INTELLIGENTE AUTOMATISIERUNGSLÖSUNGEN

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1 MAGAZIN DER / MAGAZINE OF HARMONIC DRIVE AG 2/2013 SYSTEMLÖSUNG HÖCHSTE UNTERSETZUNGEN MIT KLEINSTEN GETRIEBEN SYSTEM SOLUTION SENSE AND SENSIBILITY: SMALLEST GEARS WITH HIGHEST RATIOS A B B INTELLIGENTE AUTOMATISIERUNGSLÖSUNGEN ABB INTELLIGENT AUTOMATION SOLUTIONS

2 INHALT CONTENT AUSGABE / ISSUE 2/2013 IN DIESEM HEFT: SYSTEMLÖSUNG HÖCHSTE UNTERSETZUNGEN MIT KLEINSTEN GETRIEBEN MICROMOTION KLEIN IST NICHT GENUG ABB BLECHZUFÜHRUNG MIT PERFEKTEM ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNIS MECHATRONIK MIT 48 VOLT IN DIE ZUKUNFT NIEDERLASSUNG HARMONIC DRIVE AG SCHWEIZ NEUIGKEITEN DER HARMONIC DRIVE AG JUBILARE / MESSETERMINE IN THIS ISSUE: SYSTEM SOLUTION SENSE AND SENSIBILITY: SMALLEST GEARS WITH HIGHEST RATIOS MICROMOTION SMALL IS NOT ENOUGH ABB SHEET FEEDER WITH PERFECT GEAR RATIO MECHATRONICS INTO THE FUTURE WITH 48 VOLTS SUBSIDIARY HARMONIC DRIVE AG SWITZERLAND NEWS FROM THE HARMONIC DRIVE AG ANNIVERSARIES / TRADE FAIR DATES

3 EDITORIAL EDITORIAL OVALO UND MICROMOTION UNSERE TALENTIERTEN TÖCHTER OVALO AND MICROMOTION OUR TALENTED SUBSIDIARIES Liebe Leserinnen, liebe Leser, Dear Readers, es ist Zeit, einmal ausführlicher darüber zu berichten, was unsere Tochterunternehmen so alles leisten. Voller Stolz berichten wir in dieser newdrive-ausgabe über die Erfolge unserer Tochtergesellschaft Micromotion GmbH in der Miniaturisierung von Antrieben bis zur Baugröße 6 mm! Der Fokus dieser Ausgabe richtet sich auf Berichte über eindrucksvolle Ingenieurleistungen unserer Unternehmensgruppe; zum Teil realisiert in kleinsten Komponenten! Hervorzuheben ist unsere weitere Tochtergesellschaft, die Ovalo GmbH, die am Standort Limburg mechatronische Lösungen für sicherheitsrelevante Anwendungen im automobilen Fahrzeugbau der Zukunft entwickelt. Hier gilt es, harten Iso- und Kundenstandards zu genügen, was uns zur vollsten Zufriedenheit unserer Kunden mit Bravour gelingt. In unserer Titelgeschichte beweisen wir an einem genialen Fallbeispiel, dass es bei der Wahl zwischen Wellgetrieben und Planetengetrieben nicht um»entweder oder«, sondern um»sowohl als auch«geht. Gespannt und erfreut verfolgen unsere Kunden in der Schweiz auch die Gründung unserer Schweizer Niederlassung, die seit dem 1. Februar 2013 in Trimbach bei Olten ihr operatives Geschäft aufgenommen hat. Mit unserem erfahrenen Niederlassungsleiter Wolfgang Bös beabsichtigen wir unsere Schweizer Kunden intensiver vor Ort zu beraten und zu betreuen. Ich wünsche Ihnen eine interessante Lektüre und lade Sie herzlich ein, uns auf den Messen in den kommenden Monaten zu besuchen. Alle Termine entnehmen Sie bitte der letzten Seite des Magazins. Wir freuen uns auf Ihren Besuch! Now is the moment to report in detail about everything our subsidiary companies have to offer. In this issue of newdrive we are proud to report on the success of our subsidiary company Micromotion GmbH in miniaturising gears down to a compact size of 6 mm! This issue focuses on the impressive engineering services offered by our group of companies, particularly when utilising the smallest of components! We also wish to highlight our other subsidiary, Ovalo GmbH, which, at the Limburg site, is developing mechatronic solutions for safety-related applications for the automobile industry of the future. Our aim is to meet challenging ISO and client standards which we are achieving with flying colours, to our clients utmost satisfaction. In our cover story, we prove, in a brilliant case study, that when deciding between strain wave gears and planetary gears, it isn t a question of "either / or" but can also be "both". Our clients in Switzerland are also excited and delighted by the formation of our Swiss subsidiary which, opened on 1st February 2013, at Trimbach in Olten. Under the leadership of our experienced manager, Wolfgang Bös, we are looking forward to advising and looking after our Swiss clients more closely at this location. I hope you enjoy an interesting read and warmly invite you to visit us at the trade fairs over the next few months. You will find all the dates on the last page of the magazine. We look forward to seeing you there! Ihr Yours Ekrem Sirman Vorstandsvorsitzender der Harmonic Drive AG President and CEO of Harmonic Drive AG 1

4 SYSTEMLÖSUNG HÖCHSTE UNTERSETZUNGEN MIT KLEINSTEN GETRIEBEN SYSTEM SOLUTION SENSE AND SENSIBILITY: SMALLEST GEARS WITH HIGHEST RATIOS HÖCHSTE UNTERSETZUN MIT KLEINSTEN GETRIEBEN 2

5 GEN Wir verstehen uns nicht bloß als Getriebehersteller, sondern als Unternehmen, das komplette Antriebslösungen mit Getriebe, Motor, Messsystem und Regelungstechnik bietet. Möglich wird diese breite Produktpalette durch ein Baukastensystem, das wir seit über 15 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt haben. Und zwar für den Einsatz im industriellen Bereich über die Sparte Aerospace bis hin zum Automobilsektor, der das Geschäftsfeld unserer Tochtergesellschaft, der OVALO GmbH, ist. DIE SYSTEMLÖSUNG Die rein mechanischen Komponenten, basierend auf dem Wellgetriebeprinzip, stehen in diversen Konfigurationen zur Verfügung und erlauben spielfreie Untersetzungen von 30:1 bis 320:1 in nur einer Stufe sowie Drehmomente bis Nm. Die Einbausätze beinhalten die Kernkomponenten Circular Spline (CS), Flexspline (FS) und Wave Generator (WG). Bei den Units bildet der CS gemeinsam mit dem hochpräzisen Abtriebslager schon das Gehäuse, was die Systemintegration deutlich erleichtert. Getriebeboxen mit Abtriebswelle sind für die kleineren Baugrößen bis 15 Nm lieferbar, schon vorbereitet für den Motoranbau oder mit einer gelagerten Eingangswelle. Das Wellgetriebeprinzip erlaubt auch koaxiale Hohlwellen bis 80 mm bei einem Außendurchmesser von 284 mm. Egal welche Variante gefragt ist, Spielfreiheit über die gesamte Lebensdauer ist garantiert. Der Untersetzungsbereich zwischen 3:1 und 50:1 wird durch Harmonic Drive Planetengetriebe abgedeckt. Hier gelang es, die FS-Technologie auf das Hohlrad des Planetengetriebes zu adaptieren, d. h. ein flexibles Hohlrad zu entwickeln, das verschleiß- und spielkompensierend wirkt. Dadurch wird das Verdrehspiel des Getriebes über die gesamte Lebensdauer auf weniger als eine Winkelminute reduziert. In Kombination mit Servomotoren und integrierten Messsystemen sind alle diese Produkte auch als Servoantriebe verfügbar. Und unsere kompakten Lösungen sparen oft die entscheidenden Millimeter Bauraum. Highlight dieser Baureihe ist der Hohlwellen-Planetengetriebe-Antrieb FelisDrive. Der Motor wurde von uns entwickelt, um eine optimale Abstimmung auf die Getriebeperformance zu realisieren. Das dabei gewonnene Knowhow in den Bereichen Produktmanagement, Konstruktion und Entwicklung sowie Produktion bis hin zum Prüffeld fließt nicht nur in den Katalog unserer Serienprodukte ein, sondern auch in die oben erwähnten Systemlösungen. Diese werden entweder exakt nach Kundenwunsch anhand des Lastenheftes realisiert oder wir beraten bereits in der Konzeptionsphase. DIE ANWENDUNG Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogrammes (LuFo IV), gefördert durch das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi), wurden bei uns alle Teile eines Messgetriebes entwickelt, produziert und getestet, um an Flugzeugtragflächen die Position der Start- und Landeklappen messen zu können. Die Position wird indirekt an den Antriebswellen der Klappen ermittelt (nicht direkt am kinematischen Drehpunkt) und als Winkelmaß dargestellt. Die Messung erfolgt absolut, damit die Klappenposition auch direkt nach dem Systemstart ohne Initialisierung eindeutig bestimmt werden kann. Absolut misst das zugehörige Winkelmesssystem jedoch nur im Bereich einer Umdrehung (0 360 ), während die Antriebswelle einige Hundert Umdrehungen macht, um die Klappen vollständig zu betätigen. Um das aneinander anzupassen, ist ein kleines, leichtes sowie robustes Untersetzungsgetriebe, das selbst unter den harten Einsatzbedingungen in der Luftfahrt (Schock, Vibration, Temperaturschwankungen) präzise und zuverlässig arbeitet. Alles Charakteristika, für die unsere Wellgetriebe wie geschaffen sind. Je nach Baugröße erreichen sie Untersetzungen bis i = 320 in einer Stufe, aber selbst solch beeindruckende Eigenschaften genügten in dem beschriebenen Einsatzfall noch nicht. Doch durch das»vorschalten«eines einstufigen Planetengetriebes lässt sich der Messbereich leicht verdoppeln bis verfünffachen und das Getriebe auf den erforderlichen Messbereich anpassen. 3

6 SYSTEMLÖSUNG HÖCHSTE UNTERSETZUNGEN MIT KLEINSTEN GETRIEBEN Konkret wurde als Herzstück für diese Anwendung ein HDUC-Einbausatz der Baugröße 8 eingesetzt. Im 3-D-Schnitt (Bild 1) sind die Komponenten Circular Spline (CS: blau-grün), Flexspline (FS: gelb) und Wave Generator (WG-Plug: orange, WG-Lager: grau) dargestellt. Das Schnittbild des Messgetriebes (Bild 2) zeigt die Integration mit dem vorgeschalteten Planetengetriebe. Dessen Komponenten sind jeweils mit einer anderen Funktionalität kombiniert. Das reduziert Schnittstellen und erlaubt einen kompakten Aufbau. So wurde etwa das Sonnenrad direkt auf die schnell laufende Eingangswelle verzahnt (Bild 2: beige) und das Hohlrad in das Gehäuse (Bild 2: violett) integriert. Ebenso bilden der Planetenträger und die HDUC- Eingangswelle eine Einheit (Bild 2: orange). Die Abtriebswelle und der Flexspline (Bild 2: gelb) sind durch ein vorgespanntes Rillenkugellagerpaar gelagert. Dieses Design stammt von den PMG-Getriebeboxen einer unserer Standardbaureihen, die sich auch in den Servoantrieben der Baureihe PMA bewährt hat. Die Lagerung des Planetenträgers bzw. der HDUC-Eingangswelle (Bild 2: orange) ist elegant gelöst, indem die Welle im stationären Gehäuse sowie im mitdrehenden FS- Klemmring gelagert ist. Ähnlich ist auch die Eingangswelle mit dem Sonnenrad (Bild 2: beige) im stationären Montageflansch (Bild 2: blau) sowie im mitdrehenden Planetenträger (Bild 2: orange) gelagert. Solche Konzepte verlangen höchste Präzision bei der Fertigung. Wir haben das erforderliche Know-how dazu. Im konkreten Beispiel wurde das Planetengetriebe mit einer Untersetzung von i = 4 realisiert. Im Zusammenspiel mit der HDUC-Untersetzung von i = 100 können letztlich bis zu 400 Eingangsumdrehungen absolut gemessen werden. Das Spiel der Planetenstufe von etwa 3 Winkelminuten wird durch die prinzipbedingte spielfreie Harmonic Drive Untersetzung in Richtung Abtrieb um Faktor 100 reduziert und so auf der Getriebeausgangsseite nahezu eliminiert. Dabei ist das zweistufige Getriebe (ohne Flansch) bei einem Durchmesser von nur 33 mm nicht mehr als 55 mm kurz, hat somit circa die Maße einer Espressotasse. Das hier beschriebene Konzept lässt sich natürlich auch auf Servoantriebe anwenden, um den Arbeitspunkt der Anwendung an den Arbeitspunkt des Motors anzupassen oder den abtriebsseitigen Stellbereich noch feiner aufzulösen. Fazit: Wellgetriebe und Planetengetriebe sind kein Widerspruch mehr, sondern eine ideale Ergänzung, um höchste Untersetzungen mit kleinsten Getrieben zu realisieren. SENSE AND SENSIBILITY: SMALLEST GEARS WITH HIGHEST RATIOS We see ourselves not just as manufacturers of gears but as a company which offers complete drive solutions including gears, motors, measuring systems and control technology. This broad product palette comes from a modular system which we have been developing continuously for more than 15 years for use in industrial applications and the aerospace division right through to the automotive sector, which is the business focus of our subsidiary, OVALO GmbH. SYSTEM SOLUTION The purely mechanical components, based on the strain wave gear principle, are available in various configurations and allow zero backlash gear ratios from 30:1 to 320:1 in just one stage and with torque capacities up to 10,000 Nm. The installation kits contain the core components of the Circular Spline (CS), Flexspline (FS) and Wave Generator (WG). In the gear units, the CS together with the high precision output bearing, forms the housing, which considerably facilitates system integration. Gearboxes with drive shafts can be supplied for the smaller sizes up to 15 Nm, which are prepared for direct motor mounting or with an input shaft. The strain wave gear principle also permits coaxial hollow shafts of up to 80 mm with an external diameter of 284 mm. Whichever variant is requested, zero backlash is guaranteed for the entire lifetime. Lower gear ratios between 3:1 and 50:1 are covered by Harmonic Drive planetary gears. Here, it has been possible to adapt the FS technology to the ring gear of the planetary transmission, i.e. to develop a flexible internal gear which acts as compensation for wear and backlash. In this way, the gear s backlash is reduced to less than one minute of arc throughout its entire lifetime. By combining the gears with servo motors and integrated measurement systems, all of these products can be transformed into compact servo 4

7 SYSTEM SOLUTION SENSE AND SENSIBILITY: SMALLEST GEARS WITH HIGHEST RATIOS Bild 1: Einbausatz HDUC Fig. 1: HDUC Component Set Bild 2: Messgetriebe Fig. 2: Measuring Gear actuators often saving decisive millimetres where installation space is at a premium. The highlight of this series is the new FelisDrive hollow shaft planetary actuator. The motor was developed by our internal servo specialists, in order to achieve an optimal balance with the gear performance. The knowledge gained in the areas of product management, construction and development, as well as production through to testing, has not just filtered into the catalogue of our series products but also into the system solutions described above. If required, we can offer advice at the design stage or provide bespoke solutions to meet our client s exact instructions to suit the specific application. APPLICATION As part of an aviation research program (LuFo IV) funded by the Federal Ministry of Economics and Technology, we developed, produced and tested all the parts for a measuring gear unit, for measuring the position of the flaps on aircraft wings during take off and landing. The position is determined indirectly on the drive shafts of the flaps (not directly at the kinematic fulcrum) and shown as the angle measurement. The measurement is absolute, so that the flap position can also be determined directly without initialisation after the system starts up. The associated angular measuring system, however, measures absolutely in the area of one rotation (0 360 ) only, whilst the drive shaft makes several hundred rotations in order to activate the flaps completely. They are brought together by a small, light and robust reduction gear, which even under the harsh operating conditions in aviation (shock, vibration, oscillating temperatures), works precisely and reliably. Our strain wave gears are perfectly designed to meet these challenging characteristics, depending on size, they achieve gear ratios of up to 320:1 in one stage; but even these impressive features were not sufficient for this application. However, with the utilisation of an input single stage planetary gear, the measuring range can be by up to five times and adapt the transmission to meet the desired measurement range. In this particular application, an HDUC gear set size 8 was used as the key component for this application. In a 3-D cross-section (Fig. 1), the Circular Spline (CS: blue-green), Flexspline (FS: yellow) and Wave Generator (WG Plug: orange, WG bearing: grey) are the components shown. The cross-section of the measuring gear (Fig. 2) shows integration with the planetary gear fitted as the input stage. Components are combined in each stage to reduce interfaces which contributes to a compact construction. The sun gear was cut direct onto the fast running input shaft (Fig. 2: beige) and the ring gear was integrated into the housing (Fig. 2: violet). Likewise, the planetary carrier and the HDUC input shaft form one unit (Fig. 2: orange). The output shaft and the Flexspline (Fig. 2: yellow) are also held in position by a pre-stressed pair of deep groove bearings. This design comes from the PMG gearboxes one of our standard series which has also proved itself in our PMA servo actuator series. Holding the planetary bearing and the HDUC input shaft in place (Fig. 2: orange) is elegantly solved, with the shaft held in a static housing and in the revolving FS clamping ring. Similarly, the planetary stage input shaft is held together with the sun wheel (Fig. 2: beige) in the static assembly flange (Fig. 2: blue) and in the revolving planetary carrier (Fig. 2: orange). We have the necessary expertise at our plant to realise such designs as they demand very high precision at the point of manufacture. In this specific example, a planetary gear with gear ratio 4:1 was used in combination with the HDUC gear reduction ratio 100:1, meaning that up to 400 input revolutions could finally be measured in absolute terms. The backlash in the planetary stage of about 3 arc minutes was reduced by the Harmonic Drive zero backlash gear reduction ratio in the output direction by a factor of 100 and was thus almost completely eliminated on the gear output side. The two stage gear (without flange) with a diameter of only 33 mm is no more than 55 mm long and is thus about the size of an espresso cup. The concept described here can also be applied to servo actuators, in order to match the load of the application to the operating characteristics of the motor or to fine tune the inertial load to the drive. Conclusion: Strain wave gears and planetary gears are no longer contrasts but rather an ideal complement, allowing the highest gear reduction ratios to be achieved with the smallest gears. 5

8 MICROMOTION KLEIN IST NICHT GENUG MICROMOTION SMALL IS NOT ENOUGH KLEIN IST NICHT GENUG Die Miniaturisierung von Präzisions-Positioniersystemen geht oftmals mit der Verschiebung technologischer Grenzen einher. Mit der Entwicklung des weltweit kleinsten spielfreien Mikropräzisionsgetriebes MHD-6 setzt die Micromotion GmbH neue Maßstäbe und verschiebt die Grenzen des Machbaren wieder ein Stück weit. Außendurchmesser Outer diameter Untersetzung Reduction ratio Nennmoment Rated torque Spitzendrehmoment Repeated peak torque Kollisionsdrehmoment Momentary peak torque Verlustdrehmoment* Friction torque* Wirkungsgrad bei Nennbetrieb* Efficiency at rated operation* Nennantriebsdrehzahl Rated input speed Maximale Antriebsdrehzahl Max. input speed Abtriebswelle Output shaft Max. radiale Last (statisch) Max. radial load (static) Max. radiale Last (dynamisch) Max. radial load (dynamic) Max. axiale Last Max. axial load Antriebswelle Input shaft Max. radiale Last (statisch) Max. radial load (static) Max. axiale Last Max. axial load Massenträgheitsmoment* Moment of inertia* Gewicht* Weight* Wiederholgenauigkeit Repeatability Torsionssteifigkeit Torsional stiffness Lost Motion Lost motion Übertragungsgenauigkeit Transmission accuracy mm :1 mnm 15 mnm 31 mnm 77 µnm 34 % 71 minlb minlb N 15 N 3 N 10 N 13 N 10 gcmc 2,5 * 10LE g 1,2 Arc sec 20 Nm/rad 2,17 0,2 0,5 (*) Werte gelten für Motoranbauvariante (*) Values valid for motor version 6

9 SMALL IS NOT ENOUGH Der Trend, Positioniersysteme immer weiter zu miniaturisieren, ist ungebremst: In der Halbleiterfertigung etwa trägt eine Bauraum- bzw. Massereduktion des Manipulators von Pick-and-Place-Systemen entscheidend dazu bei, höhere Beschleunigungen zu erreichen und somit den Durchsatz an Halbleiter-Bauelementen zu steigern. Durch eine Miniaturisierung von Antriebssystemen in der Robotik sind kompaktere Bauformen, ein höherer Integrationsgrad und dadurch eine Zunahme der Funktionalität auf gleichem Bauraum erreichbar. Darüber hinaus erschließen sich in der Medizintechnik durch die Verkleinerung von Positioniersystemen ganz neue Möglichkeiten im Bereich diagnostischer und therapeutischer Methoden. Von der Endoskopie bis hin zu nicht-invasiven bildgebenden Verfahren kommen zunehmend bauraumoptimierte Positioniersysteme zum Einsatz. DAS DILEMMA Durch die Miniaturisierung eines elektromechanischen Motors, des Kernstücks vieler Positioniersysteme, ergeben sich starke Einbußen beim von ihm zu generierenden Drehmoment. Dies macht sich besonders bei Kleinst- und Mikromotoren bemerkbar, deren Drehmomentkapazität oftmals nicht mehr ausreicht, um typische Präzisions-Positionieraufgaben in Bauräumen zu bewerkstelligen, die kleiner als 8 mm Durchmesser sind. DIE LÖSUNG Mit der neuen Micro Harmonic Drive Getriebebaureihe MHD-6 ist es der Micromotion GmbH gelungen, ein optimales Bindeglied zwischen Kleinst- und Mikromotoren der Baugröße 6 mm oder noch kleiner! und der Kundenapplikation als neuen Standard bereitzustellen. Die hohe Untersetzung von i = 120:1 in einer Untersetzungsstufe wirkt als idealer Multiplikator des Motordrehmomentes und der Positionierauflösung von Servo- und Schrittmotoren. Auch mit dieser Baureihe bleibt die Spielfreiheit gewahrt. Mit einer Wiederholgenauigkeit von 20 Winkelsekunden können in Verbindung mit Schrittmotoren selbst im Openloop-Modus hochpräzise Positionieraufgaben bewältigt werden. So lassen sich oft kostenintensive und komplexe Servoantriebslösungen vermeiden. Die zulässigen Lastmomente von bis zu 31 mnm übersteigen zum Teil jene höherer Baureihen und machen das MHD-6 mit einem Außendurchmesser von nur 6 mm zu einem wahren Kraftpaket auf kleinstem Bauraum. The miniaturising of precision positioning systems is mostly associated with the shifting of technology boundaries. With the development of the world s smallest zero backlash micro Harmonic Drive gear unit MHD-6, Micromotion GmbH is setting new benchmarks and advancing the limits of possibility by a long way. The trend for increasing miniaturisation knows no bounds: in the manufacture of semi-conductors, any reduction in the installation space or the size of the manipulator in Pick-and-Place systems is critical in achieving higher speeds and thus in increasing the throughput of semi-conductor components. If drive systems are miniaturised in robotics, then more compact designs, a higher degree of integration and consequently, a rise in functionality can be achieved within the same installation space. Furthermore, the reduction in size of positioning systems is opening up completely new opportunities in medical technology, in the field of diagnostic and therapeutic methods. From endoscopic procedures through to non-invasive imaging processes, space-saving positioning systems are increasingly being applied. THE DILEMMA When an electro-mechanical motor, the core component of many positioning systems, is miniaturised, this results in a significant reduction in the torque it can generate. This is particularly noticeable in the very small motors and micro motors, whose torque is often not sufficient to carry out typical precision positioning tasks in application requirements which are smaller than 8 mm diameter. THE SOLUTION With the new Micro Harmonic Drive gear units MHD-6, Micromotion GmbH has succeeded in producing the ideal link between those very small motors and micro motors with a 6 mm diameter, or even smaller! The high reduction ratio of i = 120:1 in a reduction stage works as the ideal multiplier of the motor torque and the positioning accuracy of servo and stepper motors. Zero backlash is also guaranteed with this series. With a repeatability of 20 arc seconds, highly accurate positioning tasks can be managed even in open loop mode in conjunction with stepper motors. This means that often cost-intensive and complex servo drive solutions can be avoided. The permitted load torque of up to 31 mnm exceeds, in part, those of larger competitive products making the MHD-6 with its outer diameter of only 6 mm a real power pack in the smallest of installation spaces. 7

10 ABB BLECHZUFÜHRUNG MIT PERFEKTEM ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNIS ABB SHEET FEEDER WITH PERFECT GEAR RATIO BLECHZUFÜHRUNG MIT PERFEKTEM ÜBERSETZUNGS- VERHÄLTNIS Die Erfahrung der ABB S.A. in der Pressenstraßen-Automatisierung geht bis 1973 zurück, als Volvo bei Doppin Automation in Schweden seine erste Wegstraße installierte. Die ABB S.A. begann in den 90er Jahren seinen Kunden Automatisierungslösungen für Pressen anzubieten und installierte 1993 seine erste vollautomatische Roboter-Pressenstraße. Als ABB im Jahre 1998 Doppin Automation von Volvo erwarb, erweiterte das Unternehmen sein Know-how und seine Erfahrung in der Automatisierungstechnik. Heute hat ABB mehr als 900 Pressenstraßen automatisiert und entwickelte dabei zahlreiche interessante Automatisierungslösungen wie beispielsweise das Hybrid-Servoantriebssystem, das zum Beschleunigen der Öffnungs- und Schließzeiten einer Presse dient. Dem liegt eine bestechende Idee zugrunde: eine mechanische Umformpresse, die mit einem zusätzlichen Servoantrieb ausgerüstet ist. Mit diesem Hybrid-Servoantriebssystem, das als Dynamic Drive Chain (DDC) bezeichnet wird, kann ABB nicht nur neue Pressen ausrüsten, sondern auch vorhandene Pressen problemlos nachrüsten. Die Eleganz dieser Lösung besteht darin, dass die Nachrüstung keine Erweiterung der vorhandenen Stromversorgung erfordert, weil die vom traditionellen Schwungrad stammende Energie während des eigentlichen Umformverfahrens benutzt wird, wogegen der Servomotor lediglich für die zusätzliche Beschleunigung beim Öffnen und Schließen der Presse sorgt. Dadurch kann die mechanische Presse die größtmögliche Geschwindigkeit beibehalten und Zykluszeiten werden drastisch verkürzt. VOLLAUTOMATION Seit den 90er Jahren verwendet ABB Zuführungen nebst 6- und 7-Achsen-Robotern für den Transfer der Teile zwischen den Pressen. Von der Steuerung bis zu den Robotersystemen und den Servopressenantrieben ermöglicht das ABB-Produktportfolio die Implementierung von voll synchronisierten, automatisierten Hochgeschwindigkeits-Pressenstraßen. Vor Kurzem wurde ein neues Zuführungssystem das TRX Twin Robot Xbar-System vorgestellt, das sich jetzt durch einfache Integration, Schnelligkeit, Kompaktheit und Präzision einen Namen macht. Im Wesentlichen besteht es aus einer in Längsrichtung gleitenden Traverse, die an jedem Ende montierte Servoantriebe aufweist. Diese wiederum sind durch kurze Hebelarme mit den Enden der beiden 4-Achsen-Manipulatoren verbunden. HOHE MANÖVRIERBARKEIT UNTER BEENGTEN PLATZVERHÄLTNISSEN Das TRX Twin Robot Xbar-System mit den beiden 4-Achsen-Manipulatoren und dem 2-Achsen-Traversensystem kommt in Tandem-Pressenstraßen zur Anwendung und ermöglicht einen Ausstoß von bis zu 16 Teilen pro Minute. Dieser Ausstoß hängt selbstverständlich stets von der Größe der Metallrohlinge ab. Die Installation in vorhandenen Pressenstraßen ist ebenfalls möglich, da kein zusätzlicher Platz zwischen Ständer (Pressenstößel) und Tisch (Ziehkissen) erforderlich ist. Die StampWare-Plattform von ABB dient als Programmierschnittstelle, und ein Assistent führt den Benutzer durch das Programm, wodurch die Programmierung enorm vereinfacht wird. Diese Programmiersoftware verwaltet zurzeit 6- und 7-Achsen-Roboteranwendungen in mehr als 700 Installationen weltweit. EIN LEBHAFTER BURSCHE Wie steht es aber mit den technischen Merkmalen des neuen Traversen- Zuführungssystems von ABB? Die ABB-Ingenieure mussten ein kompaktes und leichtes, perfekt in ihr System integrierbares Getriebe finden. 8

11 2011 wandten sich die ABB-Ingenieure in Spanien daher zunächst an Harmonic Drive España, S.L.U. Gleich zu Beginn wurden zwei Harmonic Drive CPU Präzisionsgetriebe (CPU-32A-80-M-19.8) ausgewählt und mit ABB-Servomotoren integriert, um somit die Traverse der TRX-Roboter gemeinsam zu betätigen. Mit den Units der Baureihe CPU besitzt das System nicht nur die notwendige Steifigkeit und kompakte Bauweise, sondern auch die bei solch einem System vorausgesetzte Präzision. Der erste Prototyp erwies sich auf Anhieb als derart vielversprechend, dass das neue Konzept von ABB mit der Harmonic Drive AG in Deutschland weitergeführt wurde. Jorge Velázquez, der leitende mechanische Entwicklungsspezialist des spanischen ABB-Teams, beschreibt die besonders enge Zusammenarbeit, in die Ideen beider Entwicklungspartner einflossen, folgendermaßen:»die Anforderung bestand darin, ein äußerst leichtgewichtiges, flexibles Robotersystem zu entwickeln und gleichzeitig hohe Steifigkeit und Präzision beizubehalten. Durch die simple Integration der Harmonic Drive Präzisionsgetriebe konnten wir unsere Spezifikationen erfüllen.«die erzielte Flexibilität bedeutet, dass ein vollautomatischer, robuster und schneller Austausch der Traverse bei Produktionsumrüstung gewährleistet und die Downtime somit erheblich verkürzt wird. Ein weiteres Highlight war die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Verbund-Komponenten, die dem System nicht nur Steifigkeit, sondern auch die notwendige Leichtigkeit verleihen. MANÖVRIERBARKEIT MIT WENIGER ANTRIEBEN Mit einem zusätzlichen Antrieb in der Traverse kann die Achse a-a geschwenkt werden. Die Schwenkbewegungen der Achsen b-b und c-c werden von den Handgelenken der beiden 4-Achsen-Manipulatoren ausgeführt, die außerdem Seitwärtsbewegungen ohne einen zusätzlichen Antrieb ermöglichen. All diese technischen Raffinessen sind der Leichtbauweise zuzuschreiben. Während des automatischen Werkzeugwechselvorganges wird die Traverse zur gleichen Zeit wie die Pressengesenke ausgetauscht. Roboter platzieren die Traverse auf einem Werkzeugständer, rücken aus, bewegen sich in die Position, in der das neue Werkzeug wartet und rücken die Traversen ein, ohne dass ein manueller Eingriff erforderlich ist. Jeder zusätzliche Arbeitsgang erfolgt fern von der Straße, ohne Downtime und ohne Risiken. HOHE LEISTUNG IN LEICHTBAUWEISE Die beiden Harmonic Drive Getriebe liegen als Motorgetriebeeinheit in der Achse b-b der Traverse, d. h. an ihrem Ende. Die Starkstrom- und Steuerkabel werden in die kurzen Querarme geführt. Von dort aus werden sie direkt in die Roboterhand des jeweiligen 4-Achsen-Manipulators geführt, wodurch der Kabelschutz gewährleistet ist.»abb sah sich vor enorme Herausforderungen gestellt. Es musste ein gewichtsarmes und dennoch steifes System für einen sehr beengten Raum konstruiert werden«, erklärt Fernando Aramendia, Harmonic Drive Espana, S.L.U.»Es kam aber perfekt zusammen«, sagt Jorge Velázquez, der hocherfreute Entwicklungsspezialist des ABB-Teams. Auf der EuroBlech 2012 in Hannover stellte ABB sein TRX Twin Robot Xbar erstmals einem globalen Publikum vor. Die Zykluszeiten in der Umformtechnik verkürzen sich weiterhin zum Teil ist dies der neuen Blechzuführung mit perfektem Übersetzungsverhältnis zu verdanken. ADRESSE: Asea Brown Boveri, S.A. I DMRO Robotics I Calle Illa de Buda 55 I 08192, Sant Quirze del Valles Barcelona, Spanien I Tel.: I I 9

12 ABB BLECHZUFÜHRUNG MIT PERFEKTEM ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNIS ABB SHEET FEEDER WITH PERFECT GEAR RATIO SHEET FEEDER WITH PERFECT GEAR RATIO ABB s experience in automation of press lines started back in 1973 when Volvo installed their first line with Doppin Automation in Sweden. In the 1990 s, ABB began to offer its customers automation solutions for presses and installed their first fully automated robotic press line in When ABB acquired Doppin Automation from Volvo in 1998, the company also gained further knowledge and experience in automation techniques. To date, ABB has automated more than 900 press lines developing numerous and interesting automation solutions, such as the hybrid servo drive system used for accelerating the opening and closing times of the press. The idea here is captivating: a mechanical forming press is equipped with an additional servo drive. With this hybrid servo drive system, so called Dynamic Drive Chain (DDC), ABB can not only equip new presses but can easily retrofit existing presses. The beauty of this solution is that the retrofit does not require an upgrade of the existing electrical power network, as the energy from the traditional flywheel is used during the actual forming process whilst the servo motor only provides the additional acceleration during the opening and closing of the press. This allows the mechanical press to maintain the highest possible speed, therefore drastically reducing cycle times. portfolio can be used to implement fully synchronised high speed press line automation. Recently a new feeder system, the TRX Twin Robot Xbar system, was launched which is now making a name for itself through its simple integration, speed, compactness and precision. It consists essentially of a longitudinally sliding crossbar which has servo motor driven actuators mounted to each end, in turn they are connected by short lever arms to the ends of the two 4 axis manipulators. HIGH MANOEUVRABILITY IN CONFINED SPACES The TRX Twin Robot Xbar system with the two 4 axis manipulators and the 2 axis crossbar system is used in tandem press lines and permits an output of up to 16 parts per minute. This output level is, of course, always dependent on the size of the metal blanks. Installation in existing press lines is also possible as no additional space is required between the upright (press slide) and bolster (die cushion). ABB's StampWare platform serves as the programming interface and a wizard guides the user through the program, enormously simplifying programming. This programming software is currently managing 6 and 7 axis robotic applications in more than 700 installations around the world. FULL AUTOMATION Since the 1990s, ABB has been using feeders in addition to 6 and 7 axis robots for transferring the parts between the presses. From the controller, to the robotic systems and the servo press drives, the ABB product A SPRIGHTLY FELLOW But what about the technical features of the new crossbar feeder system from ABB? The ABB engineers needed to find a compact, lightweight gear that could be perfectly integrated in their system. So in 2011 the ABB c b a b a c Technische Kurzangaben: Das TRX Twin Robot Xbar-System hat einen Arbeitsbereich von mm und kann eine Last von maximal 100 kg aufnehmen. Die Achse a-a ist um +/- 20 Grad, die Achse b-b um +/- 5 Grad und die Achse c-c um +/- 20 Grad schwenkbar. About the technology: The TRX Twin Robot Xbar system has a range of 6,000 mm and can accommodate a maximum load of 100 kg. The a-a' axis can be swivelled by +/- 20 degrees, the b-b' axis by +/- 5 degrees and the c-c' axis by +/- 20 degrees. 10

13 engineers in Spain initially contacted Harmonic Drive España, S.L.U. Two Harmonic Drive precision CPU Units (CPU-32A-80-M-19.8) were initially selected and were integrated with ABB servo motors to work together actuating the crossbar of the TRX robots. With the CPU Units, the system had not only the necessary rigidity and compact design, but also the precision which is a prerequisite for such a system. The first prototype proved at once to hold so much promise that the new concept was pursued by ABB with its partner the Harmonic Drive AG in Germany. Jorge Velázquez, the lead mechanical developer in the Spanish ABB team, spoke of the particularly close collaboration in which both development partners contributed their ideas:»the requirement was to develop an extremely lightweight flexible robot system whilst maintaining high stiffness and precision. Through the simple integration of the Harmonic Drive precision gears, we were able to achieve our specifications.«with the flexibility accomplished, changing the crossbar at a production change is fully automated, robust and quick, helping to reduce downtime considerably. Another highlight was the use of composites (carbon fibre reinforced) components, which gave the system not only stiffness but also the necessary lightness. MANOEUVRABILITY WITH A SMALL NUMBER OF ACTUATORS With an additional actuator in the crossbar, the a-a' axis can be swivelled. The swivel movements of the b-b' and c-c' axis are achieved by the wrist joints of the two 4 axis manipulators, which also permit lateral movements without an additional actuator. All of these technical refinements can be attributed to the lightweight construction. During Automatic Tool Change (ATC) Procedure, the crossbar is replaced at the same time as press dies. Robots place the crossbar at a tool stand, disengage and move to the position where the new tool waits and engage crossbars without the need for any manual intervention. Any additional operation is placed out of the line, without downtime and no risks. HIGH CAPACITY IN LIGHTWEIGHT CONSTRUCTION The two Harmonic Drive gears are located as a motor gear unit in the b-b' axis of the crossbar, i.e., at its end. The power and control cables are channelled into the short cross arms, from where they are guided directly into the robot hand of the respective 4 axis manipulator, thus ensuring the protection of the cable. "The challenges for ABB were great. It was necessary to design a lightweight and yet stiff system for a very small space", said Fernando Aramendia from Harmonic Drive Spain. "But it came together perfectly", said Jorge Velázquez, the pleased developer from the ABB team. At EuroBlech 2012 in Hanover, ABB presented their TRX Twin Robot Xbar to a global audience for the first time. The cycle times in forming technology continue to decrease thanks in part to the new sheet feeder with a perfect gear ratio. ADDRESS: Asea Brown Boveri, S.A. I DMRO Robotics I Calle Illa de Buda 55 I 08192, Sant Quirze del Valles Barcelona, Spain I Tel.: I I Fernando Aramendia, Geschäftsführer, Harmonic Drive España, S.L.U. und Jorge Velázquez, Konstrukteur, ABB S.A. Unit CPU-M Fernando Aramendia, General Manager, Harmonic Drive España, S.L.U. and Jorge Velázquez, Design Engineer, ABB S.A. CPU-M Unit 11

14 MECHATRONIK MIT 48 VOLT IN DIE ZUKUNFT MECHATRONICS INTO THE FUTURE WITH 48 VOLTS MIT 48 VOLT IN DIE ZUKUNFT Komplexe Strukturen aus Aktuatorik, Sensorik und elektronischen Steuereinheiten sind aufgrund ihrer Sensibilität ideal für den Einsatz von Hochstromverbrauchern im Fahrzeug oder Fahrwerk. Sie ermöglichen eine Beeinflussung der Fahrdynamik im Komfortbereich sowie einen Einsatz als Assistenzsystem für die nächsten Generationen von Premium-Fahrzeugen. Insbesondere die elektrischen/elektronischen Steuereinheiten (E/E-Komponenten) müssen vom Konzeptentwurf bis zur Serienreife den hohen Anforderungen der Prozessvorgabe und den Richtlinien der ISO (funktionale Sicherheit im Automobil) entsprechen, um Fehlfunktionen zu reduzieren oder ganz auszuschließen. Den steigenden Anforderungen von Komfortsystemen im Hinblick auf immer höhere Leistungen trägt die Einführung einer neuen Bordnetz- Generation Rechnung, deren Spannungsebene bei 48 Volt liegt. War das standardisierte 12-V-Bordnetz mit Leistungen bis Watt begrenzt, so können bald im 48-V-Bordnetz Leistungen bis 12 KW bei geringeren Strömen (Strombeläge) für Hochstromverbraucher zur Verfügung gestellt werden. Aufgrund der höheren Spannungslage in solchen Fahrzeugen ist naturgemäß die Reduzierung der parasitären Störaussendung für diese Komponenten ein wichtiges Thema im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Der effektive Einsatz dieses Mehrspannungsbordnetzes stellt die Techniker gleich vor mehrere Herausforderungen: Zum einen muss die zukünftige Prozessorarchitektur erst entworfen, die Energieverteilung optimiert werden, zum anderen die Steigerung der Kosten- und Energieeffizienz bedacht sowie die (störenden) Einflüsse von 48 V auf 12 V 12

15 kompensiert werden. Ein wesentlicher Schritt in Richtung Industrialisierung wird demnach der Einsatz neuer und optimierter Technologien im Hinblick auf Leichtbauweise, Miniaturisierung und Bauraumoptimierung sein sowohl für die Vernetzungsstruktur und die Kontaktierungen als auch für die mechatronischen und E/E-Komponenten selbst. obere Fehlergrenze upper fault limit untere Fehlergrenze lower fault limit Regularien und Standards wie AUTOSAR und ISO prägen in der Entwicklung von Steuergeräten die komplexen Prozesse zur Erreichung und Absicherung einer hohen Produktqualität. Für die Realisierung von Steuergeräten kommen dabei grundsätzlich moderne»automotive grade high-end«-prozessorarchitekturen zum Einsatz, die entsprechend den Anforderungen an Performance und funktionale Sicherheit ausgewählt werden. Bezüglich der Implementierung sicherheitsrelevanter Funktionen nach ISO kommen die flexibel einsetzbaren und konfigurierbaren Bausteine der TTTech Automotive GmbH nach diesem Standard als»safety Elements out of Context«(sogenannte SEooCs) zur Anwendung. Diese wurden entsprechend den Vorgaben für den höchsten»automotive Safety Integrity Level«(ASIL-D) entwickelt. Damit wird ein rückwirkungsfreies Zusammenspiel von Softwarekomponenten möglich, die nach QM-Richtlinien (nicht sicherheitskritisch) und nach unterschiedlichen ASI- Levels entwickelt wurden. Alle Softwarekomponenten sind dem höchsten Level der ISO Vorgaben entsprechend umgesetzt und erfüllen AUTOSAR-Anforderungen bis zu AUTOSAR 4.0. ENTWICKLUNGSPARTNERSCHAFT ZWISCHEN OVALO UND TTTECH AUTOMOTIVE Um diese Themen bestmöglich zu adressieren und den Anforderungen an ein mechatronisches Gesamtsystem gerecht zu werden, gehen die OVALO GmbH und die TTTech Automotive GmbH mit ihrer Entwicklungspartnerschaft eine effektive Symbiose zwischen Elektronik und Mechanik ein. Die Kernkompetenz von OVALO auf dem Gebiet der mechatronischen Antriebssysteme, kombiniert mit TTTech Automotives langjährigem Know-how im Bereich der funktionalen Sicherheit, ermöglicht es, den wachsenden Kundenbedürfnissen ideal zu entsprechen. MODELLBASIERTE FUNKTIONSENTWICKLUNG BEI OVALO Für solche Systeme bieten sich modellbasierte Softwareentwicklungsmethoden an. Dadurch kann bereits in frühen Entwicklungsstadien die Spezifikation der Softwarefunktion durch Simulation auf Fehlerfreiheit und Vollständigkeit überprüft werden. Bei der Modellbildung und Simulation mechatronischer Systeme empfiehlt sich die bewährte methodische Vorgehensweise, bei der das betrachtete System durch ein physikalisches Ersatzmodell abgebildet und mathematisch beschrieben wird. Das dynamische und statische Verhalten dieses Modells wird durch eine gezielte Parameteridentifikation mit dem realen Systemverhalten abgeglichen. BEISPIELANWENDUNG: INTEGRIERTES LENKÜBERLAGERUNGSSYSTEM Die OVALO-Überlagerungslenkung verfügt über eine hochintegrierte 12-V-Anbau-ECU. Das Ergebnis ist eine kompakte und leistungsfähige elektromechanische Einheit, die sich durch dauerhafte Spielfreiheit und Hohlwellendurchtrieb auszeichnet. Zum Einsatz kommt ein bürstenloser Elektromotor von OVALO in Verbindung mit einem eigens hierfür entwi- Beobachterbasiertes Toleranzband (rot) für den zu überwachenden Regelfehler (blau). Eine Verletzung der Fehlergrenzen führt zum Übergang in den sicheren Zustand. Observer-based tolerance range (red) for the control faults to be monitored (blue). Exceeding the fault limits leads to transfer into the safe state. ckelten Hohlwellen-Rotorlagesensor. Die Basis-Software und Hardware der Anbau-ECU wurde im Entwicklungsverbund mit TTTech Automotive nach ASIL-D entwickelt und erfüllt die Kriterien der ISO DYNAMISCHE ÜBERWACHUNG VON LENKWINKELABWEICHUNGEN Beim Lenken eines Fahrzeugs mit einem Überlagerungslenksystem werden ein vom Fahrer eingegebener Lenkwinkel und ein weiterer Winkel (Zusatzlenkwinkel) ermittelt. Dabei wird nach Maßgabe des eingegebenen Lenkwinkels und des Zusatzlenkwinkels mittels eines Überlagerungsaktuators ein resultierender Lenkwinkel eingestellt. Im Speziellen soll hier exemplarisch die dynamische Überwachung von Lenkwinkelabweichungen beschrieben werden. Insbesondere aus Sicherheitsgründen ist es zweckmäßig, Lenksysteme zur Winkelüberlagerung mit einer Verriegelungsvorrichtung auszurüsten, um das Überlagerungssystem, falls nötig, deaktivieren zu können. Das System wird dadurch in den sicheren Zustand»Lenken ohne Überlagerung«überführt. Hierbei entsteht allerdings ein Zielkonflikt: Auf der einen Seite müssen unkon- trollierte Bewegungen des Aktuators und somit unzulässig hohe Regelabweichungen unter allen Umständen und in kürzester Zeit in den sicheren Zustand überführt werden. Auf der anderen Seite sind insbesondere bei ruckartigen Lenkbewegungen des Fahrers kurzzeitige große Regelabweichungen aufgrund der begrenzten Aktuator-Dynamik prinzipbedingt unvermeidbar. Aus diesem Grund ist eine entsprechend intelligente Überwachung des Regelfehlers notwendig, die zwischen einem dynamischen Regelfehler und einer fehlerbedingten unkontrollierten Bewegung des Aktuators unterscheiden kann. Die Lösung liegt hier in einer modellbasierten Vorhersage des Regelfehlers auf Basis eines dynamischen Beobachters, der imstande ist, auf der Basis des aktuellen Systemzustandes und einer gewünschten Sollbewegung ein Toleranzband für einen zulässigen Regelfehler zu erzeugen. Auf diese Weise kann zwischen einer im Rahmen der Aktuator-Dynamik zulässigen Regelabweichung und einer unkontrollierten Aktuator-Bewegung differenziert werden. überwachtes Signal signal monitored 13

16 MECHATRONIK MIT 48 VOLT IN DIE ZUKUNFT MECHATRONICS INTO THE FUTURE WITH 48 VOLTS VOLLAKTIVE FAHRWERKREGELSYSTEME Der Markt fordert heute von Fahrwerken moderner Kraftfahrzeuge Fahrsicherheit auf höchstem Niveau sowie größtmöglichen Komfort und ein optimales, dynamisches Fahrverhalten. Vollaktive Fahrwerksysteme beeinflussen nachweislich die Fahrdynamik und damit auch Sicherheit und Komfort äußerst positiv. Mittels radselektiver Ansteuerung können Nick-, Wank- und Hubbewegungen zielgerichtet beeinflusst bzw. gänzlich eliminiert werden. Eines der Sicherheitsziele ist, dass am Fahrwerks-Aktuator kein fehlerhaftes Drehmoment entstehen darf. Dazu sind mehrere Überwachungsmechanismen notwendig. Für die Überwachung von Sensorgrößen ist insbesondere bei sicherheitskritischen Systemen ein mehrgleisiger Ansatz sinnvoll. Dabei wird das eigentliche Messsignal zusätzlich aus anderen, unabhängigen Messgrößen berechnet. Eine zu große Abweichung zwischen diesen Größen deutet auf eine Fehlfunktion einer beteiligten Messgröße hin. Diese Feststellung ermöglicht es, das System rechtzeitig in den sicheren Zustand zu überführen. Beim Wankstabilisator wurde dies für die Überwachung des Stabilisator-Drehmomentes umgesetzt. Hierbei wurde das Drehmoment zum einen über eine messtechnisch erfasste Relativverdrehung des Stabilisators ermittelt. Zum anderen wurde zur Plausibilisierung dieses gemessenen Drehmomentes ein dynamischer Beobachter eingesetzt, der auf Basis eines Stabilisatormodells sowie des gemessenen Rotorlagewinkels und der im Fahrwerk vorhandenen Höhenstandssensoren das resultierende Drehmoment im Stabilisator berechnet. Somit kann eine Bestückung mit redundanten Drehmomentsensoren vermieden und dennoch die Systemsicherheit gewährleistet werden. INTO THE FUTURE WITH 48 VOLTS Because of their sensitivity, complex structures including actuators and sensors and electronic control units are ideal for use with high current loads in the vehicle or suspension. They make it possible to influence the drive dynamics in the comfort range, as well as being of use as an assistance system for the next generation of premium vehicles. In particular, the electrical/electronic control units (E/E components) have to comply with the stringent requirements of the process guidelines and those set out in ISO (functional safety in automobiles) right from the draft concept through to series production, in order to reduce or completely exclude malfunctions. The introduction of a new electrical system generation, with voltage levels of 48 volts, must take into account the increasing requirements of comfort systems in terms of ever higher performance. If the standard 12 V electrical system were limited to performances of up to 3,000 watts, then performance of up to 12 KW could soon be made available for high current consumption in 48 V electrical systems where currents are low (electric loading). Because of the higher voltages in these vehicles, reducing the parasitic interference for these components is naturally an important topic in the field of electro-magnetic compatibility (EMC). Making actual use of this multi-voltage electrical system poses several challenges for the engineers: on the one hand the future process architecture must be designed and energy supply improved and on the other hand the increase in costs and energy efficiency must be considered, and the (disturbing) influence of 48 V on 12 V must be compensated for. One important step towards industrialisation will be the use of new and improved technologies with regard to lightweight construction, miniaturisation and improving installation space both for the network structure and contacting and for the mechatronic and E/E components themselves. Regulatory bodies and standards such as AUTOSAR and ISO emphasise the complex processes needed in the development of control devices in order for a high product quality to be achieved and guaranteed. When control devices are produced, basically modern "automotive grade high-end" process architectures are used, which are selected as a function of the performance and functional safety requirements. In the imple- menting of safety-relevant functions complying with ISO 26262, the flexible and configurable components of TTTech Automotive GmbH are used under this standard as "Safety Elements out of Context" (so called SEooCs). These were developed to comply with the requirements for the highest "Automotive Safety Integrity Level" (ASIL-D). These make possible a non-reactive interaction between software components, which were developed in accordance with QM guidelines (not safety critical) and various ASI levels. All software components are upgraded to the highest level of ISO requirements and comply with AUTO- SAR requirements up to AUTOSAR 4.0. DEVELOPMENT PARTNERSHIP BETWEEN OVALO AND TTTECH AUTOMOTIVE In order to address these areas in the best way possible and to meet the requirements of a complete mechatronic system, OVALO GmbH and TTTech Automotive GmbH entered into a development partnership, creating an effective symbiosis between electronic and mechanical engineering. OVALO s core skills in the field of mechatronic drive systems, combined with TTTech Automotive s many years of know how in the field of functional safety have made it possible to meet clients growing requirements in an ideal way. MODEL BASED FUNCTION DEVELOPMENT AT OVALO Model based software development methods are ideal for such systems. In this way, the specifications for the software function can be tested right from the earliest development stages, by simulation, to check that they are error free and complete. The guaranteed methodical procedure by which the system in question is reproduced and mathematically described as a physical substitute model is the recommended method for designing and simulating mechatronic systems. The dynamic and static behaviour of this model will be matched to the actual system behaviour through targeted parameter identification. 14

17 SAMPLE APPLICATION: INTEGRATED SUPERIMPOSED STEERING SYSTEM The OVALO superimposed steering system has a highly integrated 12 V add on ECU. The result is a compact and high performing electromechanical unit which is characterised by long-term zero backlash and hollow shaft drives. An OVALO brushless electric motor is used in conjunction with a hollow shaft rotor bearing sensor developed especially for this purpose. The basic software and hardware of the add on ECU were developed in a development network with TTTech Automotive in compliance with ASIL-D and it meets the criteria of ISO DYNAMIC MONITORING FOR STEERING ANGLE DEVIATIONS When steering a vehicle with a superimposed steering system, an input steering angle and another angle (supplementary angle) are determined on one hand uncontrolled movements by the actuator and thus inadmissibly high deviations from the norm must be transferred into the safe state whatever happens, and in the shortest possible time. On the other hand, short term significant deviations from the norm caused by jerky steering movements are, because of the limited actuator dynamics, in principle unavoidable. For this reason appropriately intelligent monitoring of the errors is required, which can differentiate between a dynamic error and a fault related uncontrolled movement of the actuator. The solution here lies in a model based prediction of these errors, based on a dynamic observation device which can generate a tolerance range for an admissible error, based on the current system state and the desired target movement. In this way, it will be possible through actuator dynamics to differentiate between an admissible deviation from the norm and an uncontrolled actuator movement. FULLY ACTIVE CHASSIS CONTROL by the driver. In this process, depending on the input steering angle and the supplementary angle, the final steering angle can be set with the aid of a superimposed actuator. The example of dynamic monitoring of steering angle deviations must be described in particular at this point. It is essential for safety reasons, especially for steering systems, for angle superimposition to be fitted with a locking device, in order to be able to deactivate the superimposed system when necessary. The system then transfers into the safe state of "steering without superimposition". Here, however, there is a conflict of targets: SYSTEMS Today s market demands that the chassis provides modern motor vehicle safety, at the highest level and with the most comfort possible as well as an optimal dynamic drive behaviour. Fully active chassis control systems are known to influence the drive dynamics and thus safety and comfort as well in an extremely positive way. With the use of wheel selective control, pitching, rolling and lifting movements can be targeted directly and/or almost eliminated. One of the safety targets is that there must be no faulty torque on the chassis actuator. This requires several monitoring mechanisms. A multipronged approach is sensible here, for monitoring sensor levels and in particular where systems are safety critical. In this, the actual measurement signal is also calculated from other independent measurements. Too great a deviation between these measurements indicates faulty functioning of a particular measurement. This finding makes it possible for the system to be transferred into the safe state in good time. With the roll stabilisers this was used for monitoring the stabiliser torque. There, the torque was determined on the one hand by a relative rotation of the stabiliser obtained by measurement technology. On the other hand, the plausibility of this measured torque was established by a dynamic observation device, which calculated the resulting torque in the stabiliser, based on a stabiliser model and the measured rotor bearing angle and the height sensors in the chassis. In this way, tooling with redundant torque sensors can be avoided and system safety still guaranteed. 15

18 NIEDERLASSUNG HARMONIC DRIVE AG SCHWEIZ SUBSIDIARY HARMONIC DRIVE AG SWITZERLAND NIEDERLASSUNG DER HARMONIC DRIVE AG IN DER SCHWEIZ HARMONIC DRIVE AG SUBSIDIARY IN SWITZERLAND Die neu gegründete Niederlassung im schweizerischen Trimbach auf halber Strecke zwischen Basel und Zürich hat das operative Geschäft im Februar diesen Jahres aufgenommen. The newly founded subsidiary at the Swiss location of Trimbach, halfway between Basle and Zürich, started up operations in February of this year. Die Schweiz stellt schon immer einen wichtigen Markt für die Harmonic Drive AG dar. Die Nähe zum Kunden ist durch die Gründung dieser neuen Niederlassung noch besser gegeben. Wir erhoffen uns dadurch eine direktere Kommunikation mit den Kunden, sodass sie auch in neue Produktentwicklungen rechtzeitig eingebunden werden können. Zuvor hat die ASS AG in Düdingen mehr als 35 Jahre lang die Produkte der Harmonic Drive AG in der Schweiz vertrieben. Da sich die Ausrichtung beider Unternehmen aber im Laufe der Jahre veränderte, beschlossen die ASS AG und die Harmonic Drive AG, die Betreuung der Schweizer Kunden neu zu organisieren. Mit Wolfgang Bös als Niederlassungsleiter haben wir jetzt einen erfahrenen und langjährigen Mitarbeiter in der Schweiz, der vor Ort aus dem gesamten Fundus an kundenspezifischen Lösungen schöpfen kann. Er ist somit ein wertvoller Partner für Sie vor Ort. Wir möchten die Beratungsleistungen mit der Umstellung der Vertriebsstruktur für die Kunden noch weiter optimieren und transparenter gestalten. Die Harmonic Drive AG und die ASS AG werden aber auch zukünftig zum Nutzen ihrer Kunden weiter kooperieren sowohl beim Vertrieb von Harmonic Drive Produkten durch unsere neue Niederlassung in Trimbach als auch beim Vertrieb und der Beratung für Systemlösungen durch die ASS AG. Unser Niederlassungsleiter Wolfgang Bös steht Ihnen für technische Beratung und persönliche Betreuung gerne zur Verfügung. Switzerland has always represented an important market for Harmonic Drive AG. The formation of this new subsidiary has brought us even closer to our clients. We are hoping that this will give us more direct communication with our clients, meaning that they can be part of any new product developments from an early stage. Previously, ASS AG in Düdingen had been supplying Harmonic Drive AG products to Switzerland for more than 35 years. As the focus of both companies has changed over the years, ASS AG and Harmonic Drive AG decided to reorganise support for the Swiss clients. With Wolfgang Bös in charge, we now have a manager in Switzerland with many years experience who can create onsite customer specific solutions from a wide range of skills. He is therefore a valuable onsite partner for you. Our aim is to improve our advisory services even further with this change of location for our sales structure and to make it more transparent. In the future, Harmonic Drive AG and ASS AG will cooperate even more closely, to the benefit of their clients, both with regard to the sales of Harmonic Drive products through our subsidiary in Trimbach and in relation to sales of and advice on system solutions through ASS AG. Our manager Wolfgang Bös will be happy to provide technical advice and personal support. ADRESSE / ADDRESS: Harmonic Drive AG, Niederlassung Schweiz/ Swiss subsidiary I Einschlagweg 47 I CH-4632 Trimbach I Tel.: I Fax: I I Wolfgang Bös I Leiter Niederlassung Schweiz/ Manager of the Swiss subsidiary I Tel.: I Mobil: I 16

19 NEUIGKEITEN DER HARMONIC DRIVE AG JUBILARE / MESSETERMINE NEWS FROM THE HARMONIC DRIVE AG ANNIVERSARIES / TRADE FAIR DATES JUBILARE EMPLOYEE ANNIVERSARIES V.l.n.r. / f.l.t.r.: Peter Hastrich, Marcel Kuhl, Sebastian Löw, Erhard Leppin V.l.n.r. / f.l.t.r.: Andreas Pliester, Sabine Reifenscheidt, Detlef Schmidt Wir gratulieren zum 10-jährigen Betriebsjubiläum und bedanken uns für die bisher geleistete Arbeit. We would like to congratulate the following members of staff for completing ten years of service at Harmonic Drive AG and thank them for their hard work so far. Wir gratulieren zum 25-jährigen Betriebsjubiläum und bedanken uns für die bisher geleistete Arbeit sowie das langjährige Vertrauen in unser Unternehmen. We would like to congratulate the following members of staff for completing twenty five years of service at Harmonic Drive AG and thank them for their hard work so far and for their continued support and commitment to our company. MESSEN FAIRS DSEI LONDON Großbritannien United Kingdom September th 13th September 2013 Halle / hall S6, Stand 274 MDA RUSSIA Russland Russia September th 27th September 2013 Halle / hall 7, Pavillion 2 MOTEK Deutschland Germany Oktober th 10th October 2013 Halle / hall 9, Stand EMO HANNOVER Deutschland Germany September th 21st September 2013 Halle / hall 25, Stand B11 SMART-AUTOMATION Österreich Austria Oktober st 3rd October 2013 Stand 406 MSV Tschechien Czech Republic Oktober th 11th October 2013 Halle / hall PAV B, Stand 070

20 Deutschland Germany Harmonic Drive AG Limburg /Lahn Belgien Belgium Brasilien Brazil Bulgarien Bulgaria Dänemark Denmark Finnland Finland Frankreich France Großbritannien UK Indien India Israel Israel Italien Italy Japan Japan Niederlande The Netherlands Norwegen Norway Österreich Austria Polen Poland RSA RSA Russland Russia Schweden Sweden Schweiz Switzerland Slowakei Slovakia Spanien Spain Tschechien Czech Republic Türkei Turkey USA U.S.A. 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: , V. i. S. d. P. I Legally responsible for content: Bianca Kosina Konzeption, Gestaltung I Concept, Design: Cicero Gesellschaft für Werbung und Kommunikation mbh Taunusstraße 52, Wiesbaden, Tel.: , Druck I Print: ColorDruckLeimen GmbH, Leimen. Wir danken allen Mitwirkenden! We would like to thank all contributors!

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