabin air remains virtually constant. Planes have pressure control systems that produce conditions in the cabin and cockpit corre- 7

10 OUTFLOW-VALVE-AKTUATOR GUTE LUFT IN GROSSER HÖHE OUTFLOW VALVE ACTUATOR GOOD AIR AT HIGH ALTITUDE Auf den Punkt gebracht Der von der Harmonic Drive AG aus Limburg neu entwickelte Aktuator wurde eigens für die Bewegung der Luftauslassventile bei Verkehrsflugzeugen entwickelt. Die ultrakompakte Lösung integriert auf kleinstem Raum einen leistungsstarken EC-Motor, ein Planetengetriebe, ein hochuntersetzendes Wellgetriebe sowie die erforderlichen Feedbacksysteme. To Summarize Limburg-based Harmonic Drive AG s newly developed actuator has been specifically designed for the movement of air release valves in commercial aircraft. The ultra-compact solution integrates a powerful EC motor, planetary transmission, a highly reducing strain wave gear and the necessary feedback systems into a very small space. sponding to an altitude of less than feet (about metres). A constant stream of air is blown into the aircraft cabin. The cabin pressure is regulated by varying the reflux into the atmosphere using so-called outflow valves (OFV). These valves are moved using specially developed actuators. It is essential that the drive system is highly integrated to ensure that actuators are used effectively in aircraft where each component has to be as compact as possible and also very light. This requires power transmission which is very precise and free of backlash. It is also crucial that all components are extremely reliable due to the safety-critical nature of the actuator. The installation at the outlet valve of the fuselage is also very demanding in terms of tightness and robustness as well as function and efficiency at low temperatures. The drive system must therefore be operated with as little lubricant as possible, and this must also demonstrate low temperature capability. The Limburg based drive technology specialists at Harmonic Drive AG are introducing a new type of OFV actuator. This has a diameter of 95 mm and length of less than 115 mm, which makes it significantly more compact and lighter than previous solutions. The main features of the highly integrated actuator include a small brushless DC motor with high rotational speed, planetary transmission for the first gear level and Harmonic-Drive s HFUC gear component set for the second reduction level. This layout has a number of advantages. The combination means that the input planetary stage is built into the flex spline of the strain wave gear without requiring additional space. The condition for this, of course, is that the planetary transmission may be chosen in a form that is equally compact. However, when used in the OFV actuator, the nominal torque is a lot smaller than the maximum torque that occurs. The number of cycles is also very much smaller than in most industrial applications. The gear can therefore be loaded at the critical operating point beyond the nominal torque so that a relatively compact planetary transmission system can be used. However, the possible alternative of using a direct drive is not feasible because available direct drives can only offer a fifth of the required power density. Size 11 planetary transmission with a maximum static torque of 10 Newton meters and a reduction ratio of 6:1 was finally chosen. The choice of the weight-optimized motor-gear combination is determined by the achievable ratio of torque to weight in the torque range of application. It is therefore evident that a maximum reduction is preferable. Harmonic Drive AG offers a strain wave gear with a very high torque density usually ranging from 250 to 550 Nm/kg. This makes it ideal for using at the output of the actuator. However, the selection is limited by the rotational speed limits of the motor and transmission as well as by the decreasing efficiency of the transmission when there is increasing reduction. Frictional losses in the motor also increase with decreasing size, reducing the torque to weight ratio. Furthermore, Harmonic-Drive s HFUC transmission offers a maximum reduction ratio of 160 : 1. Together both gear levels reduce the motor rotation speed in the ratio 960 : 1. However, the basic performance specifications of the actuator (torque, rotational speed, rotation angle) are important for determining the choice of motor. On the assumption that both gear levels each have an efficiency of 90 %, the application described requires the actuator to have a maximum performance at the output of about 38 watts. This specification imposes high demands on the efficiency of the drive. Finally, the voltage on board the aircraft is only 28 volts DC with a maximum current of 2 amperes. Operating at maximum performance produces an efficiency of about 80 %, which means that only a brushless high-efficiency DC motor can be used as a drive. Hall sensors near the stator enable brushless electronic motor commutation. WEIGHT AND VOLUME CAN BE SIGNIFICANTLY REDUCED BY OPTIMISING THE DESIGN Integrated magnetoresistive sensors also detect the position of the output shaft. The combination of a small amount of lubricant with a special lubricant enables operation up to minus 70 degrees Celsius. Ultimately, the layout therefore meets all requirements for its use as an outflow valve actuator. Due to the high degree of integration, volume and mass can also be significantly reduced compared to the drive originally used. 8

11 NEWS NEUIGKEITEN DER HARMONIC DRIVE AG NEWS HARMONIC DRIVE AG NEWS NEWS-BLOCK NEWS BLOCK REINHARD & SONJA ERNST ÜBERGEBEN»HAUS DER HOFFNUNG«AN DIE STADT NATORI REINHARD & SONJA ERNST HAND OVER»HOUSE OF HOPE«TO THE TOWN OF NATORI»Kibo no le«, das»haus der Hoffnung«, ist eine Begegnungsstätte, die in der von der Tsunami-Katastrophe am 11. März 2011 stark betroffenen japanischen Kleinstadt Natori errichtet wurde. Die Reinhard & Sonja Ernst-Stiftung wollte der Gemeinde helfen, deren Einwohner noch heute, über ein Jahr später, größtenteils in Notunterkünften leben. Besonders für die alten Leuten und die Kinder sollte etwas getan werden; so entstand die Idee einer Begegnungsstätte für Jung und Alt. Bei der Ideenfindung, Planung und der Bauleitung engagierte sich der weltbekannte Architekt Fumihiko Maki, ein Freund des Stifterehepaares, kostenlos. Die Gesamtkosten des Baus betrugen 1,5 Millionen Euro und wurden zum größten Teil von der Stiftung getragen sowie von weiteren Spenden aus Deutschland und Japan. Es entstand ein formschönes Gebäude, das Geborgenheit und Gemütlichkeit ausstrahlt. Unter einem Dach können sich jetzt alte Menschen über das geschehene Unglück austauschen, gemeinsam kochen oder Konzerten lauschen. Die Kinder können unter Aufsicht spielen oder bei ihren Hausaufgaben betreut werden. Am 3. November 2012 wurde das»haus der Hoffnung«der Stadt Natori feierlich übergeben. Ein ausführlicher Bericht über das Natori-Projekt folgt in der nächsten Ausgabe der newdrive.»kibo no le«, or»house of Hope«, is a community centre that has been built in Natori, the small Japanese town that was severely hit by the tsunami of 11th March The Reinhard & Sonja Ernst Foundation wanted to help the town where most of the inhabitants are still living in emergency accommodation over a year after the tsunami hit. Something needed to be done, particularly for children and the elderly, and this gave rise to the idea of a community centre for the young and elderly. World-famous architect, Fumihiko Maki, who is a personal friend of Reinhard and Sonja Ernst, was involved in managing the planning, design and construction of the community centre and he provided his services free of charge. The total construction costs for the project amounted to EUR 1.5 million. This was largely paid for by the foundation and from donations from Germany and Japan. The»House of Hope«is an elegant building that exudes warmth and cosiness. The elderly now come here to meet, talk about the misfortune, cook together and listen to concerts. Children come to play or do their homework under adult supervision. The»House of Hope«was officially handed over to the town of Natori on 3rd November You can read a detailed report on the Natori project in the next issue of newdrive. HARMONIC DRIVE AG STARTET SICHER INS JAHR 2013 HARMONIC DRIVE AG LAUNCHES SAFELY INTO 2013 Seit den verheerenden Anschlägen des 11. September 2001 wurden die Sicherheitsbestimmungen in der Luftfahrt immer wieder verschärft. Nicht nur Personen, sondern auch Warensendungen sind davon betroffen. Daher gelten bereits seit 2002 in Europa spezielle Bestimmungen für alle, die in irgendeiner Form an der Lieferkette einer Luftfrachtsendung beteiligt sind. Ab 26. März 2013 können somit nur noch Luftfrachtverlader mit dem behördlich anerkannten Status»Bekannter Versender«ihre Sendungen ohne aufwändige Kontrollen an den Flughäfen abfertigen lassen. Seit Juli 2012 ist die Harmonic Drive AG als zugelassener Wirtschaftsbeteiligter zertifiziert (AEO-F). Auch die Anforderungen, die das Luftfahrt-Bundesamt als Zulassungsvoraussetzung zum»bekannten Versender«vorsieht, sind erfüllt. Daher wurde die im Juli 2012 durchgeführte Vor-Ort-Prüfung im Rahmen des Zulassungsverfahrens erfolgreich abgeschlossen. Ever since the devastating terrorist attacks of September 11th 2001, security regulations in aviation have been progressively tightened. This has affected both air passengers and shipments. Since 2002, therefore, special regulations have been in force in Europe, and these apply to anyone involved in any way in the supply chain of an air freight shipment. From 26th March 2013, only air freight shippers that are officially recognised as»known consignors«will be able to have their shipments dispatched without having to undergo extensive airport security checks. Harmonic Drive AG has been accredited as an Authorised Economic Operator (AEO-F) since July The requirements imposed by the Federal Office of Civil Aviation to qualify for the status of»known consignor«have also been met. The on-site inspection that was carried out in July 2012 as part of the approval process has therefore been successfully completed. 9

12 KUNST UND PRÄZISION BRÜCKENSCHLAG ZWISCHEN KUNST UND TECHNIK ART AND PRECISION BRIDGING THE GAP BETWEEN ART AND TECHNIQUE 10

13 BRÜCKENSCHLAG ZWISCHEN KUNST UND TECHNIK Die Weilburger Malerin Anke Mohr hat eine große Affinität zur Wissenschaft und ist von Astrophysik und Einsteins Relativitätstheorie ebenso fasziniert wie von den alten Ägyptern oder der Verbindung zwischen Kunst und Psychologie. Für die Harmonic Drive AG hat sie sich des großen Universalgenies Leonardo da Vinci angenommen. BRIDGING THE GAP BETWEEN ART AND TECHNOLOGY Weilburg painter Anke Mohr has a great affinity for science and is fascinated by astrophysics, Einstein s theory of relativity, the ancient Egyptians and the link between art and psychology. For Harmonic Drive AG, she even draws a link with the great universal genius Leonardo da Vinci. Frau Mohr, was inspiriert Sie bei Ihrer täglichen Arbeit? Die Neugier. Aus einer täglichen Flut von Eindrücken, Informationen und Bildern ragen immer wieder Dinge hervor, die mich neugierig machen und mich zur visuellen Umsetzung, also zum Malen, inspirieren. Welches ist Ihre bevorzugte Technik? Die Lasurtechnik in Acryl wie auch in Öl hat es mir angetan. Wie nähern Sie sich bei Auftragsarbeiten für Geschäftsräume einem Unternehmen bzw. einem vorgegebenen Thema? Der überwiegende Teil meiner Auftragsarbeiten waren Illusionsmalereien in Geschäftsräumen. Generell ist eine intensive Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber nötig, um ein Gespür für die gewünschte Raumwirkung zu bekommen; Fragen zur Historie, Unternehmensentwicklung, Philosophie, Produktpalette, Informationen aus dem Internet runden das Bild ab. Ist Ihnen die Welt der Technik nah? Sie ist sozusagen allgegenwärtig, da mein Mann Maschinenbauingenieur ist. Sie haben in Weilburg eine Schule für Kunst und Kommunikation gegründet was möchten Sie Ihren Schülerinnen und Schülern vermitteln? In erster Linie Freude an Kunst. Kunst öffnet Fenster aus geschlossenen Räumen. Häufig fehlt den Menschen einfach der Mut, ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen. Diese Schranke möchte ich abbauen, aber gleichzeitig deutlich machen, dass Kunst ohne handwerkliche Fähigkeiten und Kenntnisse immer Stückwerk bleiben wird. Mrs Mohr, what inspires you in your everyday work? Curiosity. From a daily deluge of impressions, information and images there are always things that stand out and provoke my curiosity. I am inspired to portray them visually by painting them. What is your favourite technique? I am really taken with acrylic and oil glazing. How do you approach a company or a given topic in the case of commissioned work for a commercial organisation? The majority of my commercial work has been illusory paintings in business premises. Generally, you have to work very closely with the client to get a feel for the desired spatial effect. Questions regarding the history, the development of the company, the philosophy and the product range, as well as information from the Internet complete the picture. Are you close to the world of technology (Harmonic Drive AG)? The world of technology is ubiquitous in the family of a mechanical engineer, and we often take it for granted in our lives. You founded a school of art and communication in Weilburg what do you want to teach your students? First and foremost, the joy of art. Art opens windows indoors. People often lack the courage to give free rein to their creativity. I want to remove these barriers, but I would also like to make it clear that without technical skills and knowledge art will always remain disconnected. What is your current topic in art? Currently some of my thoughts are on my home town of Weilburg, its historical importance, its present and its future. Processing this visually is challenging me. I go along with the words of Paul Klee:»Art does not reproduce the visible; rather it makes visible.«welches ist in der Kunst Ihr aktuelles Thema? Zurzeit drehen sich einige meiner Gedanken um meine Heimatstadt Weilburg, ihre Bedeutung in der Vergangenheit, ihre Gegenwart und Zukunft. Dies visuell zu verarbeiten, fordert mich heraus. Dabei begleitet mich die These von Paul Klee:»Kunst gibt nicht das Sichtbare wieder, sondern macht sichtbar«. Können Sie mir ein paar Stichpunkte zu Ihrem Bild für die Harmonic Drive AG geben? Kunst und Technik bei dieser Kombination stößt man natürlich auf ein großes Universalgenie: Leonardo da Vinci. Vor 500 Jahren zeichnete er auch zahllose Modelle von Zahnradgetrieben; daneben stehen die Getriebe der Harmonic Drive AG und ihre vielfältigen Einsatzgebiete. So ergibt sich bei genauer Betrachtung zwangsläufig eine Verbindung zwischen Leonardo da Vinci und der Harmonic Drive AG. Can you give me a few points about your image for Harmonic Drive AG? Art and technology this combination inevitably brings us to a great universal genius: Leonardo da Vinci. 500 years ago he drew countless models of gear drives. Today we have the gears of Harmonic Drive AG and the many areas in which they are used. On closer inspection, there is clearly a connection between Leonardo da Vinci and Harmonic Drive AG. Mrs Mohr, thank you very much for talking to us. Atelier Anke Mohr, Spielmannstraße 16, Weilburg, amohr@t-online.de Frau Mohr, wir danken Ihnen für das Gespräch. 11

14 MECHATRONIK NÄHER ANS IDEAL MECHATRONICS CLOSER TO THE IDEAL NÄHER ANS IDEAL Höchste Genauigkeit von Getriebemotoren durch mechatronische Ansätze. Sucht man nach dem optimalen Antriebssystem hinsichtlich Kompaktheit, Leistungsdichte und Systemkosten, steht der Servoantrieb als Kombination aus AC-Motor und Präzisionsgetriebe ganz oben auf der Liste. Fortschritte in der Regelungstechnik haben es ermöglicht, einen Servomotor nahe am Ideal zu betreiben. Die manchmal als nachteilig empfundenen Einflüsse des Getriebes, wie Nachgiebigkeit oder zyklische Abweichungen in der Winkelübertragungstreue, werden bisher kaum berücksichtigt. Dabei liegt gerade hier ein großes Potenzial. Übertragungsgenauigkeit Die Übertragungsgenauigkeit eines Getriebes ergibt sich aus der Differenz des wirklichen und des theoretischen Abtriebsdrehwinkels. Praktisch ist dies der gemessene Drehwinkel am Abtrieb abzüglich des am Antrieb gemessenen und durch die Nennuntersetzung geteilten Drehwinkels. Dieser beträgt je nach Baugröße nur ein bis zwei Winkelminuten. Bei Präzisionsanwendungen kommt es so aber zu störenden Positionsfehlern oder zu Gleichlaufschwankungen (Gefahr von Schwingungsanregung). Dieser Fehler ist geometrisch bedingt und somit in hohem Maße reproduzierbar. Grundsätzlich sind zwei Wege denkbar, diesen Effekt zu kompensieren: Die Wellgetriebe der Harmonic Drive AG basieren auf einem außergewöhnlichen Funktionsprinzip, bei dem die Verformung von Material zur Übertragung von Kräften ausgenutzt wird. Seit der Patentierung im Jahre 1955 haben schon einige Ingenieurgenerationen mit diesem hochpräzisen Getriebe herausragende Leistungen erzielt. Neben der reinen technischen Faszination bietet dieses Funktionsprinzip natürlich auch Vorteile in der Anwendung. So können mit dem nur dreiteiligen, leichten und kompakten Getriebe Untersetzungen von 30 : 1 bis 320 : 1 pro Stufe bei hohem Wirkungsgrad erzielt werden. DIE INNOVATIONEN IN DER SENSOR- UND REGELUNGSTECHNIK WEISEN DIE RICHTUNG: HIER LIEGT DIE ZUKUNFT DES GETRIEBEMOTORS Online Ein zusätzlicher abtriebsseitiger Geber liefert die Information, um die Schwankungen durch die Regelung zu kompensieren. Dieser Ansatz arbeitet symptomatisch, d. h., alle Schwankungen werden so weit wie möglich kompensiert, unabhängig von der Ursache. Nachteilig ist dabei der erhöhte Aufwand für den Sensor und die veränderte Regelstruktur. Letztere erfordert unter Umständen einen Beobachter oder ein Streckenmodell, um die Phasenlage zyklischer Schwankungen zwischen Abtrieb (Zielort der Regelung) und Motor (Eingriffsort der Regelung) zu berücksichtigen. Offline Die Schwankungen werden, abhängig vom Motorwinkel, einmalig erfasst und als Kompensationsdatensatz (tabellarisch oder parametrisch-funktional) hinterlegt. Die Sollwerte in der Regelung werden mit diesen Daten laufend überlagert, sodass die resultierende Vorhaltbewegung des Motors die Schwankungen im Getriebe kompensiert. Dieser Ansatz erfordert im laufenden Betrieb keine zusätzliche Sensorik. In die Harmonic-Drive -Getriebetechnologie fließen Erfahrungen aus fast vierzig Jahren Firmengeschichte ein. Durch Optimierungen in der Geometrie und Fertigungstechnologie erreichen die Getriebe z. B. Spielfreiheit auf Lebenszeit, eine sehr hohe Lasttragfähigkeit bezogen auf den Materialeinsatz sowie eine hohe Gleichförmigkeit in der Bewegungsübertragung. Doch gut bedeutet nicht perfekt. Natürlich sind Wellgetriebe nicht beliebig steif, denn auch eine hochpräzise gefertigte Verzahnung bleibt eine mechanische Unstetigkeit. Nur wenige μm Versatz in der Bauteilausrichtung können sich bemerkbar machen, Wälzlager sowie Dichtungen erzeugen nach wie vor Reibverluste. Doch in den letzten fünfzig Jahren hat sich noch mehr getan: Das Getriebe als mechanische Komponente bestimmt nicht mehr allein die Qualität einer Antriebslösung. Das Gesamtverhalten eines elektronisch geregelten Systems ist entscheidend. Auch hier bieten die Getriebe der Harmonic Drive AG echte Vorteile: Übrige Unzulänglichkeiten lassen sich durch theoretische Analysen erklären und wertmäßig ermitteln. Somit gibt es sehr gute Chancen für mechatronische Ansätze zur Kompensation unerwünschter Getriebeeigenschaften. Die Sollwert-Überlagerung kann entweder im Regler erfolgen oder direkt im Motor-Feedback-System. Letztere Variante hat den Vorteil, dass keinerlei Anpassung am Regler selbst erfolgen muss, da die dem Aktuator zugeordneten Parameter direkt dort abgelegt sind. Beide Ansätze wurden von der Harmonic Drive AG untersucht. Nach dem regelungstheoretischen Entwurf folgten die ersten Tests der Algorithmen durch Simulationen und die praktischen Tests im Prüffeld nutzten einen Echtzeitrechner, der in die Reglerstruktur bzw. den Messkreis eingebunden wurde. Das vollständige bisher erprobte Know-how steht zur Implementierung in kundenspezifischen Systemen bereit. Dazu wurden einige der Ansätze bereits bis zu einer industrietauglichen Lösung entwickelt. Eine Realisierung der Onlinekompensation basiert auf einem Beschleunigungssensor nach dem Ferraris-Prinzip, der abtriebsseitig in einen Servoaktuator integriert wurde. Im Zusammenspiel mit einer speziellen Firmware, die eine Beobachterstruktur implementiert, wird an einem Standard-Industrieregler eine deutliche Verbesserung des Gleichlaufs erzielt. Durch kleine zyklische Vorhaltbewegungen des Motors wird der Abtrieb deutlich beru- 12

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16 MECHATRONIK NÄHER ANS IDEAL MECHATRONICS CLOSER TO THE IDEAL 1 s Rampe ramp 2*pi / s+1 Psoll Pset Pist Pact I U Mon U FB FHA-40C-100-L KB I KA FB HFUC KB FA KA FA Sollwert-Filter command filter Regler controller DC Motor DC motor elast. Getr. m. Ü-Fehler elast. gear w. t-error Drehmasse moment of inertia 0.83 * 100 OM soll [rpm] OM set [rpm] BILD 1 FIGURE 1 Phi SIN / COS Decoder decoder Sw SIN / COS Out Manipulation manipulation SIN / COS In SIN / COS Phi Encoder encoder SIN / COS Ist-Pos act pos -1 / 100 R KIN FRC Phi Omega Alpha M ges M dyn Auswertung Antrieb evaluation actuator + R2D - Winkelfehler angle error higt. Bild 1 zeigt ein Simulationsmodell und Bild 2 experimentelle Ergebnisse zur statischen Offlinekompensation. Der periodische Winkelfehler wird durch Aufschalten des Algorithmus deutlich reduziert. Elastische Nachgiebigkeit Sind die drei Bauteile Flexspline, Circular Spline und Wave Generator des Wellgetriebes montiert, entsteht eine elastische Verspannung, die für dauerhafte Spielfreiheit sorgt. Somit ist auch ohne äußere Last die Getriebesteifigkeit nicht gleich null. Mit zunehmendem Lastmoment beteiligen sich immer mehr Zähne an der Kraftübertragung, was zu einem progressiven Steifigkeitsverlauf führt. Nur kann das Getriebe nicht unendlich steif sein, da ein äußeres Drehmoment immer zu einer Verwindung zwischen Ab- und Antrieb führt. Sind jedoch das Lastmoment und die Steifigkeitskennlinie des Getriebes bekannt, kann dieser WindUp-Winkel recht genau geschätzt und regelungstechnisch kompensiert werden. Neben der statischen Kompensation der Getriebeelastizität erlaubt ein abtriebsseitiger Drehmomentsensor noch weitere Funktionen: dynamische Schwingungsdämpfung, direkte Momentenregelung (viel genauer als die indirekte Regelung über den Motorstrom) oder das haptische Rendern von Momentencharakteristiken in Force-Feedback-Anwendungen. Auf den Punkt gebracht Gelangt man bei anspruchsvollen Anwendungen hinsichtlich Genauigkeit, Steifigkeit und Dynamik an die Grenzen üblicher Getriebemotoren, wird schnell der Einsatz von Direktantrieben propagiert und man nimmt die Nachteile dieser Systeme in Kauf. Dabei wäre mit einem intelligent geregelten Servoantrieb eine gleichwertige Performance erreichbar. Dazu profitiert man von den Vorteilen zu vergleichbaren Torque-Motoren, denn Servoantriebe sind in der Regel kompakter, leichter und oft effizienter in der Gesamtenergiebilanz. Sie werden bei geringeren Strömen betrieben und brauchen somit kleinere Regler und Kabelquerschnitte. So ergibt sich aus Systemsicht ein klarer Kostenvorteil. Aktuelle Neuheiten in der Sensor- und Regelungstechnik weisen die Richtung: Hier liegt die Zukunft des intelligenten Servoantriebs. CLOSER TO THE IDEAL Improving the precision of gear motors using mechatronic methods. If we are looking for the optimal drive system in terms of compactness, power density and system cost, the servo drive is still high up on the list offering a combination of AC motor and precision gear. Advances in control technology have made it possible to operate a servo motor that is close to the ideal. Gear influences that are sometimes perceived to be disadvantageous such as flexibility or cyclical variations in angular transmission reliability have so far attracted little attention. There is considerable potential here. Harmonic Drive AG s gear technology is based on a unique operating principle in which the deformation of material for transferring power is utilised. Since the patent in 1955, several generations of engineers have achieved excellent results with this high precision gear. Apart from its purely technical fascination, this operating principle clearly also offers advantages in terms of its application. Reductions of 30 : 1 to 320 : 1 in a single stage can be achieved with a high degree of efficiency using the three-piece, lightweight and compact gears. INNOVATIONS IN SENSOR AND CONTROL TECH- NOLOGY SHOW THE WAY: THIS IS THE FUTURE OF THE GEAR MOTOR Experience spanning almost forty years of the company s history are incorporated into the Harmonic Drive gear technology. Tweaking geometry and manufacturing technology means that that the gears offer, for example, lifelong backlash free performance, a very high load carrying capacity in terms of the use of materials and high uniformity in motion transmission. However, good does not mean perfect. Of course, strain wave gears are not always rigid because even with highly precise manufactured gearing there is still mechanical discontinuity. Only a few microns offset in the component layout can be noticed. Bearings and seals still create friction losses. However, even more has changed within the last fifty 14

17 Winkelfehler [arcsec] angle error [arcsec] Gleichlaufversuch (30 / s) synchronious speed test (30 / s) Motorumdrehungen motor revolutions BILD 2 FIGURE 2 years: The gear is no longer the only mechanical component that determines the quality of a drive solution. The quality is determined rather more by the overall performance of an electronically controlled system. Here too Harmonic Drive AG s gears offer significant advantages: Any remaining shortcomings can be explained by theoretical analyses and identified in terms of value. There are therefore very good opportunities for using mechatronic methods to compensate for undesired gear properties. Transmission precision The transmission precision of a gear is derived from the difference between the actual and theoretical output rotation angle. In practical terms, this corresponds to the rotation angle measured at the output less the rotation angle measured at the input and divided by the nominal reduction ratio. Depending on the size, this amounts only to no more than 1 to 2 angular minutes. However, in precision applications, this leads to disruptive positioning errors or even flutters (risk of vibration). This error is geometrically determined and therefore highly reproducible. Basically, there are two possible ways in which to compensate for this effect. Online An additional encoder on the output side provides the information for compensating for the vibrations by means of control. This approach works symptomatically, i.e. all vibrations are compensated as far as possible, irrespective of their cause. The disadvantages, however, are the increased effort for the sensor and the change in the control structure. The latter may in certain circumstances require an observer or a controlled machine model so as to factor in the phases of cyclical vibrations between the output (the target point for the control) and the motor (the point of gearing for the control). Offline The vibrations are captured once depending on the motor angle and recorded as compensation data (tabular or parametric and functional). The set point values in the control are continually superimposed with this data, so that the resulting suspension movement of the motor compensates for the vibrations in the transmission. This approach requires no additional sensor device during the operation. The set point superimposition can either be done in the controller or directly in the motor feedback system. The advantage of the latter option is that no adjustment has to take place at the controller, as the parameters associated with the actuator are stored right there. Both approaches have been investigated by Harmonic Drive AG. According to the control design, the initial tests of the algorithms were carried out by simulation. The following practical tests in the test field used a real time computer which was integrated into the control structure and the measuring circuit. All the know-how that has been tried and tested to date can be implemented in customised systems. Furthermore, some of the approaches have already been developed into a finished industrial grade solution. Implementation of online compensation is based on an acceleration sensor according to the Ferraris principle that on the output side has been integrated into a servo actuator. Combined with a special firmware which provides an observer structure, this allows for a significant improvement to the synchronisation on a standard industrial controller. The small cyclical suspension movements of the motor result in a significant calming of the output. Figure 1 shows a simulation model and figure 2 shows experimental results for static offline compensation. The periodic angular error is significantly reduced by switching the algorithm. Elastic flexibility If the three components (flexspline, circular spline and wave generator of the strain wave gear) are installed, there will be an elastic tension which ensures permanent backlash free conditions. Therefore, even without an external load, transmission rigidity is not equal to zero. With increasing load torque, an increasing number of teeth are involved in the power transmission, which results in progressive rigidity. However, the transmission cannot be infinitely rigid, as an external torque always results in torsion between the output and drive. However, if the load torque and the rigidity characteristics of the transmission are known, this windup angle can be estimated quite accurately and compensated by control technology. Apart from the static compensation of transmission elasticity, a torque sensor on the output side offers additional functions: dynamic damping of vibrations, direct torque control (significantly more precise than indirect control via the motor current) or the haptic rendering of torque characteristics in force feedback applications. To Summarize If, in terms of precision, rigidity and dynamics of demanding applications, we are getting to the limits of conventional gear motors, the use of direct drives being promoted where we are subjecting ourselves to the drawbacks associated with these systems. It would often and easily be possible to use a cleverly controlled gear motor to achieve a performance that is at least on a par. We can also benefit from advantages over comparable torque motors, as gear motors are usually more compact, lighter and often more efficient in terms of their overall energy balance. They operate at lower currents need smaller controllers and cable cross sections. So there is a clear cost benefit from the system point of view. Current innovations in sensor and control technology show the way: This is the future of the gear motor. 15

18 UNSER TEAM MITARBEITER UND JUBILARE OUR TEAM EMPLOYEES AND EMPLOYEE ANNIVERSARIES MITARBEITER EMPLOYEES Raum für Musik-Philosophie Produkte Multiroom & Planung Angebote News O-Töne über Musik im Raum Plattenspieler Tonabnehmer CD, BlueRay-Player Netzwerkstreamer Verstärker Lautsprecher TV & Projektoren Tuner Integrierte Lösungen Zubehör: Kopfhörer, Regalsysteme, etc. MUSIK IM RAUM Raum für Musik Verstärker. Vorverstärker, Vollverstärker und kraftvolle Endstufen. Jedes System ist anders und verlangt nach einer anderen Lösung. Marken: Impressum MEHR ALS NUR EIN JOB Die Suche nach qualifiziertem Personal ist für viele Unternehmen zur Existenzfrage geworden. Daher ist es auch für die Harmonic Drive AG enorm wichtig, sich als Arbeitgeber erfolgreich und attraktiv zu präsentieren. MORE THAN JUST A JOB Finding qualified staff has become a question of survival for many companies. It is therefore extremely important for Harmonic Drive AG to present itself as a successful and attractive employer. Das neue Karriereportal der Harmonic Drive AG bietet Berufserfahrenen, Berufseinsteigern sowie Studenten und Schülern die Möglichkeit, sich über die Harmonic-Drive-Gruppe zu informieren. Außerdem erhalten sie Tipps für eine professionelle Bewerbung und können uns im Anschluss daran ihre Bewerbung über ein Onlineformular zusenden. Harmonic Drive AG s new career portal offers experienced professionals, newcomers and students the opportunity to learn about the Harmonic Drive Group. Prospective employees will also get advice on how to make a professional job application and will then be able to send us their application using an online form. Darüber hinaus möchte die Harmonic Drive AG ihren Mitarbeitern einen Mehrwert bieten, der über den normalen Joballtag hinausgeht. Hierzu gehören beispielsweise Angebote im Rahmen des Gesundheitsmanagements. In Kooperation mit einem Gesundheitsdienstleister werden verschiedene Trainingskonzepte, wie zum Beispiel spezielle Rückenfitnesskurse, firmenintern durchgeführt. Zusätzlich erhalten die Mitarbeiter kostenfrei Obst sowie Kaltund Heißgetränke. Neben den sportlichen Aktivitäten gibt es noch weitere Freizeitangebote. Gerade neue Mitarbeiter freuen sich über die Events der Harmonic Drive AG, die es ermöglichen, die Kollegen in privater Atmosphäre kennenzulernen. Harmonic Drive AG offers its staff added value that goes beyond the normal everyday job. Additional benefits staff can enjoy include a range of health related in-house training programmes and fitness classes, daily free fruit and hot and cold drinks, as well as access to various sporting activities and other recreational opportunities. Harmonic Drive AG s full programme of events goes down particularly well with new members of staff who use these occasions to get to know colleagues in a private setting. JUBILARE Wir bedanken uns recht herzlich für die langjährige tolle Mitarbeit! EMPLOYEE ANNIVERSARIES We would like to thank you for the years of excellent work! 10-JÄHRIGES JUBILÄUM! TEN-YEAR ANNIVERSARY! Mario Bier Alexander Ruppel Dr. Ingolf Schäfer Stefan Schmitt 16

19 MESSETERMINE SPS/ IPC/ DRIVES IN NÜRNBERG TRADE FAIRS SPS/ IPC/ DRIVES IN NUREMBERG DIE HARMONIC DRIVE AG VOM NOVEMBER 2012 AUF DER SPS / IPC / DRIVES / IN NÜRNBERG Die SPS / IPC / Drives / umfasst als Europas führende Fachmesse für elektrische Automatisierung ein breites Spektrum an neuen Produkten, Lösungen und Innovationen der Automatisierungsbranche. Mehr als Aussteller präsentieren in zwölf Messehallen alle Komponenten, komplette Systeme und integrierte Automatisierungslösungen aus der Steuerungstechnik, Antriebstechnik, Bedientechnik, Sensorik und vielen weiteren Bereichen. Als eine der wenigen Fachmessen in diesem Umfeld verbindet die SPS / IPC / Drives / somit Komponenten und Systeme miteinander und bietet integrierte Automatisierungslösungen an. Sie schafft es, die Kern- und Trendthemen der Automatisierungsbranche zu fokussieren und hat damit für Anwender aus den unterschiedlichsten Bereichen etwas zu bieten. Wir laden Sie schon jetzt herzlich ein, unseren Messestand zu besuchen und unsere Produkte sowie deren Anwendungen kennenzulernen. Sie finden uns in der Halle 4, Stand 418. THE HARMONIC DRIVE AG AT SPS / IPC / DRIVES / FROM THE 27 TH TO 29 TH OF NOVEMBER IN NURENBERG Europe s leading trade fair for electrical automation, SPS / IPC / Drives /, offers a wide range of new products, solutions and innovations in the automation industry. In the exhibition centre s 12 halls, exhibitors will be presenting new components, complete systems and integrated automation solutions for control engineering, drive engineering, operation engineering, sensor technology and many other areas. As one of the few trade shows in this area, SPS / IPC / Drives / gives an overview of components and systems and offers integrated automation solutions. This trade fair showcases key topics and trends in the automation industry, and visitors will find a wealth of useful information whatever their line of business. Please come and visit us at our stand in hall 4, stand 418, where we will be delighted to demonstrate our products and discuss any future applications you may have. Unter info@harmonicdrive.de können Sie kostenfrei Tickets für Ihren Messebesuch anfordern. us at info@harmonicdrive.de to get your free tickets to the trade fair. 17

20 Deutschland Harmonic Drive AG Limburg /Lahn Harmonic Drive Produkte sind erhältlich in folgenden Ländern: Harmonic Drive products are directly available in the following countries: Belgien Belgium Brasilien Brasil Finnland Finland Frankreich France Großbritannien UK Indien India Israel Israel Italien Italy Japan Japan Niederlande Netherlands Norwegen Norway Österreich Austria Polen Poland Russland Russia Schweiz Switzerland Schweden Sweden Spanien Spain Türkei Turkey Tschechien Czech Republic USA USA newdrive, das News-Magazin der Harmonic Drive AG, ist eine Informationsschrift für Kunden und Interessenten der Harmonic Drive AG und erscheint in regelmäßigen Abständen. Alle Handelsbezeichnungen unterliegen den Urheberrechten ihrer jeweiligen Eigentümer und werden ausdrücklich respektiert. Die Harmonic Drive AG behält sich das Recht vor, die Spezifikationen der hier genannten Produkte ohne Ankündigung zu ändern oder aus dem Sortiment zu nehmen. Die hier veröffentlichten Informationen sind weiterhin nicht Bestandteil eines Vertrages. Harmonic Drive ist eine eingetragene Marke der Harmonic Drive AG. newdrive, the news magazine of Harmonic Drive AG, is an information paper for customers and all those interested in Harmonic Drive AG, which is published regularly. All trade names are subject to the copyright law of their respective owners and are expressly respected. Harmonic Drive AG reserves the right to modify the specifications of the products mentioned herein without prior notice or to remove them from the product range. The information published herein does not constitute part of a contract. Harmonic Drive is a registered trademark of Harmonic Drive AG. Herausgeber I Published by: Harmonic Drive AG, Hoenbergstraße 14, Limburg/Lahn, Deutschland Tel.: , Fax: , newdrive@harmonicdrive.de V. i. S. d. P. I Legally responsible for content: Dominik Kaiser Konzeption, Gestaltung I Concept, Design: Cicero Gesellschaft für Werbung und Kommunikation mbh Taunusstraße 52, Wiesbaden, Tel.: , Druck I Print: Ruster & Partner, Elz. Wir danken allen Mitwirkenden! We would like to thank all contributors!