Download - KHB ab18 2005 K2 - Harmonic Drive AG · Harmonic Drive gears and actuators have been used for a wide range of diverse applications. ... to share our experience in the solution of

KonstruktionshandbuchDesigner's Handbook

PräzisionPrecision

Harmonic Drive AG

Hoenbergstraße 14

65555 Limburg / Lahn

Telefon +49-64 31 - 50 08 - 0

Telefax +49-64 31 - 50 08 - 18

www.harmonicdrive.de

[email protected]

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Herausgeber:Publisher: Harmonic Drive AG


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Inhalt

Inhalt 2Anwendungsbeispiele 4Das Unternehmen 6Die Bauteile/Das Funktionsprinzip 8Die Vorteile 10Terminologie 12An-und Abtriebsanordnungen 14Konstruktionshinweise 16

Industrieroboter6-Achsen-Roboter: Primärachsen 18SCARA Roboter: Primärachsen 20Portalroboter: Handachsen 226-Achsen-Roboter: Schulterachse 246-Achsen-Roboter: Handachse 26SCARA Roboter: Knickarmachse 28

WerkzeugmaschinenPortal-Fräsmaschine: Fräskopf 30Bearbeitungszentrum: NC-Rundtisch 32Portal-Fräsmaschine: Werkstück-Lade-Roboter 34Portal-Fräsmaschine: Werkzeugwechsler 36Sonder-Fräsmaschine: Werkzeugrevolver 38Portal-Fräsmaschine: Fräskopf 40Portal-Fräsmaschine:Mechanisch verspannter Fräskopf 42Portal-Fräsmaschine:Elektrisch verspannter Fräskopf 445-Achs-Bearbeitungszentrum:A- und B-Achsenantrieb 46Werkzeugschleifmaschine: Indextisch 48Bearbeitungszentrum: Werkzeugkettenmagazin 50Bearbeitungszentrum: Palettenwechsler 52Mehrspindel-Drehautomat: Linearantriebfür Werkzeugverschleißkompensation 54Bearbeitungszentrum: NC Dreh-Verschiebetisch 56Wasserstrahlschneidmaschine:Schnelle Linearachsen 58

DruckmaschinenFalzapparat:„Back-to-back“ Differentialantrieb 60Falzapparat: Schaufelradantrieb 62Falzapparat: Linearantrieb fürZugwalzenverstellung 64Flexo-Druckmaschine: Registerantrieb 66

DruckmaschinenWertpapierdruckmaschine: Phasenverstellung 68Verstellung mit Kraftregelungfür Farbauftragswalze 70

HalbleiterfertigungKristallziehanlage: Schleich-Eilgang-Antrieb 72Beschichtungsmaschine: Drehtisch-Antrieb 74Wafer-Handling-Roboter: Primärachsen 76Wafer-Handling-Roboter: Primärachsen 78

HolzbearbeitungsmaschinenBearbeitungszentrum: 2-Achs-Fräskopf 80Bearbeitungszentrum: Sägeaggregat 82Bearbeitungszentrum: C-Achse fürHochleistungs-Fräskopf 84Bearbeitungszentrum: Tellermagazin 86

Mess- und PrüfmaschinenZweistufiger Sonder-Drehantrieb 88Optische Messmaschine: Indextisch 90Universal-Prüfmaschine: Torsionsachse 92

PapiermaschinenStreicheinheit: Linearantrieb 94Stoffauflauf: Ventilantrieb 96

MedizintechnikRöntgenanlage: C-Bogenantrieb 98Stereotaktischer Manipulator: Drehachse 100

Luft- und RaumfahrtSatellit: Paddle-Antrieb 102Flugsimulator: Antrieb 104Militärflugzeug: Getriebebox 106Passagierflugzeug: Getriebebox 108

SonderanwendungenWebmaschinen: Warenabzug 112Kamerakopf: Dreh-/Schwenkachsen 114Optisches Mikroskop: Fokussierantrieb 116Blistersiegelautomat: Folientransport 118

MikrotechnikDie-Bonding Maschine 120Smart-Label: Bestückungsmaschine 122Mikroroboter 124Weltraumtaugliche Kamera 126

Contents

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Contents 2Application Examples 4The Company 6The Components/ Principle of Operation 8The Advantages 10Terminology 12Driving Arrangements 14Design Guidelines 16

Industrial Robots6-Axis Robot: Primary Axes 18SCARA Robot: Primary Axes 20Gantry Robot: Hand Axes 226-Axis Robot: Shoulder Axis 246-Axis Robot: Hand Axes 26SCARA Robot: Elbow Axis 28

Machine ToolsMachine Tools: Gantry milling machine 30Machining Centre: NC Rotary Table 32Machining Centre: Workpiece Loading Robot 34Gantry Milling Machine: Tool Changer 36Special-purpose Milling Machine: Tool Revolver 38Gantry Milling Machine: Milling Head 40Gantry Milling MachineMechanically pre-loaded Milling Head 42Gantry Milling MachineElectrically pre-loaded Milling Head 445-Axis Machining CentreA- and B-Axis Drive 46Tool Grinding Machine: Indexing Axis 48Machining Centre: Chain-type Tool Magazine 50Machining Centre: Pallet Changer 52Multi-spindle Lathe: Linear Actuatorfor Tool Wear Compensation 54Machining Centre: NC Rotary Indexing Table 56Water-jet Cutting Machine:Fast Linear Axes 58

Printing MachinesFolder:„Back-to-back“ Differential Drive 60Folder: Collator Drive 62Folder:Linear Actuator for Drive Roll Adjustment 64Flexo-Printing Machine: Registering Drive 66

Printing MachinesBank Note Printing Machine: Phase Control Drive 68Inking Cylinder Adjustment with Force Feedback 70

Semiconductor Manufacturing EquipmentCrystal Pulling MachineTwo-speed Range Actuator 72Coating Machine: Rotary Table Drive 74Wafer-handling Robot: Primary axes 76Wafer-loading Robot: Primary axes 78

Woodworking MachinesMachining Centre: Two-Axis Milling Head 80Machining Centre: Sawing Attachment 82Machining Centre:C-axis for heavy Duty Milling Head 84Machining Centre: Disc-type Tool Magazine 86

Measuring and Testing MachinesSpecial Double Reduction Stage Actuator 88Optical Measuring Machine: Indexing Table 90Universal Testing Machine: Torsion Axis 92

Paper MachinesCoating Unit: Linear Actuator 94Headbox: Valve Actuator 96

Medical EquipmentX-Ray Machine: C-Beam Drive 98Stereotactic Manipulator: Rotary Axis 100

AerospaceSatellite: Paddle Drive 102Flight Simulator: Actuator 104Military Aircraft: Gearbox 106Passenger Aircraft: Gearbox 108

Special ApplicationsWeaving Machine: Fabric Take-Up Drive 112Camera Head: Pan and Tilt Axes 114Optical Microscope: Focusing Drive 116Blister Packaging Machine: Foil Transport Drive 118

MicrotechnologyDie Bonding Machine 120Smart Label Assembly Machine 122Micro-robot 124Space-qualified Camera 126

In manchen Anwendungen sind besonders kompakte Lösungengefragt, in anderen spielt das Gewicht eine wichtige Rolleund in der nächsten werden Präzision, Dynamik oder hoheUntersetzungen gefordert. Wenn es um die richtigeAntriebstechnik geht, werden Konstrukteure immer wiedervor neue Anforderungen gestellt. Seit mehr als 35 Jahrenwerden Harmonic Drive Getriebe und –antriebe in denunterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt. Daherverfügen wir über ein fundiertes Anwendungs-Know-how undeinen breiten Erfahrungsschatz bei der Getriebeauslegung –beides geben wir gerne an unsere Kunden weiter.

Diese Druckschrift enthält Konstruktionsbeispiele fürverschiedene Maschinen aus den unterschiedlichstenAnwendungsbereichen. Alle haben eines gemeinsam:Präzisionsgetriebe. Deshalb stehen auch die antriebstechnischenFragen – wie z. B. der geeignete Getriebetyp, konstruktiveBesonderheiten, Lagerung und Schmierung – im Mittelpunktder Beschreibungen.

Mit den hier zusammengefassten Anwendungsbeispielenwollen wir sowohl Konstrukteuren als auch Studierendenunsere Erfahrungen beim Einsatz von Harmonic Drive Getriebenübertragen und Anregungen für die Lösung vonAntriebsaufgaben vermitteln.

Alle ausgewählten Konstruktionsbeispiele haben sich in derPraxis bewährt. Wir danken an dieser Stelle den Firmen, diedurch Überlassung ihrer Unterlagen die Herausgabe desHarmonic Drive Konstruktionshandbuches ermöglichen.

Für die Lösung Ihres speziellen Antriebsproblems stehenIhnen unsere Ingenieure mit ihrer langjährigen Erfahrung zureingehenden technischen Beratung und Ausarbeitung vonAntriebskonzepten gerne zur Verfügung.

Anwendungsbeispiele für Präzisionsgetriebe

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Application Examples

Some applications necessitate especially compact solutions,for others low gear weight is most important and the nextapplication requires high dynamics or high reduction ratiosfrom the gear. To choose the right drive technology still isa real challenge for designers. Since more than 35 yearsHarmonic Drive gears and actuators have been used for awide range of diverse applications. That is why we can relyon a comprehensive application know-how and many yearsof experience in the dimensioning of gears and actuators –we want to share both with our customers.

This booklet contains application examples of differentmachine types for a wide range of applications. All of themhave one thing in common: precision gears. Therefore, theaccompanying description of each example concentrates ondetails such as the suitable gearing type, special designdetails, bearing arrangements and lubrication.

With the application examples shown in this booklet we wishto share our experience in the solution of motion controlproblems with Harmonic Drive gears. As such, this documentshould assist design engineers and student engineers alike.

All application examples gathered in this booklet are provendesigns in the field. At this point we would liketo thank the companies which releasedtheir material to enable us to publishthe Harmonic Drive Designer’sHandbook.

Harmonic Drive engineers arealways at your disposal todiscuss the solution to yourmotion control problems and toprovide detailed technical adviceand recommendations for yourspecific application.

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Im Jahr 1970 wurde in Langen bei Frank-furt/Main die Harmonic Drive System GmbHgegründet. Die Expansion des Unternehmensführte 1988 zur Verlegung des Firmensitzesnach Limburg/Lahn. Umfangreiche Investiti-onen in Gebäude, modernste CNC-Maschinen

folgten. Die Produktion kundenspezifischerAntriebssysteme begann.

1998 wurden weitere erhebliche Investitionen fürden Ausbau der Getriebefertigung vorgenommen.

Im Jahr 2000 wurde aus der Harmonic Drive AntriebstechnikGmbH die Harmonic Drive AG.Das einzigartige Funktionsprinzip der Harmonic Drive Getriebeeröffnet uns insbesondere aufgrund unserer langjährigenErfahrung umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten in denverschiedensten Bereichen der Technik. In unseren Getriebenund Antrieben steckt die Erfahrung, die wir bei der Fertigungund dem Einsatz von Millionen von Präzisionsgetrieben imLaufe von mehr als 35 Jahren gewonnen haben. Heute bieten

Das Unternehmen

wir ein breit gefächertes Angebot hochwertigerProdukte:

Getriebeeinbausätze, Units, Getriebeboxen,Planetengetriebe, Servoantriebe und Sonder-antriebe nach Kundenspezifikation.

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The Company

Harmonic Drive System GmbH was establishedin 1970 in Langen, near to Frankfurt/Main.The continuous expansion of thecompany led to the transfer of thehead-quarters to Limburg/Lahn in1988. Major investments infacilities, modern CNC machinetools and personnel followed.The development and produc-tion of customized drivesolutions began. In 1998 furthersignificant investments providedthe basis for the production ofgear components. In 2000Harmonic Drive AntriebstechnikGmbH changed from a limitedcompany to a joint-stock companyunder the name Harmonic Drive AG.

The unique Harmonic Drive operating principlecontinues to open up new applications in allareas of modern mechanical engineering.Our current product range reflects the applicationand production experience of more than35 years with millions of precision gears in thefield.

Today, Harmonic Drive offers a complete rangeof products for demanding applications:

Component Sets, Units, Gearboxes, PlanetaryGears, Servo Actuators, Customer-specificSolutions.

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Das Funktionsprinzip

Die Bauteile

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Der elliptische Wave Generator als angetriebenesTeil verformt über das Kugellager den Flexspline,der sich in den gegenüberliegenden Bereichender großen Ellipsenachse mit dem innenver-zahnten, fixierten Circular Spline im Eingriffbefindet.Mit Drehen des Wave Generators verlagert sichdie große Ellipsenachse und damit der Zahnein-griffsbereich.

Da der Flexspline zwei Zähne weniger als derCircular Spline besitzt, vollzieht sich nach einerhalben Umdrehung des Wave Generators eineRelativbewegung zwischen Flexspline und CircularSpline um einen Zahn und nach einer ganzenUmdrehung um zwei Zähne.

Bei fixiertem Circular Spline dreht sich derFlexspline als Abtriebselement entgegengesetztzum Antrieb.

Flexspline

Eine zylindrische, verformbare Stahlbüchsemit AußenverzahnungA flexible cylinder with external teeth anda flanged mounting ring

Circular Spline

Ein zylindrischer Ring mit InnenverzahnungA solid steel ring with internal teeth

The Components

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Principle of Operation

The Flexspline is slightly smaller in diameterthan the Circular Spline resulting in it havingtwo fewer teeth on its outer circumference. It isheld in an elliptical shape by the Wave Generatorand its teeth engage with the teeth of the CircularSpline across the major axis of the ellipse.

As soon as the Wave Generator starts to rotateclockwise, the zone of tooth engagement travelswith the major elliptical axis.

When the Wave Generator has turned through180 degrees clockwise the Flexspline hasregressed by one tooth relative to the CircularSpline.

Each turn of the Wave Generator moves theFlexspline two teeth anti-clockwise relative tothe Circular Spline.

Wave Generator

Eine elliptische Stahlscheibe mit zentrischer Nabeund aufgezogenem, elliptisch verformbaremSpezialkugellagerThe Wave Generator is a thin raced ball bearingfitted onto an elliptical plug serving as a highefficiency torque converter

Die VorteileThe Advantages

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Da die Kraftübertragung über einen großenZahneingriffsbereich erfolgt, verfügenHarmonic Drive Getriebe über eine sehrhohe Drehmomentkapazität.

Since power is transmitted through multipletooth engagement, Harmonic Drive gearingoffers high output torque capacity.

Harmonic Drive Getriebe bieten die Möglichkeiteiner zentralen Hohlwelle zur Durchführung vonkabeln, Wellen, Laserstrahlen usw.

Harmonic Drive gears provide the option of a central hollow shaft which can be used to passcables, shafts or even laser beams through thecentre of the gear.

Harmonic Drive Getriebe sind spielfrei.Harmonic Drive gears are backlash-free.

Mit nur drei Bauteilen werden hoheeinstufige Untersetzungen von 50:1bis 320:1 erreicht.With only three elements high single-stage reduction ratios ranging from50:1 to 320:1 can be achieved.

Bei Nennbetriebsbedingungen werden hoheWirkungsgrade bis zu 85 % erreicht.

High efficiencies of up to 85 % can beobtained.

In Harmonic Drive gearing the teeth come in contact with an almost pureradial motion, and have essentially zero sliding velocity, even at high inputspeeds. This results in minimal wear and long operating life.

Der Zahneingriff in Harmonic Drive Getrieben beschränkt sichhauptsächlich auf eine rein radiale Bewegung. Auch bei großenEingangsdrehzahlen ist die Gleitgeschwindigkeit sehr gering. Daherergibt sich minimaler Verschleiß und lange Lebensdauer.

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Harmonic Drive Getriebe sind nicht selbst-hemmend; sie können sowohl im Unter-setzungs- als auch im Übersetzungsbetriebeingesetzt werden.

Harmonic Drive units are reversibleand can be used for speed reductionas well as for speed increase.

Harmonic Drive Getriebe weisen überden gesamten Drehmomentbereicheine hohe Torsionssteifigkeit mitnahezu linearer Hysterese auf.

Harmonic Drive gears exhibit very hightorsional stiffness over the whole torquerange, as well as almost linear hysteresisbehaviour.

Harmonic Drive Getriebe besitzen eine hervorragendePositioniergenauigkeit von weniger als einer Winkelminuteund eine Wiederholgenauigkeit von nur wenigen Winkel-sekunden. Harmonic Drive gears are available with an excellent

positioning accuracy of better than one minute ofarc and a repeatability within a few seconds of arc.

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Units

Units

TerminologieTerminology

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HFUC EinbausatzHFUC Component Set

CPU Unit für Motoranbau

CPU Unit for direct motor assembly

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HFUC UnitHFUC Unit

CPU HohlwellenunitCPU Hollow-shaft Unit

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1.) UntersetzungsgetriebeCS Fixiert

WG AntriebFS Abtrieb

Reduction GearingFixedInputOutput

////

An- und Abtrieb drehen entgegengesetzt.Input and output rotate in opposite directions.

Untersetzung = - i1

Ratio = - R1

2.) UntersetzungsgetriebeFS Fixiert

WG AntriebCS Abtrieb


////

An- und Abtrieb drehen gleichsinnig.Input and output rotate in the same direction.

Untersetzung = i+11

Ratio = R+11

3.) UntersetzungsgetriebeWG FixiertFS AntriebCS Abtrieb


////


Untersetzung = i+1i

Ratio = R+1R

4.) ÜbersetzungsgetriebeWG FixiertCS AntriebFS Abtrieb

Speed Increaser GearingFixedInputOutput

////


Untersetzung = ii+1

Ratio = RR+1

An- und Abtriebsanordnungen

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Driving Arrangements

7.) DifferentialgetriebeWG RegelantriebCS HauptantriebFS Hauptabtrieb

Differential GearingControl InputMain Drive InputMain Drive Output

////

Zahlreiche Differentialfunktionen können durch Kombination derDrehzahl und Drehrichtung der drei Bauteile erreicht werden.

Numerous differential functions can be obtained by combinationsof the speed and rotational direction of the three basic elements.

6.) ÜbersetzungsgetriebeFS Fixiert

CS AntriebWG Abtrieb


////


Untersetzung = 1i+1

Ratio = 1R+1

5.) ÜbersetzungsgetriebeCS Fixiert

FS AntriebWG Abtrieb


////

An- und Abtrieb drehen entgegengesetzt.Input and output rotate in opposite directions.

Untersetzung = - 1i

Ratio = - 1R

Untersetzung i = Ratio R = Antriebsdrehzahl / Input SpeedAbtriebsdrehzahl / Output Speed

KonstruktionshinweiseDesign Guidelines

The relative perpendicularity and con-centricity of the three basic HarmonicDrive elements have an important in-fluence on accuracy and service life.Misalignments may adversely affectperformance and reliability. Compliancewith recommended assembly tolerancesis essential in order for the advantagesof Harmonic Drive gearing to be fullyexploited.Careful attention should thus be paidto the following points:

1. Input Shaft, Circular Spline and housing must be concentric.

2. The oil drain also enables assemblycheck.

3. The Flexspline pilot diameter mustbe concentric to the Circular Spline.

4. A clamping ring with corner radiusincreases torque transmission capa-city and prevents damage to theFlexspline diaphragm.

5. A radial shaft seal for oil lubrication6. Pre-loaded and backlash-free double

bearing support for output shaft7. Fixed axial location of the Flexspline8. Air vent depending on the application9. Flexspline and Circular Spline must

be located in parallel and perpen-dicular to the output shaft

10.Axial location of Wave Generator11. Oil input (also enables assembly

check)12.Double bearing support for input

shaft

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Die Anordnung der drei Bauteile desHarmonic Drive Getriebes bezüglich Plan-lauf und Konzentrizität haben einenwesentlichen Einfluss auf die Genauig-keit und die Lebensdauer. Eine falscheAusrichtung kann sich nachteilig auf dieZuverlässigkeit auswirken. Das Einhaltender empfohlenen Montagetoleranzen istdaher besonders wichtig, um die Vorteileder Harmonic Drive Getriebe voll aus-zunutzen. Besondere Aufmerksamkeitsollte auf folgende Punkte gelegt werden:

1. Antriebswelle, Circular Spline und Gehäuse müssen konzentrisch an-geordnet sein.

2. Ölablass3. Die Flexspline-Flanschbohrung muss

in Bezug auf den Circular Spline kon-zentrisch sein.

4. Der Klemmring mit Kantenabrundungerhöht das übertragbare Drehmomentund vermeidet Beschädigungen desFlexspline-Bodens.

5. Radialwellendichtung für Ölschmierung6. Spielfrei vorgespannte Lagerung der

Abtriebswelle7. Axialfixierung des Flexspline8. Entlüftungsventil (bei Bedarf)9. Flexspline und Circular Spline müssen

parallel und plan zur Abtriebswelleangeordnet sein.

10. Axialfixierung des Wave Generators11. Öleinlass (ermöglicht auch Montage-

überprüfung)12. Doppellagerung der Antriebswelle

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6-Axis Robot Primary Axes

Integrated output bearing

Industrial robotics continues to be one ofthe major application areas for HarmonicDrive gears.This application example shows the baseand shoulder axes of a 6-axis robot forassembly and arc welding applications. Thisapplication requires backlash-free gearswith high torque capacity, high torsionalstiffness and excellent repeatability. Thisdesign uses a special variant of our CPU-Munits for direct motor assembly. Both axesare supported only by the stiff output-sidebearing of the unit. The CPU product rangefeatures a particularly strong cross-rollerbearing, and is therefore ideally suited toapplications in the primary axes of robots,where there are significant tilting momentson the output-side bearing of the gears ineach joint. In this design example the motor and WaveGenerator can be easily disassembled with-out needing to completely disassemble therobot arm. This is possible when the cente-ring diameter of the motor flange is largerthan the major elliptical axis of the WaveGenerator.

6-Achsen-Roboter Primärachsen

Integriertes Abtriebslager

Der Bereich Industrieroboter stellt weiterhineines der zentralen Anwendungsgebiete fürHarmonic Drive Getriebe dar. Im gezeigten Anwendungsbeispiel sind dieGrund- und Schulterachse eines 6-achsigenRoboters für Montage und Schweißarbeitenmit Harmonic Drive Getrieben bestückt.Diese Anwendung erfordert spielfreie Ge-triebe mit hoher Drehmomentkapazität,hoher Torsionssteifigkeit und hervorragen-der Wiederholgenauigkeit. Bei der gezeigtenKonstruktion kommt eine spezielle Varianteunserer CPU-M Units für direkten Motoran-bau zum Einsatz. Beide Achsen werden vondem kippsteifen, abtriebsseitigen Lager derUnit abgestützt. Die Getriebe der BaureiheCPU zeichnen sich durch ein hoch belastba-res Kreuzrollen-Abtriebslager aus, weshalbsie ideal für die Anwendung in Roboter-Primärachsen geeignet sind, wo Kipp-momente am abtriebsseitigen Lager desGetriebes in jeder Drehachse auftreten. Indiesem Beispiel können Motor und WaveGenerator mühelos auseinander genommenwerden, ohne dass eine komplette Demon-tage des Roboterarms erfolgen muss. Diesist möglich, wenn der Zentrierdurchmesserdes Motorflansches größer ist, als die großeEllipsenachse des Wave Generators.

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Industrial RobotsIndustrieroboter

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SCARA Robot Primary Axes


SCARA robots for fast assembly tasks arean ideal application area for Harmonic Drivegears. High dynamic performance dictatesthe use of compact, lightweight gears andthe high accuracy required for accurate as-sembly necessitates gears with excellentrepeatability. These selection criteria leadalmost all of the world’s leading SCARArobot manufacturers to use Harmonic Drivegears in their designs.This design example shows a very compactand elegant design incorporating CPU-Munits. In the shoulder joint the output flan-ge of the unit is connected to the upper armsegment, while the outer ring of the outputbearing is connected to the base. In theelbow joint the output flange of the unit isalso connected to the upper arm segmentand the outer ring of the input bearing isconnected to the lower arm segment. In thiscase the Flexspline (output flange) of theelbow joint unit is fixed, relative to theupper arm, and the Circular Spline (outerring of output bearing) acts as output ele-ment.

SCARA RoboterPrimärachsen


SCARA-Roboter für schnelle Montagetätig-keiten sind ein ideales Anwendungsgebietfür Harmonic Drive Getriebe. Aufgrund derhohen Dynamik der Roboter ist die Verwen-dung von kompakten, leichtgewichtigenGetrieben unverzichtbar, und die hoheGenauigkeit, die für die präzise Montageerforderlich ist, macht Getriebe mit hervor-ragender Wiederholgenauigkeit notwendig.Aufgrund dieser Auswahlkriterien entschei-den sich nahezu alle führenden Herstellervon SCARA-Robotern für Harmonic DriveGetriebe. Das hier dargestellte Anwendungsbeispielzeigt eine äußerst kompakte und elegantekonstruktive Lösung mit einer integriertenCPU-M Units. Im Schultergelenk ist derAbtriebsflansch der Unit mit dem Oberarmund der äußere Ring des Abtriebslagers mitdem Ständer verbunden. Im Ellenbogenge-lenk ist der Abtriebsflansch der Unit eben-falls mit dem Oberarm und der äußere Ringdes Abtriebslagers mit dem Unterarm ver-bunden. In diesem Fall ist der Flexspline(Abtriebsflansch) der im Ellenbogengelenkeingesetzten Unit relativ zum Oberarmfixiert, und der Circular Spline (äußerer Ringdes Abtriebslagers) dient als Abtriebsele-ment.

2 Industrial RobotsIndustrieroboter

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Gantry RobotHand Axes

Hollow shaftInput shaftIntegrated output bearing

The hand axes of gantry robots must becompact and light to reduce the load on thelinear axes and so optimise the dynamicperformance of the robot. In order to reducethe weight of the hand axes the motors areusually located outside the hand assembly.The motor torque is transmitted to the handvia parallel shafts inside the vertical axisassembly of the robot. This design example incorporates both CPU-H(hollow input-shaft) and CPU-S (solid input-shaft) units. The first hand axis is driven viaa spur gear arrangement. The second handaxis is driven via a bevel gear arrangement.The drive shaft for this axis passes throughthe hollow shaft of the CPU-H unit.

Portalroboter Handachsen

HohlwelleEingangswelleIntegriertes Abtriebslager

Die Handachsen von Portalrobotern müssenkompakt und leicht sein, um die Last aufder Linearachse zu verringern und die Dy-namik des Roboters zu optimieren. Alsgewichtsreduzierende Maßnahme werdendie Motoren üblicherweise außerhalb derHandachsen-Baugruppe angebracht. DasMotordrehmoment wird auf die Hand überParallelwellen innerhalb der Vertikal-Achsen-baugruppe des Roboters übertragen. In diesem Anwendungsbeispiel werden eineCPU-H Unit, die mit einer eingangsseitigenHohlwelle versehen ist und eine CPU-S Unit,die über eine Vollwelle angetrieben wird,eingesetzt. Die erste Handachse wird überein Stirnradgetriebe, die zweite Handachseüber ein Kegelradgetriebe angetrieben. DieAntriebswelle für diese Achse wird durch dieHohlwelle der CPU-H Unit geführt.

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6-Axis Robot Shoulder Axis

Low inertia Wave GeneratorSpecial Circular Spline

The primary axes of 6-axis robots must becapable of providing high peak torquesduring the acceleration and braking phasesof a movement cycle. The primary axis gearsmust also exhibit high repeatability andhigh positioning accuracy to enable therobot to execute precise assembly tasks oraccurate path following applications, suchas arc welding or application of adhesive.These requirements are fulfilled completelyby Harmonic Drive gears. In this design example the HFUC componentset features a special low inertia WaveGenerator design. This design reduces theacceleration torque required from themotor. Another interesting feature of thisdesign is the arrangement of the input shaftand output flange, which are both on thesame side of the gear. The input shaft passesthrough the output flange, which is suppor-ted by a cross-roller bearing. The special Cir-cular Spline design simplifies the integrati-on of the gear into the housing of the joint.

6-Achsen-Roboter Schulterachse

Wave Generator mit geringem MassenträgheitsmomentCircular Spline Sonderausführung

Während der Beschleunigungs- und Brems-phase eines Bewegungszyklusses müssendie Primärachsen in 6-Achsen-Robotern ho-he Spitzendrehmomente aufbringen. Vonden in den Primärachsen integrierten Getrie-ben werden hohe Wiederhol- und Posi-tioniergenauigkeit gefordert, damit derRoboter präzise Montageaufgaben bzw.Bahnanwendungen wie z. B. beim Licht-bogenschweißen oder Kleben durchführenkann. Harmonic Drive Getriebe erfüllen allegenannten Anforderungen und eignen sichdamit hervorragend für dieses Einsatzge-biet. In den in der Zeichnung dargestellten HFUCEinbausatz wurde eine Sonderbauform desWave Generators integriert, die ein geringe-res Massenträgheitsmoment aufweist.Dadurch wird das vom Motor benötigteBeschleunigungsmoment verringert. Eineweitere Besonderheit dieser konstruktivenLösung ist die Anordnung der Eingangswel-le und des Abtriebsflansches, die sich beideauf der gleichen Seite des Getriebes befin-den. Die Eingangswelle wird durch denAbtriebsflansch hindurch geführt, der durchein Kreuzrollen-Abtriebslager gestützt wird.Das besondere Design des Circular Splinesvereinfacht die Integration des Getriebes indas Gehäuse der Drehachse.

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6-Achsen-Roboter Handachsen

HohlwelleIntegriertes Abtriebslager

Lichtbogenschweißen, Laserschneiden undMaschinenbestückung sind typische Auf-gaben für 6-achsige Roboter. In dieser Kon-figuration verfügen die Roboter über Hand-achsen mit zwei oder drei Drehachsen zurHandhabung von Greifern oder Werkzeugen. Dieses Anwendungsbeispiel zeigt die fünfteund sechste Achse eines 6-achsigen Ro-boters, bei dem Harmonic Drive Units in beiden Achsen eingesetzt werden. In derfünften Achse, der Schwenkachse, ist eineCPU-H Unit mit einer speziellen Hohlwelleintegriert. Die CPU-S Unit in der sechstenAchse, der „Rollachse“, ist mit einer Ein-gangswelle ausgestattet. Der Antrieb beiderGetriebe erfolgt über eine Riemenstufe mitMotoren, die sich im vorhergehenden Arm-segment des Roboters befinden. DieAntriebswelle für die sechste Achse wirddurch die Hohlwelle des Getriebes der fünf-ten Achse hindurch geführt. Die Abstützungdes Wave Generators erfolgt zum einen überein Lager, das in einem modifiziertenKlemmring sitzt, und zum anderen durch einLager im eingangsseitigen Flansch. DieWelle, die durch die Unit geführt ist, wirdvon Lagern in der eingangsseitigen Riemen-scheibe bzw. im abtriebsseitigen Flanschabgestützt.

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6-Axis Robot Hand Axes

Hollow shaft Integrated output bearing

6-axis robots are typically used for taskssuch as arc welding, laser cutting or machineloading. Robots with this configuration fea-ture 2- or 3-axis hand assemblies that mani-pulate the gripper or tool. This design example shows the 5th and 6thaxes of a six-axis robot, where HarmonicDrive units are used to drive both axes. The5th „pitch“ axis incorporates a CPU-H unitwith a special hollow-shaft design, whilethe 6th „roll“ axis features a CPU-S unitwith an input shaft. Both gears are drivenvia toothed belts from motors located insi-de the preceding arm segment of the robot.The drive-shaft to the 6th axis gear passesthrough the hollow shaft of the axis 5 gear.The Wave Generator is supported by onebearing located in a specially modifiedclamping ring and another located in aninput-side flange. The shaft passing throughthe unit is supported by bearings located inthe input-side pulley and output-side flangerespectively.


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SCARA RoboterKnickarm-Achse

Integriertes AbtriebslagerCircular Spline Sonderausführung

Wie bereits an anderer Stelle erwähnt,haben sich Harmonic Drive Getriebe dankihres geringen Gewichtes und der hohenPräzision hervorragend in SCARA Roboternbewährt. Hohe Genauigkeit und Dynamik sind we-sentliche Voraussetzungen für anspruchs-volle Montageaufgaben. Mit Hilfe der HFUC-2UH Unit kann eine besonders kompakteund elegante Lösung realisiert werden, wiedieses Konstruktionsbeispiel zeigt. Der Circular Spline befindet sich im Unter-arm und ist fixiert. Die spezielle Ausführungdes Circular Spline vereinfacht die Integra-tion des Getriebes in die Knickarmachse.Zum Ausgleich von Koaxialitätsfehlern derMotorwelle verfügt der Wave Generator übereine Oldham-Kupplung. Der Flexspline wirdals Abtriebselement genutzt und treibt denUnterarm des Roboters über den Abtriebs-lagerflansch an.

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SCARA RobotElbow Axis

Integrated output bearingSpecial Circular Spline

As already mentioned in an earlier example,the low weight and high precision of Har-monic Drive gears are ideal for applicationsin SCARA robots. The high accuracy andhigh dynamic performance are also pre-requisites for demanding assembly tasks.The HFUC-2UH unit enables a particularlycompact and elegant design as shown inthis design example. The Circular Spline islocated in the upper arm segment and actsas fixed element. The Circular Spline has aspecial design to make integration into therobot joint easier. The Wave Generator fea-tures an Oldham coupling to compensatefor run-out error of the motor shaft. TheFlexspline acts as output element and drivesthe lower arm segment via the flange of theoutput bearing.


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PortalfräsmaschineFräskopf C-Achse

Elektrische Verspannung

Bei diesem Anwendungsbeispiel handelt essich um ein Bearbeitungszentrum für dieBearbeitung von großen Turbinenbauteilen.Die Maschine ist sehr groß mit sehr hohenSchnittkräften von bis zu 30 kN. Sie ist mitelektrisch verspannten Antrieben ausgestat-tet. Diese Konfiguration wurde durch eine„Master-Slave“-Anordnung ermöglicht, dievon vielen derzeit am Markt befindlichenCNC-Steuerungen unterstützt wird. Wichtigist dabei, dass das Verspannmoment - jenach Betriebsart der Maschinen - variiert.Bei schnellen Vorschubbewegungen arbei-ten beide Antriebe zusammen, um einhohes Beschleunigungsmoment zu errei-chen. Wenn die Achse in die Soll-Positionfährt, fungiert ein Antrieb als Bremse underhöht das Verspannmoment, um das Spielzu eliminieren und die Torsionssteifigkeitder Achse zu erhöhen.

Die Vorteile dieser “Master-Slave”-Anord-nung sind wie folgt: - Hohe Leistung in Bezug auf Genauigkeit,

Achsendynamik und Steifigkeit- Vereinfachte Maschinenkonstruktion- Kosteneinsparungen durch vereinfachte

Maschinenmontage und Inbetriebnahme- Verringerung von Wartungs- und Repara

turaufwand, insbesondere im Fall von sehr großen Werkzeugmaschinen mit langer Lebensdauer.

In diesem Konstruktionsbeispiel, das die C-Achse eines Fräskopfes darstellt, ist ein Rit-zel am Abtriebsflansch der beiden HFUC-2UH Units angebracht. Diese Ritzel sind imEingriff mit einem innenverzahnten Zahnrad,das von einem sehr steifen axial-radialNadellager gestützt wird.

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Machine ToolsWerkzeugmaschinen

Gantry Milling MachineMilling Head C-Axis

Electrical pre-loading

This application example concerns a gantrymilling machine for the machining of largeturbine components. This is a very largemachine with very high cutting forces of upto 30 kN and features electrically pre-loa-ded actuators. This configuration is madepossible by a master-slave arrangementsupported by many currently available CNCcontrol systems. Importantly the pre-loadtorque can be varied depending on the ope-rating mode of the machine. For rapid feedmoves both actuators work together to pro-vide a very high acceleration torque capaci-ty. As the axis moves into position oneactuator begins to act as a brake andincreases the pre-load torque to remove thebacklash in the pinion-ring gear stage andincrease the torsional stiffness of the axis.

The advantages of this master-slave arran-gement can be summarized as follows:- High performance (accuracy, axis

dynamics, stiffness)- Simplification of the machine design- Cost savings through simplification of

machine assembly and commissioning- Reduction of maintenance and repair

effort, particularly in the case of very large machine tools, with long operatinglives.

In this design example, showing the C-axisof the milling head, a pinion is attached tothe output flange of both the HFUC-2UHunits. These pinions engage with an inter-nally toothed ring gear, which is supportedby a very stiff axial-radial needle roller bea-ring.


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Machining CentreNC Rotary Table

High precision output bearingInput shaft

Increasingly Harmonic Drive gears are beingused to replace worm or planetary gears inthe precise rotary axes of machine tools.High accuracy is usually only possible withworm or planetary gears that are pre-loadedto eliminate backlash. The natural pre-loading of Harmonic Drivegears, combined with their high efficiencymeans that the temperature rise duringoperation is much lower, with positiveresults for the stable positioning accuracyof the machine. Given that assembly andlubrication is carried out according to themanufacturer’s recommendations there isno increase in backlash with a HarmonicDrive gear during its operating life. Thismeans there is no need to re-adjust gearsto remove backlash, as is common withworm gears or planetary gears. In thisdesign example, the Flexspline of a HFUCcomponent set acts as output element. Theoutput flange is supported by a precisionoutput bearing (needle-roller bearing). TheCircular Spline, as fixed element, is locatedin the machine housing. The Wave Genera-tor, as input element, is driven via a too-thed belt. To keep the height of the table toa minimum the motor is mounted in paral-lel to the gear. In this application the cut-ting forces are not very high, so there is noneed for output-side clamping of the table.In the event that very high cutting forcesmust be held it is advisable to use a curviccoupling to lock the output flange.

BearbeitungszentrumNC-Rundtisch

Präzisions-AbtriebslagerEingangswelle

Harmonic Drive Getriebe ersetzen in zuneh-mendem Maße Schnecken- oder Planeten-getriebe in den präzisen Drehachsen vonWerkzeugmaschinen. Wenn hohe Genauig-keit erreicht werden muss, wurden bishervorgespannte Schnecken- oder Planeten-getriebe eingesetzt, um ein mögliches Spielzu eliminieren. Aus der natürlichen Vorspannung derHarmonic Drive Getriebe kombiniert mitdem höheren Wirkungsgrad resultiert einwesentlich geringerer Temperaturanstiegwährend des Betriebs, was sich positiv aufdie Positioniergenauigkeit der Maschineauswirkt. Vorausgesetzt, die Schmierungwird entsprechend den Empfehlungen desHerstellers durchgeführt, tritt bei HarmonicDrive Getrieben während der gesamtenLebensdauer keine Spielzunahme auf. Somitentfällt eine erneute Einstellung der Ge-triebe zur Beibehaltung der Spielfreiheit,wie es bei Schnecken- oder Planetengetrie-ben häufig der Fall ist. Im dargestellten Beispiel wird der Flexsplineeines HFUC Einbausatzes als Abtriebsele-ment genutzt. Der Abtriebsflansch wird durchein Präzisionsabtriebslager (Nadellager) ge-stützt. Der Circular Spline, als fixiertes Ele-ment, befindet sich im Maschinengehäuseund der Wave Generator, als Antriebsele-ment, wird über einen Zahnriemen angetrie-ben. Um die Tischhöhe so gering wie mög-lich zu halten, wird der Motor parallel zumGetriebe montiert. Die Schnittkräfte sind indieser Anwendung nicht sehr groß, so dassein Klemmen des Tisches abtriebsseitignicht notwendig ist. Bei größeren Schnitt-kräften ist es ratsam, eine Klemmung zumSichern des Abtriebsflansches zu benutzen.


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Bearbeitungszentrum Werkstück-Lade-Roboter

HohlwelleSpezielle Anordnung der Dichtungen

Dieses Beispiel zeigt die erste Drehachseeines Sonderroboters zum Laden von Werk-stücken in einem Bearbeitungszentrum mitvertikaler Spindel. Die Achse ist mit einerCPU-H Hohlwellen-Unit mit einer speziellenAbdichtung ausgerüstet. In Anwendungen mit hohen kontinuierlichenAntriebsdrehzahlen bzw. im Dauerbetriebkann die Reibung der Wellendichtringe ander Eingangshohlwelle zu einem Tempera-turanstieg führen. Dieses Beispiel zeigt dieMöglichkeit auf, wie man diesen Effekt mit-tels einer speziellen Anordnung der Dich-tungen minimieren kann. Die Standard-Wellendichtungen in den antriebsund ab-triebsseitigen Flanschen wurden entferntund eine Hülse wurde durch die Unit hin-durch geführt. Das eine Ende der Hülse istam Grundgehäuse des Roboters befestigt,während eine V-Dichtung am anderen Endeder Hülse die Unit gegen das Eindringenvon Schmutz abdichtet. Die V-Dichtung liegt an einer dünnen Platteim Dreharm des Roboters an. Diese Plattedreht sich mit der reduzierten Abtriebs-geschwindigkeit des Getriebes. Die hohleHülse wird für die Durchführung von Kabelnund Rohren für Sensoren und Greifergenutzt. Die Hülse schützt dabei die Kabelvor der schnelldrehenden Hohlwelle derUnit. Der Antrieb der Hohlwelle erfolgt übereine Stirnradstufe.

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Machining CentreWorkpiece Loading Robot

Hollow shaftSpecial sealing arrangement

This design example shows the first rotaryaxis of a special robot, used to load work-pieces into a vertical-spindle machiningcentre. This axis features a CPU-H hollow-shaft unit with a special sealing arrange-ment. For applications with high continuous inputspeeds or a very high duty cycle the frictionof the rotary shaft seals running on the hol-low input-shaft can result in increased tem-peratures. This design example shows how it is possi-ble to reduce this effect by means of a spe-cial sealing arrangement. The standard shaftseals, located in the input and output-sideflanges, are removed and a hollow sleeve ispassed through the unit. One end of thesleeve is fixed to the base housing of therobot, while a V-seal connected to the otherend of the sleeve seals the unit against theingress of dirt. The V-seal acts against a thinplate located in the rotating arm of therobot. This plate rotates with the reducedoutput speed of the gear. The hollow sleeveis used to pass cables and pipes, for sen-sors and for gripper respectively, throughthe centre of the gear. The sleeve therebyprotects the cables from the fast-rotatinghollow shaft of the unit. The hollow shaft isdriven via a spur gear arrangement.


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Portal-FräsmaschineWerkzeugwechsler


Harmonic Drive Getriebe und Antriebe eig-nen sich hervorragend für Anwendungen inden Peripherieachsen von großen Werkzeug-maschinen, wie z. B. in Werkzeug- oderWerkstückmagazinen und -wechslern. ImBeispiel wird ein elektromechanischer Werk-zeugwechsler einer speziellen Portal-Fräs-maschine für die Bearbeitung von großenFormen dargestellt. Große Werkzeuge, biszu 75 kg schwer, müssen direkt in die Ma-schinenspindel oder den Fräskopf in ver-schiedenen Winkelstellungen eingesetztwerden. Dies erfordert vom Getriebe einehohe Positioniergenauigkeit, um denWerkzeughalter nicht zu beschädigen.Ferner wird ein kippsteifes Abtriebslagerzum Abstützen der Werkzeuggreifer-Kom-ponenten benötigt. Die HFUC-2UH Unit ist so positioniert, dassdie Schwerpunktlinie des geschweißtenGehäuses durch die Ebene des Abtriebs-lagers führt. Dadurch werden die auf dasAbtriebslager wirkenden Kippmomentesoweit wie möglich reduziert. Als Antrieb fürden Werkzeuggreifer wird ein HPS Plane-tengetriebe eingesetzt. Die einzelnen Greiferwerden über eine Kugelspindel, derenAntrieb wiederum über ein Stirnradgetriebeerfolgt, bewegt.

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Gantry Milling Machine Tool Changer


Harmonic Drive gears and actuators are wellsuited to applications in the peripheral axesof large machine tools, for example in toolor workpiece magazines and changers. Thisdesign example shows the electro-mechani-cal tool changer of a special gantry millingmachine, used for the machining of largemoulds and dies. Large tools, weighing upto 75 kg, must be inserted directly into themachine spindle or milling head at variousangles. The gear must exhibit a high positioningaccuracy to avoid damage to the tool hol-der. A high stiffness output bearing is alsonecessary to support the tool gripperassembly. The HFUC-2UH unit is so positio-ned that the line of the centre-of-gravity ofthe welded housing and tools passesthrough the plane of the output bearing.This reduces the tilting moment acting onthe output bearing as far as possible. A HPSplanetary gear is used to drive the tool grip-per. The individual grippers are moved via aballscrew which is, in turn, driven via a spurgear arrangement.

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Sonder-Fräsmaschine Werkzeugrevolver

Präzisions-AbtriebslagerAbtriebsseitige Klemmvorrichtung

Bei dieser Abbildung handelt es sich umden Werkzeugrevolver einer Sonder-Fräs-maschine. Auf der Revolverscheibe befindensich angetriebene Werkzeuge zum Profil-fräsen bei der Herstellung von speziellenSchlüsseln. Mittels der eingebauten CPU-MUnit wird die Revolverscheibe getaktet unddas benötigte Werkzeug zur Antriebswellegeführt. Anschließend kuppelt diese ein, umdas Werkzeug anzutreiben. Die CPU Unitbietet eine einzigartige Kombination ausPräzisionsgetriebe und präzisem Abtriebs-lager. Das Kreuzrollen-Abtriebslager ist verfügbarmit einem Rundlauf von weniger als 5 µmfür ausgewählte Lager und daher bestensgeeignet für den Einsatz in Rotationsachsenvon Präzisionsmaschinen.Das Lagergehäuse dient gleichzeitig alsGetriebegehäuse. Der Circular Spline, alsstationäres Element, ist direkt mit demLagergehäuse verbunden. Auf diese Weiseverringert sich die Anzahl der Komponenten,wodurch auch die Übertragungsgenauigkeitdes Getriebes verbessert wird. Im gezeigtenBeispiel wirken große Schnittkräfte auf denAbtriebsflansch, weshalb eine hydraulischeKlemmung zum Fixieren des Abtriebs-flansches während des Fräsbetriebs zum Ein-satz kommt. Die vorherige Lösung basierteauf einem vorgespannten Schneckenge-triebe und einem separaten Flanschlager.Die neue Konstruktion hat den Vorteil, dassdurch die verringerte Anzahl an einzelnenBauteilen die Kosten erheblich reduziertwurden und gleichzeitig die Genauigkeitverbessert wurde. Darüber hinaus lassensich höhere Drehgeschwindigkeiten ohneerheblichen Temperaturanstieg realisieren.

Special-purpose Milling Machine Tool Revolver

High precision output bearingOutput-side clamping arrangement

This design example shows the tool revol-ver of a special-purpose milling machine.The revolver disc carries driven tools to millthe profile of special keys. A CPU-M unit isused to index the revolver disc and bringthe required tool to the tool drive-shaft,which is then coupled in to drive the tool.The CPU provides a unique combination ofhigh precision gear and highly accurate out-put bearing. The cross-roller bearing is available with arunout of less than 5 µm for selected bea-rings and is therefore ideally suited forapplications in the rotary axis of high preci-sion machines.The outer race of the bearing also serves asthe housing for the unit. The Circular Spline,as the fixed gear element, is connecteddirectly to the outer race of the bearing.This design reduces the number of compo-nent parts and also ensures a low angulartransmission error. In this application highcutting forces act on the output flange, so ahydraulic clamping arrangement is used tofix the output flange during the milling ope-ration. The previous design featured a pre-loaded worm gear and separate precisionflange bearing. The new design reduces thenumber of individual components and sig-nificantly reduces cost, while at the sametime improving accuracy. Also higher rota-tional speeds are permissible without anunacceptable temperature increase.


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Portal-FräsmaschineFräskopf

Sondergetriebebox Eingangswelle

Mit dieser Portal-Fräsmaschine werdenSpritzgussformen für Kunststoffkompo-nenten oder große Bauteile aus derLuftfahrtindustrie hergestellt. Der derzeitigeTrend in der Hochgeschwindigkeits-Bearbei-tung bedeutet, dass dieser Maschinentypeine höhere Dynamik und zugleich eineerhöhte Bearbeitungsgenauigkeit erreichenmuss. Höhere Dynamik heißt aber auch, dass diebewegten Massen minimiert werden müs-sen. Im Fall von Portalmaschinen erfordertdies, dass Gewicht und Größe des Fräs-kopfes (vierte und fünfte Achse) so niedrigwie möglich gehalten werden müssen. Die Abbildung zeigt eine Sondergetriebeboxmit integriertem HFUC-Einbausatz. DieGetriebebox ist Bestandteil einer zweistufi-gen Anordnung, bei der dem Harmonic DriveGetriebe eine Stirnradstufe nachgeschaltetist. Das Spiel in der Stirnradstufe wird mit-tels mechanisch vorgespanntem geteiltemRitzel eliminiert. Daneben gibt es verschie-dene andere Methoden zur Spielbesei-tigung.

Gantry Milling MachineMilling Head

Special gearbox designInput shaft

Gantry milling machines are frequentlyused for the production of large moulds forplastics components, or for large compo-nents in the aerospace industry. The recenttrend to high-speed machining means thatthis type of machine must achieve a higherdynamic performance, while fulfilling arequirement for increased machining accu-racy. An improved dynamic performancemeans that moving masses must be mini-mised. In the case of gantry machines thismeans that the size and weight of the millinghead (4th and 5th axis) must be kept aslow as possible. Harmonic Drive gears canhelp to achieve this target.This drawing shows a special gearbox incor-porating a HFUC component set. The gear-box is part of a two stage gear arrange-ment. A spur gear stage follows the Har-monic Drive gear. In this case the backlashin the spur gear stage is removed by meansof a mechanically pre-loaded split piniongear. There are a number of alternative pos-sibilities for removing backlash. It is alsopossible to electrically pre-load two actua-tors. We would be glad to offer you adviceon questions of this nature.


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Portal-FräsmaschineFräskopf

Mechanische VerspannungSpezielle Anordnung der Antriebswelle

In mittelgroßen Portalfräsmaschinen werdenin den Fräsköpfen häufig mechanisch ver-spannte Getriebe eingesetzt. Dabei kann dasVerspannmoment nicht variiert werden. DerWert des Verspannmomentes ist somit einKompromiss zwischen dem niedrigen Ver-spannmoment, das bei schnellen Bewegun-gen im Eilgang bevorzugt wird und demhohen Verspannmoment, das benötigt wird,wenn die Achse in Position gehalten wird.Diese Lösung ist ökonomischer und kom-pakter als es bei elektrisch verspannten Ach-sen der Fall ist, da pro Fräskopfachse nur jeein Getriebe und ein Motor erforderlich sind. Das hier gezeigte Anwendungsbeispiel zeigteine mechanisch verspannte Achse miteinem HFUC-2A-GR Einbausatz in Sonder-ausführung. Der Flexspline des HarmonicDrive Einbausatzes ist mit einer Abtriebs-welle verbunden, die von einer vorgespann-ten Lageranordnung gestützt wird. DieAbtriebswelle verfügt über ein Ritzel, das indie Stirnräder von zwei Zwischenwellen ein-greift. Jede Zwischenwelle hat ein zweitesStirnrad, das sich mit dem Hauptstirnrad,welches den Fräskopf antreibt, im Eingriffbefindet (in der Zeichnung nicht darge-stellt). Die beiden Zwischenwellen werdenbei der Montage des Fräskopfes mechanischgegeneinander vorgespannt. Die Besonderheit an diesem Konstruktions-beispiel besteht darin, dass – bedingt durchden begrenzten Bauraum - die Antriebswel-le, die den Motor mit dem Wave Generatordes Harmonic Drive Einbausatzes verbindet,durch die Mitte der Abtriebswelle geführtwird. Die Antriebswelle ist in einem kom-pakten Nadelkugellager geführt.

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Gantry Milling MachineMilling Head

Mechanical pre-loadingSpecial input-shaft arrrangement

In medium-sized gantry milling machinesthe milling heads often feature mechanical-ly pre-loaded gears. With this solution thepre-load torque cannot be varied. Thismeans that the value of the pre-load torqueis necessarily a compromise between thelow pre-load torque preferable for rapidfeed moves and the high pre-load torquedesired when the axis is held in position.However, this is a more economic and com-pact solution than electrically pre-loadedaxes, because just one gear and one motorare required per milling head axis.This application example shows a mechani-cally pre-loaded axis featuring a HFUC-2A-GRcomponent set in special design. The Flex-spline of the Harmonic Drive component setis connected to an output shaft, mounted inpre-loaded bearing arrangement. The out-put shaft features a pinion engaging withspur gears on two lay shafts. Each lay shafthas a second spur gear, which engages withthe main spur gear driving the milling headaxis (not shown in the drawing). The twolay shafts are pre-loaded mechanicallyduring assembly of the milling head.This design example has a special feature.Due to the limited available space the inputshaft connecting the motor to the WaveGenerator of the Harmonic Drive componentset passes through the centre of the outputshaft. The input shaft is mounted in com-pact needle roller bearings. This intelligentsolution provides an extremely compactdesign and also allows easy maintenance ofboth motor and gear.


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Portal-FräsmaschineFräskopf A-Achse

Elektrische VerspannungMaster-Slave-Anordnung

In einigen anspruchsvollen Anwendungenist es wünschenswert, ein variables Ver-spannmoment in einer zwei-stufigen Anord-nung mittels elektrischer Verspannung zurealisieren. Dies kann erreicht werden,indem man zwei Antriebe einbaut, die mit-tels Ritzel an beiden Antrieben in ein Stirn-rad eingreifen. Diese werden in einer„Master-Slave“-Anordnung verwendet, dievon zahlreichen modernen CNC-Steuerun-gen unterstützt wird. Diese Konfigurationmacht es möglich, die Vorspannung in derStirnradstufe in Abhängigkeit von derBetriebsart der Maschine zu variieren. Das hier dargestellte Beispiel zeigt die A-Achse des gleichen Fräskopfes, der in Bei-spiel 7 beschrieben wird. Auch diese Achseist mittels zweier HFUC-2UH Units elektrischverspannt. In der Zeichnung ist nur eineUnit erkennbar, da sich die zweite direkthinter der ersten befindet und daher ver-deckt ist. Die Ritzel an den Abtriebsflan-schen der HFUC-Units greifen in ein innen-verzahntes Hohlrad. Bei dieser Anordnungwird die große zentrale Hohlwelle für dieDurchführung von Versorgungsleitungen fürLuft, Wasser und Öl für die integrierte Fräs-spindel genutzt. Diese Achse wird zudem von einem sehrsteifen axial-radialen Nadelkugellagergestützt und kann mit einem hydraulischenKlemmelement in Position geklemmt wer-den. Dadurch kann der Fräskopf sowohl fürDreh- als auch Fräsbetrieb mit extrem hohenSchnittkräften eingesetzt werden. DasDrehmoment liegt bei dieser Achse bei12000 Nm für die Bearbeitung von sehr gro-ßen Turbinenbauteilen. Die bidirektionalePositioniergenauigkeit liegt bei 0,003 Grad.

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Gantry Milling MachineMilling Head A-Axis

Electrical pre-loadingMaster-slave arrangement

In some demanding applications it is desi-rable to provide a variable pre-load torquein two-stage gear arrangements, by meansof electrical pre-loading. This can be achie-ved by implementing two actuators, whichengage with a spur gear by means of pini-ons mounted on both actuators. These areused in a master-slave arrangement, whichis supported by numerous modern CNC con-trol systems. This configuration allows thepre-load in the spur gear stage to be variedaccording to the operating mode of themachineThis example shows the A-axis of the samemilling head featured in example No. 7. Thisaxis is also electrically pre-loaded by meansof two HFUC-2UH units. Only one unit isvisible in the drawing, because the secondunit is mounted directly behind the first andis therefore hidden. In this example thepinion gears mounted on the output flangesof the units engage with an internallytoothed ring gear. This arrangement allowsa large central hollow shaft, which is usedto accommodate a rotary feed-through forthe air, water and oil supply for the inte-grated milling spindle. This axis is also supported by a very stiffaxial-radial needle roller bearing and can beclamped in position using an hydraulicclamping element. This allows the millinghead to be also used for turning and boringoperations where the cutting forces areextremely high. This axis provides a torqueof 12000 Nm for the machining of very largeturbine components, with a bi-directionalpositioning accuracy of 0.003 degrees.


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5-Achs-BearbeitungszentrumA- und B-Achsen-Antrieb

Spezielle AbtriebslagerungHohlwelle für Versorgungsleitungen

In den letzten Jahren hat sich am Markt eineneue Generation von sehr kompakten 5-Achs-Bearbeitungszentren etabliert, die spe-ziell für die Bearbeitung von komplexen Bau-teilen mit Freiform-Oberflächen entwickeltwurden. Die kompakten Abmessungen dergesamten Maschine erfordern auch eine ent-sprechend kompakte Antriebstechnik.Hier wird die konstruktive Ausführung desAntriebs der A- und B-Achse eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums für die Bearbeitungvon kleinen Turbinenbauteilen beschrieben.Um die Abstände zwischen den Drehachsenso gering wie möglich zu halten, war eswichtig, einen Antrieb von kleinstmöglichenDurchmesser und Länge zu verwenden.Dadurch wird die Steifigkeit der Maschine sohoch wie möglich gehalten. Die Wahl fiel aufeinen speziell angepassten CHA Hohlwellen-antrieb, bestehend aus einem HarmonicDrive Getriebeeinbausatz mit einem hochdy-namischen AC-Servomotor. Hier wird eine hohe Führungsgenauigkeit desAbtriebslagers gefordert, weshalb der Getrie-beabtrieb durch ein spezielles und hoch prä-zises zweireihiges Kontaktlager unterstütztwird. Diese Lager sorgt für eine axiale undradiale Führungsgenauigkeit von besser als2 µm, wodurch eine höhere Genauigkeit alsmit dem standardmäßig im CHA-Antrieb inte-grierten Kreuzrollenlager erreicht wird. DerAntrieb hat eine zentrale Hohlwelle zurDurchführung von Luft- und Hydraulikleitun-gen durch beide Drehachsen. Diese wird fürdie Befestigung eines hochauflösendenEncoders genutzt, der als Direktmess-Systemdient und mit dem Spannfutter verbundenist, das am Abtriebsflansch des Antriebsmontiert ist.

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5-Axis Machining CentreA- and B-Axis Drive

Special precision output bearingHollow shaft for supply cables

In recent years a new generation of verycompact 5-axis machining centres hasappeared on the market, specially develo-ped for the machining of complex compo-nents with free-form surfaces. The compactdimensions of the machine, as a whole,mean that small size is also a major designdriver for the actuators used to drive themachine axes.This application example describes theactuator design for the A- and B-axes of a5-axis machining centre used for machiningcomplex small turbine components. In orderto keep the distances between the rotatio-nal axes as small as possible it was impor-tant that the diameter and length of theactuators be as small as possible. Thishelps to keep the machine stiffness as highas possible. This led to the selection of aspecially modified CHA hollow-shaft actua-tor. This comprises a Harmonic Drive com-ponent set combined with a highly dynamicAC servo-motor in a compact package. In this application a very low run-out errorwas specified for the output bearing, so thegear output is supported by a speciallyadapted and highly precise two-row angularcontact bearing. This bearing provides anaxial and radial run-out of better than 2 µm,which is more accurate than the cross-rollerbearing integrated in the standard CHAactuator.The actuator features a central hollow shaft,which is used to pass air and hydraulic sup-plies through both rotational axes. The hol-low shaft is also used to connect a highresolution encoder, as direct measurementsystem, to the chuck mounted at the outputflange of the actuator.


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WerkzeugschleifmaschineIndextisch

HohlwelleFlexspline SonderausführungWave Generator Sonderausführung

In Werkzeugschleifmaschinen wird dasWerkstück (z. B. Fräser) mit hoher Präzisionim Verhältnis zur Schleifscheibe gedreht, umkomplexe Konturen zu erhalten und eineperfekte Oberflächengüte zu erzielen. DasSchlüsselelement in der dargestellten In-dexier-Achse ist eine Sonderbauform desHarmonic Drive HFUC-Einbausatzes in dersogenannten „Weinglas“-Ausführung. Der Flex-splineboden öffnet dabei nach außen,wodurch eine große Hohlwelle durch dasGetriebe geführt werden kann. In diesemAnwendungsfall wurde die Hohlwelle für dieSpanneinrichtung genutzt, die das Werk-zeug während des Schleifprozesses klemmt(in der Abbildung nicht dargestellt). Derspezielle Werkstück-Flansch nach ISO Normwird von einem präzisen Nadellager getra-gen. Diese Achse kann auch für zylindri-sches Schleifen eingesetzt werden, washohe Antriebsdrehzahlen des Getriebes er-fordert.In diesem Beispiel ist das Getriebe ölge-schmiert. Auf der Antriebsseite befindet sicheine Labyrinthdichtung, die zu verminderterReibung beiträgt und somit einen zu hohenTemperaturanstieg verhindert. Für den An-trieb des Getriebes wird ein Zahnriemen ein-gesetzt, der von einem parallel zum Ge-triebe montierten Motor angetrieben wird.Bitte beachten Sie, wie der induktive Re-ferenzschalter (zum Messen der Position amAbtrieb) durch den speziell gefertigten Cir-cular Spline geführt wird.

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Tool Grinding Machine Indexing Axis

Hollow shaftSpecial FlexsplineSpecial Wave Generator

In tool grinding machines the workpiece(e.g. milling cutter) must be rotated withhigh precision relative to the grinding disc,in order to achieve complex contours andalso to provide a perfect surface finish. Thekey component of the indexing axis shownin the drawing is a special Harmonic DriveHFUC component set with a so-called „wine-glass“ design. The diaphragm of the Flex-spline opens outwards, which enables alarge hollow shaft to be passed through thegear. In this example the hollow shaft isused by the clamping mechanism that holdsthe tool in place during the grinding process(not shown in the drawing). The special ISOworkpiece flange is supported by a highprecision needle-roller bearing. This axiscan also be used for cylindrical grinding,which requires high input speeds to thegear. In this case the gear is lubricated withoil. A labyrinth seal is mounted at the inputside to reduce friction and so avoid a hightemperature increase. The gear is driven viaa toothed belt from a motor which is moun-ted in parallel to the gear. Please note howthe inductive reference switch (for measu-ring the output position) passes throughthe specially modified Circular Spline.


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BearbeitungszentrumWerkzeugkettenmagazin

Hohlwellenantrieb

Peripherieachsen von Bearbeitungszentrenstellen ein wichtiges Anwendungsgebiet fürHarmonic Drive Produkte dar. Aufgrund derzunehmenden Automatisierung in der Hand-habung von Werkstücken sowie Werkzeugenist die Anzahl an Positionierachsen in mo-dernen Werkzeugmaschinen gestiegen. Diesdarf jedoch nicht in einer Zunahme der Ma-schinenabmessungen resultieren, d.h. derKonstrukteur muss besonders kompakteGetriebe und Antriebe implementieren.Bearbeitungszentren (Prismen-Werkstücke)und Drehmaschinen (rotationssymmetrischeWerkstücke) werden immer häufiger mitWerkzeugmagazinen ausgerüstet. Aus den verschiedensten Werkzeugmagazin-Konstruktionen haben sich die Ketten- undScheibenmagazine als beste Lösung durch-gesetzt. Sie können über 100 verschiedeneWerkzeuge tragen und müssen das für dennächsten Bearbeitungsvorgang benötigteWerkzeug sehr schnell zum Werkzeug-wechsler transportieren. Bei gefülltem Ma-gazin ist das Massenträgheitsmoment derzu bewegenden Werkzeuge sehr groß. Siemüssen genau positioniert werden, bevorsie vom Werkzeugwechsler ausgetauschtwerden können. Hohe Drehmomentkapazität, Steifigkeit so-wie hervorragende Wiederholgenauigkeitsind die Anforderungen, die an die Getriebebzw. Antriebe gestellt werden. In unseremKonstruktionsbeispiel erfüllt ein CHA-Hohl-wellenantrieb in einem Kettenwerkzeug-magazin diese Aufgabe. Dabei handelt essich um eine sehr einfache Konstruktion,bei der das Kettenrad direkt mit dem Ab-triebsflansch des Antriebes verbunden ist.

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Machining CentreChain-type Tool Magazine

Hollow-shaft actuator

The peripheral axes of machining centresare an important application area for Har-monic Drive products. The increasing auto-mation of handling tasks, both of workpie-ces and tools, means that modern machinetools feature an increasing number of posi-tioning axes. The simultaneous requirementto reduce the size of new machines meansthat the designer must implement particu-larly compact gears and actuators. Bothmachining centres (prismatic workpieces) andturning centres (rotational-symmetricalworkpieces) are increasingly provided withtool magazines. There are various differentdesigns, though chain-type and disc-typemagazines are the most popular. These magazines can carry up to more than100 tools and must rapidly move the requiredtool to the tool changer in time for the nextmachining operation. When the magazine isfully loaded the moment of inertia of thetools is substantial. The required tool mustbe accurately as well as dynamically posi-tioned before being removed from themagazine by the tool changer. The gear oractuator used to drive the magazine musttherefore have a high torque capacity, hightorsional stiffness and excellent repeat-ability.This design example shows a chain-typetool magazine driven by an CHA hollow-shaft actuator. This is the basis for a verysimple design, with the chain pulley attacheddirectly to the output flange of the actuator.


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BearbeitungzentrumPalettenwechsler

HohlwelleIntegriertes Abtriebslager

Um Bearbeitungszentren über eine längereZeit hinweg auch unbeaufsichtigt arbeitenzu lassen, wird die Werkstückhandhabungzunehmend automatisiert. Im abgebildeten Beispiel wurde dieserTrend in der Konstruktion eines Paletten-wechslers realisiert. Der Wechsler wird ineinem Bearbeitungszentrum mit Horizontal-spindel zum Transport von Paletten einge-setzt, die das Werkstück von der Ladestationzum NC-Drehtisch des Bearbeitungszentrumsbefördern. Der Wechsler besteht aus einemgusseisernen Würfel mit vier Paletten, aufdenen jeweils verschiedene einzelne Werk-stücke befestigt sind. Wenn er komplettgefüllt ist, trägt der Palettenwechsler genü-gend Werkstücke, so dass das Bearbei-tungszentrum für mehrere Stunden ohneAufsichtsperson betrieben werden kann. DerAntrieb erfolgt in diesem Fall über eine miteinem AC-Servomotor kombinierte HFUC-2UH Unit. Ein interessantes Merkmal dieserKonstruktion ist die Rückführung der Ein-gangswelle durch das Abtriebslager. Die Ver-bindung der Eingangswelle zum Motorerfolgt über eine Steckkupplung. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass dasabtriebsseitige Kreuzrollenlager der Unitnah an den Schwerpunkt des gusseisernenPalettenspeichers montiert werden kann.Die auf das Abtriebslager wirkenden Kipp-momente werden auf diese Weise mini-miert, wodurch eine lange, wartungsfreieLebensdauer garantiert wird. Die besonderskompakte Bauform und hohe Dynamik die-ser Konstruktion sorgen für minimale Still-standszeiten des Bearbeitungszentrums.

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Machining CentrePallet Changer

Hollow shaftIntegrated output bearing

In order to allow machining centres to ope-rate unattended for longer periods, there isa trend to increasing automation of work-piece handling. One example of this trend is the pallet chan-ger shown in the drawing. This changer isused in a horizontal-spindle machining cen-tre and transfers pallets carrying the work-piece from a loading station to the NCrotary table of the machining centre. It con-sists of a cast-iron cube carrying 4 pallets, each of which carries a cubic fix-ture holding a number of individual work-pieces. When fully loaded the pallet changercarries enough workpieces to allow themachining centre to operate unattended forseveral hours. The design shown is drivenby an HFUC-2UH unit combined with an ACservo motor. An interesting feature of thisdesign is the orientation of the input shaftrelative to the gear. The Wave Generator ismounted on an input shaft, which passesthrough the hollow centre of the outputflange. The input shaft is connected to themotor via a shaft coupling. This arrange-ment allows the output-side cross-rollerbearing of the unit to be mounted close tothe line of the centre-of-gravity of the cast-iron cube. As a result, the tilting momentacting on the output bearing is minimised,ensuring a long, maintenance-free, opera-ting life. This design solution is particularlycompact and offers a high dynamic perfor-mance, so minimising idle time for themachining centre.


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Mehrspindel-DrehautomatLinearantrieb fürWerkzeugverschleißkompensation

SonderantriebLinearantrieb

Mehrspindeldrehautomaten werden zur Her-stellung von Massenteilen wie Schrauben,Armaturenteile etc. mit Losgrößen ab50.000 Stück eingesetzt. Der Trend nachunbeaufsichtigtem Maschinenbetrieb hatzur Folge, dass bevorzugt Antriebe zum Ein-satz kommen, die eine automatische Ein-stellung der Maschine ermöglichen. Der im Beispiel gezeigte HDPL Sonder-Linearantrieb ist an einem oder mehrerenradialen Schlitten befestigt und wird zurKompensation des Werkzeugverschleißesund der Temperatureinflüsse in der Maschi-ne eingesetzt. Die wesentlichen Ziele beider Entwicklung dieses Linearantriebes las-sen sich wie folgt beschreiben:

- Extrem kompakte Bauform- Dichtheit gegen Flüssigkeiten, um den

Einsatz im Arbeitsraum der Maschine zu ermöglichen

- Präzise Zustellung im Mikrometer-Bereichwährend der Aufnahme hoher Axialkräfte

Dank der hohen Steifigkeit, der hohen Dreh-momentkapazität und den kompakten Ab-messungen bieten Harmonic Drive Getriebedie ideale Lösung für diese Anwendung. DerAntrieb besteht aus einer Spindel-Getriebe-Kombination, mit der die Drehbewegung desHDUR-Flachgetriebes in eine präzise Linear-bewegung umgewandelt wird. Der Antriebdes Getriebes erfolgt über einen AC-Servo-motor, der ferner über einen Zahnriemeneinen Multiturn-Absolutencoder antreibt. DieAntriebskomponenten sind zum Schutz gegenaggressive Umgebungsbedingungen in einemGussgehäuse hermetisch abgeschlossen.

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Multi-spindle LatheLinear Actuator for Tool WearCompensation

Special ActuatorLinear Actuator

Multi-spindle lathes are used for the pro-duction of large series of small components,for example hydraulic fittings or fasteners.With the trend to unattended machining,there is a requirement for actuators thatsupport automated adjustment of themachine.This design example shows a special HDPLlinear actuator, which is attached to one ormore radial slides and is used for theadjustment of tool wear and to compensa-te for changes in the temperature of themachine. The basic targets for this development were

- extremely compact design- sealing to allow operation within the

machining area- capability for micrometre adjustment,

while withstanding high axial forces

The Harmonic Drive gear is ideal for thisapplication, providing high stiffness, hightorque capacity and compact dimensions.The HDUR flat-type gear is connected to apre-loaded ball screw, which converts therotational movement of the gear into a pre-cise linear movement. The gear is driven byan AC servo motor, which also drives a multi-turn absolute encoder, via a tooth belt. The drive components are enclosed in acast housing, which protects them from theaggressive surroundings.


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BearbeitungszentrumNC Dreh-Verschiebetisch

Harmonic Planetengetriebe für niedrige Untersetzungen

Harmonic Planetengetriebe HPG eignen sichhervorragend für präzise Anwendungen inLinear- und Drehachsen von großen Werk-zeugmaschinen, wie z. B. Vorschubachsenoder Positionieranwendungen. Das Beispielzeigt einen NC Dreh-Verschiebetisch für dieBearbeitung von großen und schweren Werk-stücken. Durch die Kombination von rotatori-scher und linearer Achse wird auf geringstemBauraum die Möglichkeit zur Mehrseitenbear-beitung von großen Werkstücken in Fräsma-schinen realisiert. Die Tischabmessungen von2 x 2 m sowie die Linearachse mit 1.500 mmHub erlauben eine Bearbeitung von Werk-stückgewichten bis 40 t.HPG Planetengetriebe mit Spielklasse BL1werden sowohl in der rotatorischen als auchder linearen Achse als Untersetzungsgetrie-be eingesetzt.Der Drehtisch wird von einem Servomotormit nachgeschaltetem Planetengetriebe undeinem Präzisionsschneckengetriebe ange-trieben. Die Zeichnung zeigt die Einbindungdes Planetengetriebes HPG in den Maschi-nengrundkörper. Die Präzisionsschnecke istdirekt an das Planetengetriebe ange-flanscht. Für den Antrieb wird ein Getriebemit konstanter Genauigkeit ohne aufwändi-gen Spieleinstellmechanismus gefordert.Planetengetriebe der Baureihe HPG gewähr-leisten gleichbleibendes, geringes Spielüber die gesamte Lebensdauer.Die direkte Lagerung der Schnecke am Pla-netengetriebe setzt ein steifes und genauesAbtriebslager voraus. Die eingesetztenKreuzrollenlager in vorgespannter Aus-führung dienen gleichzeitig als Planetenträ-ger der zweiten Stufe. Dies gewährleisteteinen kompakten und steifen Aufbau.

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Machining CentreNC Rotary Indexing Table

Harmonic Planetary Gears for low ratios

HPG series Harmonic Planetary Gears arethe ideal choice for precise applications inlinear or rotary axes of large machine tools,e.g. for rapid feed moves or positioningtasks. This example shows a NC rotary inde-xing table used for the machining of heavyand large workpieces. This combination ofrotary and linear axis in a small envelopeenables the multi-face machining of largecomponents in a milling machine. Since themachine is expected to machine compo-nents weighing up to 40 t the table measu-res 2 x 2 m and the linear axis provides astroke of 1,500 mm.HPG planetary gears with accuracy class BL1are used in rotary as well as in linear axesas reduction gears.The rotary table is driven by a servomotorfollowed by a planetary gear and a precisi-on worm gear. The drawing shows how theHPG planetary gear is integrated into themachine base. The precision worm isconnected directly to the planetary gear.This application requires a gear which pro-vides constant precision without the needfor an additional backlash adjustmentmechanism. HPG planetary gears keep thebacklash very low during the entire ratedoperating life of the gear. The direct connection of the worm gear tothe planetary gear necessitates high precisi-on and high stiffness of the output bearing.The pre-loaded cross-roller bearings func-tion as planet carrier of the second stage.This guarantees a compact and stiff structure.


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WasserstrahlschneidmaschineSchnelle Linearachsen

Harmonic Planetengetriebe für niedrige Untersetzungen

In Linearachsen von Bearbeitungsmaschi-nen, wie z. B. X-Y Tische von Laser- oderWasserstrahlschneidanlagen, kommen dieVorteile der HPG-Planetengetriebe voll zurGeltung. An Linearachsen von Schneidan-lagen, die präzise und schnell arbeiten müs-sen, werden hohe Anforderungen gestellt.Schnelle Positionier-Bewegungen im Eilgangund präzises Abfahren von Bahnen mitAchsinterpolation erfordern spielarme undgenaue Antriebskomponenten.Das Beispiel eines X-Y Tisches einer Was-serstrahlschneidanlage zeigt anschaulichdas Zusammenwirken von Standardkompo-nenten in kostenoptimierten Anlagen. Auf-grund von Umgebungseinflüssen wie Spritz-wasser und Staub können keine direktenMesssysteme eingesetzt werden. Die Genau-igkeit der Achsen wird in diesem Fall durchindirekte Messsysteme und präziseAntriebskomponenten erreicht.Die X-Achse mit einem Verfahrweg von 3000mm und einer maximalen Verfahrgeschwin-digkeit von 12 m/min wird über eine Ritzel-Zahnstangenkombination angetrieben. DasAbtriebsritzel ist ohne zusätzliche Lagerungdirekt am HPG-Planetengetriebe befestigt.Das Abtriebslager ist als Kreuzrollenlagerausgeführt und erlaubt somit hohe Axial-und Radiallasten. Die Anbindung des Plane-tengetriebes an das Maschinengrundgestellerfolgt über eine drehbar gelagerte und miteiner Feder vorgespannten Platte. DieseAnordnung erlaubt eine Verschleißkompen-sation des Abtriebsritzels. In Verbindung mitdem spielarmen HPG-Planetengetriebebleibt über die gesamte Lebensdauer diePositioniergenauigkeit der Achse erhalten.

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Water-jet Cutting MachineFast Linear Axes

Harmonic Planetary Gear for low ratios

The advantages of the HPG planetary gearscan be exploited in the linear axes of machi-ning centres, e. g. X-Y tables of laser orwater-jet cutting machines. Linear axes ofcutting machines must work very dynami-cally and with high precision. Fast positio-ning moves in rapid feed and precise inter-polated contours require low-backlashgears and transmission components. This design example shows the X-Y table ofa water-jet cutting machine and demonstra-tes how standard components can be com-bined in a cost-effective solution. The diffi-cult environmental conditions, where thereis a lot of water and dust, prevent the useof direct measuring systems. In this casethe accuracy of the individual moving axesmust be achieved by a combination of indi-rect measurement systems and precisetransmission components. The X-axis which has a stroke of 3000 mmand a maximum linear speed of 12 m/min isdriven via a rack- and pinion arrangement.The pinion is connected directly to the out-put flange of the HPG planetary gear with-out the need for additional support bea-rings. The stiff cross-roller bearingsupporting the output flange of the plane-tary gear can withstand high axial and radi-al forces. The connection of the planetarygear to the machine base is realised bymeans of a swivelling plate provided withspring pre-loading to minimize backlashbetween the pinion and the rack. This solu-tion also acts to compensate any wear ofthe pinion. In combination with the lowbacklash HPG planetary gear this designsolution provides constant positioningaccuracy during the complete operating lifeof the machine.


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Falzapparat„Back-to-back“ Differentialantrieb

DifferentialgetriebeTandemanordnung: „Back-to-back“

Die dargestellte Antriebseinheit dient zurPhasenverstellung in einem Falzapparat, dermit einer Offset-Druckmaschine verbundenist. Die Verstellung kann sowohl währenddes Betriebes als auch im Stillstand derDruckmaschine vorgenommen werden, waseinen wesentlichen Vorteil gegenüber ande-ren Verstellmethoden darstellt. Darüber hin-aus lässt sich die Phasenverstellung umvolle 360° in beiden Drehrichtungen durch-führen. Die Drehzahlübertragung auf den Verstell-antrieb erfolgt von der Hauptantriebswelleüber eine Zahnradstufe. Bei dieser Kon-struktion bot sich eine Tandemanordnung(„Back-to-back“) der beiden HDUF-Flach-getriebe an. Um die interne Untersetzungdes Harmonic Drive Getriebes zu kompen-sieren, sind die beiden Dynamic Splinesmiteinander kombiniert. Der Wave Genera-tor des einen Getriebes ist fixiert, währendder andere als Verstellantrieb genutzt wird. Bei stillstehendem Verstellantrieb rotierenbeide Circular Splines mit der gleichen Dreh-zahl. Aus dieser Konfiguration ergeben sichdaher am Hauptantrieb und am Abtrieb glei-che Drehzahlen. Die präzise Phasen-kontrolle kann dann in beiden Dreh-richtungen über den Verstellantrieberfolgen. Diese Lösung bietet eine sehrhohe Leistungsdichte und ermöglicht einekoaxiale Anordnung von An- und Abtrieb.

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Printing MachinesDruckmaschinen

Folder„Back-to-back“ Differential Drive

Differential gear„Back-to-back“ gear arrangement

The transmission shown in this designexample is used for phase adjustment in afolder connected to an offset printingmachine. With this design phase adjustmentmay take place either when the machine isidle or when it is running. This presents asignificant advantage over some othermethods of phase adjustment which canonly be employed when the machine is at astandstill. A further advantage of this designis the capability for bi-directional phaseadjustment through 360° in either direction. Power is transmitted to the adjustmentdrive from the main power shaft via spurgears. In this design example two HDUF flat-type gears are combined in a „back-to-back“ or „tandem“ arrangement. To counteract the internal ratio of the Har-monic Drive gears, the two Dynamic Splinesare combined. The Wave Generator of onegear is fixed, while the other is used as triminput. The result is that when the trim inputdoes not rotate, the Circular Splines of bothgears rotate at the same speed. This confi-guration therefore gives equal primary inputand output speeds. Precise phase controlcan then be achieved in both rotation direc-tions via the trim input. This solution provi-des a very high power density and coaxialarrangement of input and output.


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FalzapparatSchaufelradantrieb

Sonderausführung für Dauerbetrieb

In Falzapparaten gibt es zahlreiche Anwen-dungen für hochuntersetzende Getriebe, wohohe Eingangsdrehzahlen am Getriebegefordert werden. In diesem Fall kann eserforderlich sein, Dichtungen und Schmierunganzupassen, so dass sie den Bedingungenim Dauerbetrieb entsprechen. Bei diesem Anwendungsbeispiel einesSchaufelradantriebs wurde eine modifizierteHFUC-2UJ Unit mit Eingangswelle implemen-tiert.Da bei dieser Anwendung hohe Eingangs-drehzahlen im Dauerbetrieb vorgesehen sind,ist das Getriebe mit Ölschmierung versehen.Im Dauerbetrieb muss darauf geachtet wer-den, dass der zulässige Wert für die Öltem-peratur nicht überschritten wird. Gegebe-nenfalls muss die Ölmenge erhöht werden.Im gezeigten Beispiel wurde das Getrie-begehäuse auf der Antriebsseite derartmodifiziert, dass es zusätzlichen Platz fürdie erforderliche Ölmenge bietet. DerÖlstand kann mittels Ölstandsanzeige kon-trolliert werden.

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FolderCollator Drive

Special design for continuous operation

In folders there is a number of applicationsfor high reduction ratio gears which involvehigh continuous input speeds to the gear. Inthis case it is important to make appropriatedesign modifications with respect to sealingand lubrication for high duty cycle operation.This design example shows a speciallymodified HFUC-2UJ unit with input shaft.This gear is used to drive the collator. This application is associated with highinput speeds and the gear therefore fea-tures oil lubrication. In continuous duty it isimportant that the temperature of the oildoes not exceed permissible values and forthis reason the quantity of oil may need tobe increased. In this example the housingon the input side of the gear is modified toprovide additional space to hold the requi-red oil volume. The oil level can be control-led using an oil level indicator.


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FalzapparatLinearantrieb fürZugwalzenverstellung

Sonderantrieb

Neben den verschiedenen Differentialantrie-ben sind auch zunehmend Sonderantriebefür Positionieraufgaben im Druckmaschinen-bereich gefragt. Der HDPL-Linearantrieb dient hier beispiels-weise zur Verstellung von Zugwalzen ineinem Falzapparat. Der Antrieb drückt die Walzen mit einergenau definierten Druckkraft zusammen.Eine der Zugwalzen ist fixiert, während dieandere mit Hilfe eines Schwenkarms radialzugestellt werden kann.Bei der bisherigen Lösung wurden die Wal-zen über einen Pneumatikzylinder zusam-mengedrückt. Dabei erwies es sich jedochals sehr schwierig, den Anpressdruck exaktzu kontrollieren. Der HDPL-Linearantrieb istein elektro-mechanisches Stellelement undbietet eine wesentlich sensiblere Kontrolledes Anpressdruckes.

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FolderLinear Actuator for Drive RollAdjustment

Special actuator

In addition to differential applications inprinting machines there is also an increas-ing number of applications for specialactuators used for positioning purposes.This design example shows how an HDPLLinear Actuator is used for the adjustmentof the drive rolls in a folder. The actuator is used to press the drive rollstogether with an accurately defined pressure.One drive roll is fixed, while the other canmove radially by means of a hinged arm.The linear actuator is connected to the arm. The previous design incorporated a pneu-matic cylinder to press the rolls together.This solution was very difficult to control,with the result that the pressure betweenthe rolls could not be defined with sufficientaccuracy. The HDPL is an electro-mechanicalsolution, and can provide much more sensi-tive force control.


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Flexo-DruckmaschineRegisterantrieb

DifferentialgetriebeIntegriertes Abtriebslager

Im allgemeinen besteht ein Differential-antrieb aus einem Hauptantrieb, einem Ver-stellantrieb und einem Abtriebselement. Der Abtrieb kann in Abhängigkeit von derVerstelldrehzahl mit höchster Präzision inGeschwindigkeit oder Phasenlage verändertwerden. Mit seinen drei Grundelementenlässt sich das Harmonic Drive Getriebe idealals Differentialgetriebe einsetzen, wobeigrundsätzlich folgende Getriebeanordnun-gen möglich sind:1. Hauptantrieb über Circular Spline und Ab-

trieb über Flexspline (oder Dynamic Splinebei Verwendung von Flachgetrieben).

2. Antrieb über Flexspline (oder Dynamic Spline) und Abtrieb über Circular Spline.

Die Drehzahlfeinverstellung erfolgt immerüber den Wave Generator. Der wesentlicheUnterschied zwischen diesen beiden An-triebsanordnungen liegt in dem Drehzahl-verhältnis zwischen An- und Abtrieb. Ist derFlexspline das Abtriebselement, dreht derangetriebene Circular Spline in der Regellangsamer, während bei abtreibendem Cir-cular Spline der angetriebene Flexsplineschneller dreht. Der Registerantrieb einer Flexodruckma-schine erfolgt über eine HFUC-2UH Unit.Der im Gehäuse der Unit integrierte CircularSpline wird über einen Zahnriemen ange-trieben. Die Unit ist in der Riemenscheibeuntergebracht. Die Drehzahlfeinverstellungerfolgt über ein Handrad, das über die Ein-gangswelle mit dem Wave Generator ver-bunden ist. Während normalem Betrieb istdas Handrad fixiert. Die Zähnezahl der Rie-menscheibe wurde so berechnet, dass dieinnere Untersetzung des Harmonic Drive Ge-triebes aufgehoben wird.

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Flexo-Printing MachineRegistering Drive

Differential gearIntegrated output bearing

A differential drive, in its most commonform, consists of a constant speed powerinput, a secondary control or trim input andan output. Then the output can be variedprecisely in velocity or phase as a functionof trim input speed or position. The basic three element configurationsmakes Harmonic Drive transmissions idealas a differential. The following arrange-ments are possible:1. Main power input through the Circular

Spline and output through the Flexspline (or Dynamic Spline in the case of flat-type gears).

2. Main power input through the Flexspline (or Dynamic Spline) and output through the Circular Spline.

Secondary or trim input is always throughthe Wave Generator. The difference betweenthese two basic arrangements lies in thespeed relationship between input and out-put. A Flexspline output normally runs at ahigher speed than the Circular Spline input.Conversely, a Circular Spline output normallyruns slower than the Flexspline input. This design example shows how an HFUC-2UH unit can be used in the registeringdrive of a flexo-printing machine. The housingof the unit, which incorporates the CircularSpline, is driven via a toothed belt, and theunit is mounted inside the pulley. The triminput is provided by a hand-wheel connec-ted to the Wave Generator via an inputshaft. During normal operation of themachine the hand-wheel is locked in place.The number of teeth on the pulley iscarefully selected to counteract the internalratio of the Harmonic Drive gear.


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WertpapierdruckmaschinePhasenverstellung

Differentialgetriebe

Mit dem Einsatz von Harmonic Drive Ge-trieben kann eine große Zahl von Differen-tialantriebsordnungen realisiert werden.Bei diesem Anwendungsbeispiel eines mul-tifunktionalen Differentialgetriebes mit Ge-häuse und An- und Abtriebslagerung ist einHarmonic Drive HFUC-Topfgetriebe inte-griert. Der Circular Spline ist ein Teil des freirotierenden Gehäuses. Wie in der Zeichnungdargestellt, ist der Flexspline mit der An-bzw. Abtriebswelle verbunden. Der WaveGenerator ist ebenfalls mit einer Welle gekoppelt, die entweder zur Drehzahlfein-einstellung verwendet oder fixiert werdenkann. Die Art der Nutzung des Wave Gene-rators ist abhängig vom gewünschten Dreh-zahlverhältnis zwischen An- und Abtrieb. Aufgrund der kompakten Bauweise undhohen Drehmomentkapazität ist diesesAntriebskonzept besonders geeignet für diefolgenden Anwendungen:

- Registerverstellung- Drehzahlfeinstregulierung- Verstellantrieb- Antrieb mit zwei Drehzahlbereichen

Durch die hohe Untersetzung zwischen Fein-einstellung und An- bzw. Abtriebswelle kanndie Verstelldrehzahl mit einer relativ kleindimensionierten Einheit geregelt werden, z. B. DC-Motor, Schrittmotor oder ein Hand-rad für besondere Anwendungen. Die in derZeichnung dargestellte Einheit ist ölge-schmiert. Zur Befüllung und zum Ölablasssind Schrauben vorgesehen.

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Bank Note Printing MachinePhase Control Drive

Differential Gear

A great variety of different configurations fordifferential drives are possible when usingHarmonic Drive gears.In this application a HFUC cup-type gear isused as the basis for a multi-functional dif-ferential. The Circular Spline forms part ofthe housing which, when mounted betweenbearings, is free to rotate. The Flexspline isattached to a shaft which can then be usedfor primary power input or power output, asshown in the diagram. The Wave Generatoris also attached to a shaft which can beused as the trim input or which can befixed, dependent on desired speed relation-ship between primary input and output.Due to its compactness and high torquecapacity this design is ideal for the follow-ing applications:

- Register control- Fine speed control- Adjustment drive- Two speed range drive

The high reduction ratio of the HarmonicDrive gear means that a comparatively smallmotor, or in some applications a hand-wheel, can be used to provide the triminput for speed adjustment. For the particular version shown in the dia-gram oil lubrication is used, hence the pro-vision of oil inlet and output ports.


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27Bogenoffset-DruckmaschineVerstellung mit Kraftregelung für Farbauftragswalze

Mechatronische SystemlösungIntegrierte Kraftmessung

Zur Regulierung des Farbtransportes ist derAbstand zwischen Farbauftragswalze undRasterwalze verstellbar. Bei der neuestenMaschinengeneration wird eine zusätzlicheKraftregelung gefordert. Bis jetzt wurdediese Verstellung überwiegend mittels Pneu-matik realisiert. Pneumatik jedoch erlaubtkeine feinfühlige Regelung und ist auch eineder teuersten Energiequellen. Aus diesemGrund sind elektromechanische Lösungen imVormarsch. In diesem innovativen Lösungs-beispiel erfolgt die Walzenverstellung mittelszwei exzentrisch angeordneten Getriebe-Motoreinheiten. Feinfühlige und hochgenauelineare Bewegungen in zwei Dimensionenwerden durch die synchronisierte Bewegungder beiden Antriebe realisiert. Die Antriebebestehen jeweils aus einer HFUS-2SO Unit,angetrieben durch einen Schrittmotor mitEncoderüberwachung. Die exzellente Positio-niergenauigkeit des Harmonic Drive Getrie-bes ermöglicht eine hohe Wiederholgenauig-keit von mehr als 0,02 mm bei Kräften biszu 500 N. Die robuste Lagerung kann einehohe Stoßbelastung verkraften und einehohe Schutzklasse gibt eine sichere und ein-fache Abdichtung gegenüber schwierigenUmgebungsbedingungen, bei denen Ver-schmutzung durch Öl, Farbe, Reinigungsmit-tel usw. gegeben ist.Eine Erfassung der Kontaktkräfte mit denbenachbarten Walzen wird in dieser Anwen-dung zunehmend gefordert. Daher wurde,speziell für diese Anwendung, ein 2-AchsKraftsensor in Form eines Speichenradeskonzipiert, der im Antriebspaket integriertist. Dieses Prinzip ist auch übertragbar aufz. B. die Verstellung von Tänzerwalzen fürdie Bahnspannungsregelung.


Sheet-fed Printing MachineInking Cylinder Adjustment with Force Feedback

Mechatronic system solution Integrated force measurement

The distance between the inking cylinderand the roller cylinder can be adjusted inorder to regulate the colour transport. Thelatest machine generation requires forcecontrol. Previous designs often incorporateda pneumatic cylinder to press the rollstogether. This solution, however, does notallow sensitive control and pneumaticsystems rely on an expensive source of ener-gy. For this reason solutions based on elec-tromechanical actuation are the ideal alter-native to pneumatic systems.In this innovative design the cylinder adjust-ment is carried out by means of two eccen-trically arranged units consisting of gear andmotor. Sensitive and extremely precise linearmotion in two dimensions is performedusing the synchronized movement of bothactuators. Each actuator consists of a HFUS-2SO unit combined with a stepping motorincluding encoder. The excellent positioningaccuracy of the Harmonic Drive gear enablesa high repeatability of better than 0.02 mmfor forces of up to 500 N when the inkingcylinder is positioned. Due to the robustbearing the actuator provides a high shockcapacity and the high protection class offersa safe and simple sealing against contamina-tion due to oil, colour, cleansing agents etc.

The described application necessitates themeasurement of the contact forces occuringbetween the adjacent rolls. Especially for thisapplication a 2-axis force sensor – designedin the form of a spoked wheel – has beendeveloped and integrated into the actuatorsystem. This principle can be easily transfer-red to similar applications, e.g. the adjust-ment of the dancing roller for the control ofthe web tension.


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KristallziehanlageSchleich-Eilgang-Antrieb

SonderantriebSchleich-Eilgang-Antrieb

Die neueste Generation der 300 mm Sili-zium-Wafer stellt besondere Ansprüche anKristallziehanlagen. Für die Wafer werdenzunächst Einkristalle von 300 mm Durch-messer gezogen. Hierbei wird ein ausge-wählter Impfkristall vorsichtig mit derSchmelzoberfläche hochreinen Siliziums inBerührung gebracht und langsam kontrol-liert herausgezogen. An den Rändern desKristalls wächst eine monokristalline Struk-tur heran. Die Gleichförmigkeit des Lauf-verhaltens ist dabei entscheidend für dieGüte des Einkristalls. Der Impfkristall wirdmit einer Geschwindigkeit von wenigen Zen-timetern pro Stunde aus dem geschmolze-nen Silizium herausgezogen. Die Dreh-bewegung des Tiegels wie auch die desKristalls wird mit einem Schleich-Eilgang-Antrieb realisiert. Im Schleichgang währenddes Ziehvorgangs wird mit einer Gesamtun-tersetzung von 5.000:1 die extrem langsa-me Geschwindigkeit für das kontrollierteKristallwachstum erreicht. Der Antrieb be-steht aus einem FHA-Hohlwellenantrieb undeiner HDGM-Präzisionsgetriebebox. Dieinnovative Kombination aus Bremse undKupplung ermöglicht es, während der Ein-richtung der Maschine das Getriebe im Eil-gang mit einer Gesamtuntersetzung von50:1 zu betreiben. Der Circular Spline derHDGM-Getriebebox ist nicht fixiert, sondernrotiert innerhalb des Gehäuses. Im Eilgangwerden Circular Spline und Wave Generatorgekoppelt und drehen mit der Abtriebs-drehzahl des FHA-Antriebs. Im Schleichgangist der Circular Spline fixiert und der WaveGenerator wird vom Abtrieb des FHA-Antriebs angetrieben. Dabei werden dieUntersetzungsverhältnisse des FHA-Antriebsund der HDGM-Getriebebox multipliziert.

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Semiconductor ManufacturingEquipment

Halbleiterfertigung

Crystal Pulling MachineTwo-speed Range Actuator

Special actuatorTwo-speed range actuator

For the latest generation of 300 mm siliconwafers, special demands are made of themachines used to grow the silicon mono-crystals from which the wafers are ultimatelyproduced. A seed crystal is carefully broughtinto contact with the surface of the moltensilicon, and then carefully withdrawn, themono-crystal growing as a result. The smooth running of the actuators usedto provide this movement is essential to thequality of the crystal and hence the quality ofthe wafer. The seed crystal is drawn out of the moltensilicon with a speed of a few centimetresper hour. Special two-speed range actuatorsare used for both the rotational movementof the crucible containing the molten siliconas well as the linear movement of the seedcrystal. During creep-feed operation duringcrystal growth, the extremely slow speed isachieved by a total reduction ratio of 5,000:1.This is provided by an FHA hollow-shaftactuator combined with an HDGM precisiongearbox. The innovative combination ofbrake and clutch makes it possible to oper-ate the actuator in rapid feed with a ratio of50:1 during the machine set-up.As can be seen from the diagram, the Cir-cular Spline of the HDGM is not fixed, butrather can rotate within the housing. Inrapid-feed mode the Circular Spline andWave Generator of the HDGM are clampedtogether and rotate with the output speedof the FHA actuator. In creep-feed mode theCircular Spline is fixed and the Wave Gene-rator is driven by the output of the FHAactuator. In this mode both gear reductionratios are multiplied together.


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Halbleiterfertigung

Coating MachineRotary Table Drive


Due to the smooth running characteristicsand compact design CHA hollow-shaftactuators are used in a wide variety ofmachines applied in the manufacturing ofsemi-conductors. This design example showshow the CHA actuator is used to drive arotary table in a coating machine that applies a thin coating to the surface of silic-on wafers. An interesting feature of thisdesign is the way in which various servicesare passed through the central hollow shaftof the actuator by means of a rotary feed-through.At the output side of the actuator ferro-flui-dic couplings are used to separate the vacu-um chamber, in which the coating processtakes place, from the normal environment.

BeschichtungsmaschineDrehtisch-Antrieb

Hohlwellenantrieb

Die ruhigen Laufcharakteristiken und diekompakte Bauform machen den CHA-Hohl-wellenantrieb zur idealen Lösung in zahlrei-chen Maschinen zur Herstellung von Halb-leitern. Der CHA-Antrieb treibt den Drehtischeiner Beschichtungsmaschine an, mit dereine dünne Schicht auf die Oberfläche vonSilizium-Wafern aufgetragen wird. Auffallendan dieser Bauweise ist die Methode, mit derdie verschiedenen Versorgungsleitungendurch die Hohlwelle des Antriebs mittelseiner Drehdurchführung gelenkt werden. Die Abtriebsseite des Antriebs ist mit ferro-fluidischen Kupplungen versehen, um dieVakuumkammer, in welcher der Beschichtungs-prozess stattfindet, von der normalen Um-gebung abzuschirmen.


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Halbleiterfertigung

Wafer-handling RobotPrimary Axes

Hollow-shaft actuatorSteel belt driveClean-room specification

The novel aspect of this design example isthat the CHA hollow-shaft actuators used asprimary axis drives are built into the base ofthe robot. The first axis, which drives theupper arm segment, is driven by the upperhollow-shaft actuator. The high capacityoutput bearing of this actuator can supportthe whole weight of the robot arm. Thesecond axis is driven by the lower actuatorvia a shaft passing through the hollow shaftof the upper actuator. This is connected tothe elbow joint by means of a pretensionedsteel belt. The advantage of this solution lies in thefact that by integrating both actuators inthe robot base, the mass of the arm itself isreduced, so enhancing the dynamic perfor-mance of the robot. The cables are led inside the robot arm,which allows application of the wholesystem under clean-room conditions. Therotational hand axis is driven by a PMAseries mini servo actuator. A further inte-resting feature of this design is the incor-poration of the DC mini servo actuator insi-de the elbow joint of the arm.

Wafer-Handling-RoboterPrimärachsen

HohlwellenantriebStahlbandantriebReinraum-Spezifikation

Die Besonderheit dieses Anwendungs-beispieles besteht darin, dass der CHA-Hohlwellenantrieb als Antrieb für die Primär-achse in die Grundachse des Roboters ein-gebaut wurde. Der Antrieb der ersten Achse,d. h. vom oberen Armsegment, erfolgt überden oberen Hohlwellenantrieb. Das hochbelastbare Abtriebslager dieses Antriebeskann das gesamte Gewicht des Roboter-arms aufnehmen. Die zweite Achse wirdvom unteren Antrieb über eine Welle, diedurch die Hohlwelle des oberen Antriebsgeführt wird, angetrieben. Die Verbindungzum Knickarmgelenk wird durch ein vorge-spanntes Stahlband hergestellt. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dassdurch Integration beider Antriebe in dieGrundachse des Roboters die Masse desArms reduziert und die Dynamik des Ro-boters erhöht wird. Die Kabel werden in den Roboterarm gelei-tet, wodurch sich das gesamte System auchfür den Einsatz in Reinraumumgebung eig-net. Als Antrieb für die rotierende Hand-achse wird ein PMA Mini-Servoantrieb ein-gesetzt. Erwähnt werden sollte auch derEinbau des DC Mini-Servoantriebs im Knick-armgelenk des Roboterarms.


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Halbleiterfertigung

Wafer-loading RobotPrimary Axes

Hollow shaftClean-room specification

This design example shows another methodof integrating the motors for the primaryaxes of a wafer-loading device within thebase of the robot. The shoulder joint fea-tures an CPU-H unit with hollow-input shaft. This has a special design, with involute gearteeth machined directly into the shaft. Thisenables this gear to be driven via a spurgear stage. The elbow joint features an CPU-S unit withsolid input shaft. This gear is driven via atoothed belt. The motor for this joint is alsomounted in the base of the robot. The driveis transmitted through the shoulder axisgear by means of a shaft, which passesthrough the hollow shaft of the CPU-H unit.The weight of the robot arm is supported bythe stiff cross roller bearings of both units. This solution has the benefit of reducing themass of the arm by bringing the motor forthe elbow joint within the base of the robot.

Wafer-Handling-RoboterPrimärachsen

HohlwelleReinraum-Spezifikation

Es wird ein weiteres Beispiel dargestellt, wiedie Antriebsmotoren der beiden Grund-achsen einer Wafer-Handlingseinheit in dasGrundgehäuse integriert werden. Im Schul-tergelenk befindet sich eine CPU-H Unit mitantriebsseitiger Hohlwelle.In die Hohlwelle ist eine Evolventenverzahnungeingearbeitet. Dadurch kann das Getriebeüber eine Stirnradstufe angetrieben werden. Im Ellbogengelenk ist eine CPU-S Unit mitVollwelle integriert. Hier erfolgt der Antriebüber einen Zahnriemen. Der Motor für die-ses Gelenk wurde ebenfalls in der Grund-achse des Roboters montiert. Aufgrund derhohen Steifigkeit können die Kreuzrollen-lager beider Units das Gewicht des Robotersaufnehmen. Der Vorteil dieser Antriebsanordnung liegtdarin, dass die bewegten Massen im Robo-terarm erheblich reduziert werden, weil derMotor des Ellbogengelenkes in der Grund-achse des Roboters untergebracht werdenkann.


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Bearbeitungszentrum2-Achs-Fräskopf

HohlwellenantriebVerlängerte Hohlwelle

Die hohe Drehmomentkapazität, kompakteBauform und hohe Genauigkeit der CHA-Hohlwellenantriebe sind die wesentlichenGründe für den Einsatz dieser Antriebe inHolz-und Kunststoffbearbeitungsmaschinen,z. B. im 2-Achs-Fräskopf eines 5-Achs-Bear-beitungszentrums. Die CHA-Antriebe werdenfür beide Drehachsen benutzt. Die Hochfre-quenz-Spindel ist direkt mit dem Abtriebs-flansch des Antriebs der fünften Achse ver-bunden.Insgesamt handelt es sich hier um eine sehreinfache, aber elegante Antriebslösung, diedurch die verlängerte Hohlwelle des oberenAntriebs noch weiter vereinfacht wird. Dadie Hohlwelle mit dem Abtriebsflansch ver-bunden ist, kann sie zum Betätigen desEnd- und Referenzschalters benutzt werden.Dadurch verringert sich der Verkabelungs-aufwand und die Schalter werden gegenBeschädigung geschützt. Das mit dieserAntriebslösung erzielte geringe Gewicht desFräskopfes bringt weitere Vorteile für dieHochgeschwindigkeits-Bearbeitung, bei derdie Geschwindigkeit und Beschleunigungder drei Linearachsen sehr hoch sind unddie bewegten Massen auf ein Minimumreduziert werden müssen.

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Woodworking MachinesHolzbearbeitungmaschinen

Machining CentreTwo-axis Milling Head

Hollow-shaft actuatorExtended hollow shaft

High torque capacity, compact design andhigh accuracy make CHA hollow-shaft actu-ators ideal for use in machines for machi-ning of wood or plastic. This design exam-ple shows a two-axis milling head from a 5-axis machining centre. CHA actuators areused for both rotational axes. The high-fre-quency spindle is connected directly to theoutput flange of the 5th axis actuator. Thecables from the spindle pass through thehollow shaft of the actuator.This is a very simple and elegant designwhich is made even easier by a specialelongated hollow shaft of the upper actu-ator. The hollow shaft is connected to theoutput flange and can therefore be used toactuate the limit and reference switches.This means a reduced effort for wiring andit also protects the switches from damage.Importantly, the complete head is very light,which is an essential feature for high-speedmachining, where the velocity and accelera-tion of the three linear axes are very highand moving masses must be kept to aminimum.


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BearbeitungszentrumSägeaggregat

Hohlwellenantrieb

In diesem Beispiel wird eine weitere Mög-lichkeit zur konstruktiven Einbindung einesCHA-Hohlwellenantriebes vorgestellt. Hierbeihandelt es sich um ein Sägeaggregat einerHolzbearbeitungsmaschine, das über denHohlwellenantrieb angetrieben wird. Dieursprüngliche Lösung beruhte auf einemSchneckengetriebe, wobei der Motor derHauptspindel mit dem Abtrieb desSchneckengetriebes verbunden und dasSägeblatt direkt an den Motor der Haupt-spindel angeschlossen war. Diese Antriebs-anordnung brachte jedoch gewisse Pro-bleme mit sich. Zum einen konnte der gesamte Arbeitsraum der Maschine nichtbenutzt werden, da der Spindelmotor Platzzum Drehen benötigt. Zum anderen wurdedie Dynamik der Achse begrenzt, weil derSpindelmotor geschwenkt werden musste. Bei der neuen Konstruktion dagegen wirddie Verbindung zwischen Spindelmotor undSägeblatt über den CHA-Hohlwellenantriebhergestellt. Der Spindelmotor ist festste-hend und an das Gehäuse montiert, wel-ches den CHA-Antrieb umschließt. DasSägeblatt ist mit einer Kegelradgetriebeboxverbunden und nur diese wird geschwenkt.Ein weiterer Vorteil ist die deutliche Ver-größerung des Arbeitsraumes aufgrund derwesentlich geringeren Abmessungen desneuen Aggregats.

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Machining CentreSawing Attachment


This design example shows another use forthe hollow shaft of an CHA actuator. In thiscase the actuator is used to rotate thesawing attachment of a woodworking ma-chine. The previous solution featured aworm gear and the main spindle motor wasattached to the output of the worm gearand the saw blade was connected directlyto the main spindle motor. This solutionwas problematic for a number of reasons.First, the complete machining area of themachine could not be used, because roomhad to be left to allow the spindle motor tobe rotated. Secondly, the dynamic perfor-mance of the axis was limited because thespindle motor had to be rotated with thesaw blade.The new design uses the hollow shaft of theCHA actuator to connect the main spindlemotor to the saw blade. The spindle motoris now static, mounted on a housing enclo-sing the CHA actuator. The saw blade isconnected to a bevel gearbox and only thismust be rotated so improving the dynamicperformance. Furthermore, the availableworking area of the machine is much in-creased, because the „footprint“ of the newdesign is much smaller.

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BearbeitungszentrumC-Achse für Hochleistungs-Fräskopf

Spezielles KreuzrollenlagerHohlwelle

Im Bereich von Holzbearbeitungsmaschinenzeichnet sich ebenfalls ein Trend ab zu 5-Achs-Maschinen zum Freiform-Bearbeitenvon komplexen Werkstücken oder die Kom-plettbearbeitung von großen Werkstücken,wie z. B. Klavier-Rahmen. Diese Maschinensind oftmals mit leistungsstarken Frässpin-deln ausgestattet und üblicherweise gibt eseinen großen Abstand zwischen Werkzeug-spitze und der Lagerung der C-Achse desFräskopfes. Daraus ergeben sich häufiggroße Kippmomente, die auf die Lagerungder Getriebe-Unit oder den Antrieb der C-Achse wirken. Wenn die erwarteten Kippmomente dieKapazität einer Harmonic Drive Unit bzw.eines Antriebs in Standardausführung über-treffen, kann ein Lager mit entsprechendhöherer Kapazität verwendet werden.Wie aus der Zeichnung deutlich wird, ver-fügt der HFUS Einbausatz über eine großeHohlwelle, die durch eine vorgespannteKugellageranordnung gestützt wird. DieseLagerung kann die radialen Kräfte des Zahn-riementriebes stützen, der üblicherweisedazu genutzt wird, um die Hohlwelle (dieals Antriebswelle fungiert) mit dem Motor zuverbinden. Bei dieser kundenspezifischenUnit haben die Dichtungen eine spezielleAnordnung. Das groß dimensionierte Kreuz-rollenlager sorgt für eine hohe axiale undradiale Führungsgenauigkeit sowie sehrhohe Kippsteifigkeit. Der innere Ring desKreuzrollenlagers verbindet die Unit mit derLast (in diesem Fall bildet der Circular Spli-ne das Abtriebselement) und der äußereRing verbindet die Unit mit dem Maschinen-gehäuse (der Flexspline ist dabei das fest-stehende Element des Getriebes).

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Machining CentreC-Axis for Heavy Duty Milling Head

Special cross-roller bearingHollow shaft

In the field of woodworking machines thereis also a trend to 5-axis machines for themachining of complex workpieces with free-form surfaces or for the complete machiningof large workpieces, for example the framesof pianos. These machines are often equip-ped with powerful milling spindles and typi-cally there is a large distance between thetool tip and the bearing support of the C-axis of the milling head. This results in largetilting moments acting at the bearings ofthe unit or actuator driving the C-axis. If the expected tilting moments exceed thecapacity of standard Harmonic Drive unitsor actuators then it is possible to adapt alarger capacity bearing. As can be seen from the drawing the HFUScomponent set features a large diameterhollow shaft supported by a pre-loaded ballbearing arrangement. These bearings cansupport the radial forces from the toothedbelt drive, that is typically used to connectthe hollow shaft (which acts as input-shaft)to the motor. This customized unit also fea-tures a special sealing arrangement. Thelarge diameter cross-roller bearing providesboth very low axial and radial run-out, aswell as a very high tilting stiffness. Theinner ring of the cross-roller bearing is usedto connect the unit to the load (in this casethe Circular Spline is the output element)and the outer ring is used to connect theUnit to the machine housing (the Flexsplineis, in this case, the fixed element of thegear).


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BearbeitungszentrumTellermagazin

Hohe Drehmomentkapazität für DynamikKompaktheit

Werkzeugmagazine stellen mittlerweile eineStandardbaugruppe bei Bearbeitungszen-tren und Fräsmaschinen dar. Es gibt ver-schiedene Konzepte, aber das Tellermagazinist die bevorzugte Lösung für Maschinen mitbis zu 32 Werkzeugen. Für eine höhereWerkzeugzahl wird häufig ein Kettenmaga-zin eingesetzt. Die Massenträgheit des Tel-lers und der darauf getragenen Werkzeugeist oft sehr hoch und kann, abhängig vonder aktuellen Bestückung, stark variieren.Die schnellen Taktzeiten und veränderbarenLastträgheiten erfordern Servoantriebe miteiner hohen Untersetzung und einer hohenDrehmomentkapazität. Dies ist daher eineideale Anwendung für den kompakten FFAServoantrieb.Die kleinen Abmessungen der FFA Servoan-triebe sind besonders wichtig in Anbetrachtder aktuellen Nachfrage nach sehr kompak-ten Maschinenkonstruktionen. Die hoheDrehmomentkapazität ermöglicht ein hoch-dynamisches Takten und die hohe Getriebe-untersetzung führt dazu, dass die dynami-sche Leistung des Tellermagazins vomMassenträgheitsmoment unabhängig wird.Die hohe Verdrehsteifigkeit des HarmonicDrive Getriebes bewirkt, dass keine weitereIndexiervorrichtung benötigt wird, um denTeller während des Werkzeugwechselvor-gangs zu halten. Der Servoantrieb kann miteinem Multiturngeber ausgestattet werden,so dass auf Referenz- und Endschalter ver-zichtet werden kann. UnterschiedlicheGebervarianten bieten Kompatibilität mitallen gängigen CNC-Steuerungen.

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Machining CentreDisc-type Tool Magazine

High torque capacity for fast accelerationCompact design

Tool magazines are now a standard featureon machining centres and milling machines.There is a variety of different types of toolmagazine, but the disc-type magazine is thepreferred solution for machines requiring upto 32 tools. For a larger number of tools achain-type magazine is most commonly fea-tured. The inertia of the magazine disc andthe tools carried is often very high and alsocan vary considerably, dependent on thenumber of tools in the magazine at any onetime. The fast indexing time required andvariable load inertia necessitate compacthigh reduction ratio actuators with a hightorque capacity. This is therefore an idealapplication for the FFA compact servoactuator. The small dimensions of the FFA actuatorare particularly important, given the currenttrend to more compact machine design. Thehigh torque capacity allows very fast inde-xing and the high gear ratio means that thedynamic performance of the actuator is lar-gely independent of the load inertia. Thehigh torsional stiffness of the HarmonicDrive gear means that no extra indexingarrangement is necessary to hold the maga-zine disc when the spindle collects the tool.The actuator can be supplied with a multi-turn encoder, which avoids the need forreference or limit switches. Different enco-der variants ensure compatibility with allpopular CNC control systems.


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Sonder-MessmaschineZweistufiger Sonder-Drehantrieb

Kombination von HPG und HFUCErweiterter Temperaturbereich

Drehantriebe mit sehr kleinen Abtriebsdreh-zahlen bei hohen Momenten erfordern hoch-untersetzende Getriebe bei kleinstem Bau-raum. Das Beispiel zeigt einenSchwenkantrieb zum Betrieb in einem Tem-peraturbereich von –30 ° bis +50 °C.Die Kombination aus HFUC Einbausatz (i =160) und HPG Harmonic Planetengetriebe (i= 9) realisiert eine Untersetzung von 1.440in zwei Stufen bei kompakten Abmessungen.Aufgrund des zur Verfügung stehenden Bau-raums wurde das HPG Getriebe mit einemSondergehäuse zur direkten Einbindung indie Umgebungsstruktur versehen. Der 24 VDC Motor ist über einen einteiligen, baurau-moptimierten Flansch an das Planetengetrie-be angebunden. Der Wave Generator desHFUC Einbausatzes ist exakt an die Form desPlanetengetriebes angepasst. Die Anbindungerfolgt über die vorhandene Flanschver-schraubung, zentriert wird der WG über dievorhandene Zentrierung im Abtriebslager desPlanetengetriebes. Beim Betrieb des Getrie-bes entstehende Axialkräfte am Wave Gene-rator werden durch das Abtriebslager desHPG aufgenommen. Über den HFUC Einbau-satz wird die zweite Stufe der Untersetzungrealisiert, wobei der Circular Spline fixiert undder Flexspline als Abtrieb eingesetzt wird. DieAnbindung an die externe Abriebslagerungerfolgt über einen am Flexpline montiertenFlansch.

Die Anwendung erfordert einen erweitertenTemperaturbereich von –30 °C bis +50 °C. ZurSicherstellung eines störungsfreien Betriebsist sowohl das HPG Getriebe als auch derHFUC Einbausatz mit einer Sonderschmie-rung aus synthetischem Fett ausgeführt.

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Measuring and TestingMachines

Mess- und Prüfmaschinen

Special Measuring MachineDouble Reduction Stage Actuator

Combination of a HPG and HFUCExtended temperature range

Rotational actuators working with very lowoutput speeds and high moments of inertiarequire gears with a very high reduction ratioand a small envelope. This example shows atilting actuator which is operated in tempe-ratures ranging from –30 ° to +50 °C.The combination of a HFUC gear componentset (i = 160) and a HPG Harmonic PlanetaryGear (i = 9) provides a reduction ratio of1.440 in two stages with very compactdimensions. Due to the limited space avai-lable the HPG planetary gear is equippedwith a special housing to allow direct inte-gration into the surrounding structure. The24 V DC motor is connected to the plane-tary gear using a one-piece flange with opti-mised dimensions. The form of the WaveGenerator of the HFUC component set isidentical to the form of the planetary gear.The connection is realised through the exi-sting screw connection of the flange. TheWave Generator is centered by means of theexisting centering of the output bearing ofthe planetary gear. Axial forces acting at theWave Generator during operation are com-pensated by the output bearing of the HPG.The HFUC component set is used as thesecond stage of the gear reduction. In thiscase, the Circular Spline is fixed and theFlexspline acts as output element. Theconnection to the external output bearing isprovided by means of a flange mounted tothe Flexspline. This application demands an extended tem-perature range of –30 °C to +50 °C. In orderto ensure a trouble-free operation both HPGplanetary gear as well as the HFUC compo-nent set are supplied with a special synthe-tic grease lubrication.


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Optical Measuring MachineIndexing Table

Precision output bearingSpecial Wave Generator

An innovative method for the quality controlof rotatio-symmetrical parts is now availablein the form of non-contacting measurementmachines. The optical measuring systemused in these machines scans the profile ofthe specimen without the need for a probethat contacts the surface of the part. Thisprocedure can be used for very fast andaccurate measurement of shaft-type compo-nents. The specimen is placed on an index-ing table, which rotates the part during themeasurement cycle. This indexing tableincorporates a CPU-M unit. This unit must provide a combination ofhigh transmission accuracy and high bear-ing accuracy. The IH-tooth profile ensuresthat the gear provides smooth, highly accu-rate positioning, while the cross-roller out-put bearing provides excellent geometrictolerances. It is essential that the bearingexhibits low run-out as well as high accu-racy with respect to parallelism and con-centricity, to avoid errors influencing themeasurement results. The gear is driven by a stepping motor andit is important to note that in this case theWave Generator does not include an Old-ham coupling.

Optische MessmaschineIndextisch

Präzisions-AbtriebslagerWave Generator Sonderausführung

Mit der Einführung von kontaktlosen Mess-maschinen für die Qualitätssicherung vonrotationssymmetrischen Teilen hat sich eineneue Maschinengeneration etabliert. Das indiesen Messmaschinen eingesetzte optischeMesssystem tastet das Profil des Prüflingsab und verzichtet dabei auf den Einsatzeines Fühlers, der die Oberfläche des Teilsberührt. Dieses Verfahren wird zum schnel-len und präzisen Messen von wellenartigenKomponenten angewandt. Der Prüfling wirdauf dem Drehtisch platziert, der das zu mes-sende Teil während des Messzyklussesdreht. In diesem Drehtisch ist eine CPU-MUnit integriert, die eine hohe Übertragungs-genauigkeit und eine präzise Lagerung auf-weisen muss. Die IH-Verzahnung sorgtdafür, dass das Getriebe die erforderlichePräzision beim Positionieren hat. Das Kreuzrollen-Abtriebslager garantiert ex-zellente geometrische Toleranzen. Dabei istes entscheidend, dass das Lager geringeRundlauffehler sowie hohe Präzision im Hin-blick auf Parallelität und Koaxialität aufweist,um Fehler zu vermeiden, die das Mess-ergebnis beeinträchtigen können.Der Antrieb des Getriebes erfolgt über einenSchrittmotor. Dies erfordert den Verzicht aufdie Oldham Kupplung im Wave Generator.


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Universal-PrüfmaschineTorsionsachse

Vorgespannte Abtriebslager

Die Material- bzw. Bauteilprüfung ist in vie-len Industriebetrieben ein unverzichtbarerBestandteil der Produktentwicklung undQualitätssicherung. Zur Prüfung von unter-schiedlichsten Materialien werden Universal-Prüfmaschinen eingesetzt. Die Werkstoffewerden auf Zug, Druck, Biegung und Hyste-rese bei kontinuierlicher, ruhender undschwellender Beanspruchung geprüft. DasVerhalten des Materials wird in jeder Phaseder Beanspruchung gemessen und regi-striert. Eine Anwendung für den HFUC-Einbausatzin Universal-Prüfmaschinen ist der Torsions-antrieb zur Beobachtung des Torsionsver-haltens von Werkstoffen. Dabei sind insbe-sondere hohe Steifigkeit, hohe Untersetzungund vor allem Spielfreiheit gefordert, um ab-solut verlässliche Daten zu ermitteln. Durch die hohe Untersetzung und hervorra-gende Übertragungsgenauigkeit des Har-monic Drive Getriebes wird am Abtrieb einelangsame und gleichförmige Drehung derPrüflingsaufnahme auch bei hohen Dreh-momenten gewährleistet. Der Einbausatz istin ein Gehäuse integriert und wird voneinem AC-Servomotor angetrieben. DieAbtriebswelle wird durch vorgespannteKegelrollenlager gestützt.

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Universal Testing MachineTorsion Axis

Pre-loaded output bearings

In many industrial sectors the testing ofmaterials and piece parts is an indispens-able part of product development and qua-lity assurance. Universal testing machinesare used to test specimens in tension, com-pression, bending and hysteresis underconditions of continuous, dead and swellingstrain. The material’s behaviour is measuredand documented at every stage of thestraining process.This design example shows how a HFUCcomponent set has been applied in the tor-sion axis of a universal testing machine.This axis is used to measure the torsionalstiffness of material specimens. In this ap-plication particular importance is attachedto high stiffness, high reduction ratio andabove all, zero backlash. The latter featureis essential to ensure that the measureddata is completely reliable. The high reduc-tion ratio and excellent angular transmis-sion characteristics of the Harmonic Drivegear ensure a slow and even rotation of thespecimen, even under heavy torque loads.The component set is mounted in a housingand is driven by an AC servo motor. Theoutput-shaft is mounted in stiff pre-loadedtaper roller bearings.




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Streicheinheit Linearantrieb

Sonderantrieb

Harmonic Drive Getriebe sind bestens ge-eignet für die Integration in Linearantriebe,die immer dann zum Einsatz kommen, wennhohe Linearkräfte und eine außergewöhn-lich hohe Genauigkeit gefordert sind. Eineinteressante Anwendung ist die Streichein-heit einer Papierveredelungsmaschine. Die Einstellung der Kammleisten zur Schicht-dickenregulierung der Beschichtungsmedien(z. B. Lack) wird hier mittels HDPL Linear-antrieb durchgeführt. Die Aufgabe desLinearantriebs besteht darin, einen optima-len Anpressdruck der Kammleisten zugewährleisten. Die auftretenden Stellkräfte(Zug und Druck) pro Linearantrieb betragenbis zu 10 kN.In der Zeichnung ist die Grundkonstruktiondieses Sonderantriebes dargestellt. DerAntrieb erfolgt über einen Schrittmotor. DieDrehbewegung wird über einen speziell ent-wickelten HDUR Einbausatz an eine Präzi-sionskugelumlaufspindel übertragen. Diesewandelt die Drehbewegung am Getriebeab-trieb in eine präzise Linearbewegung um.Der Stößel ist hierbei in einer spielfrei vor-gespannten Linearführung, einem „ballspli-ne“, gelagert. Das Edelstahlgehäuse sorgtfür zuverlässigen Betrieb auch in feuchtenoder chemisch aggressiven Umgebungen.Das Getriebe ist speziell ausgelegt, umSelbsthemmung zu gewährleisten, so dassein Abschalten des Motors im Stillstandauch unter Belastung möglich ist.

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Paper MachinesPapiermaschinen

Coating UnitLinear Actuator

Special actuator

Harmonic Drive gears can be used to drivelinear actuators for applications demandinghigh linear forces and exceptionally highaccuracy. An interesting application of thistype of actuator is in the coating section ofa paper machine. The HDPL linear actuatoris used to accurately control the thicknessof varnish applied to the surface of thepaper. The actuator positions the coaterblade relative to the paper and so controlsthe coating thickness. The coater blade ispre-loaded and the actuator must applyadjustment forces of up to 10 kN in bothtension and compression.The drawing shows the basic design of thisspecial actuator. The actuator is driven by astepping motor and the motor rotation istransmitted to a precision ballscrew via aspecially developed HDUR component set.The ballscrew converts the rotary motion atthe gear output into a precise linear motionwhich is guided by means of a pre-loadedballspline. The stainless steel housing en-ables reliable operation in humid or chemi-cally corrosive environments. The gear isspecially designed to provide the actuatorwith self-locking characteristics, which allowthe motor to be switched off when theactuator is at a stand-still, even under load.


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Stoffauflauf Ventilantrieb

SonderantriebVentilantrieb

Harmonic Drive Getriebe eignen sich hervor-ragend in HDVA Ventilantrieben, die typi-scherweise zur Einstellung der Spaltbreitean der Stoffauflauflippe einer Papiermaschi-ne eingesetzt werden. Die Ventilverstellungerfolgt über einen Schrittmotor mit Encoder,welcher mit einem HDUC Einbausatz kombi-niert ist. Das Getriebe garantiert Präzisionund Spielfreiheit während der gesamtenLebensdauer des Antriebs. Das aus Edelstahl gefertigte Gehäuse desAntriebs bietet Dichtungseigenschaften ge-mäß Schutzklasse IP65. Da die Abtriebswelle eine besondere Bau-form aufweist, durch welche die Lager umden Flexspline herum angeordnet werden,konnte eine kurze axiale Baulänge realisiertwerden. Der Antrieb verfügt über ein Handrad zurmanuellen Einstellung im Fall eines Strom-ausfalls.

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Paper MachinesPapiermaschinen

HeadboxValve Actuator

Special actuatorValve actuator

Harmonic Drive gears are ideal for use inHDVA valve actuators as typically applied tothe regulation of the pulp consistency in theheadbox of paper machines. The valve ad-justment is effected by a stepping motorwith encoder feedback combined with aHarmonic Drive HDUC component set. Thisgear ensures precise and backlash-freepositioning during the whole operating lifeof the actuator.The housing of the actuator is manufacturedfrom stainless steel and has a special sea-ling arrangement to provide IP 65 protection.In order to achieve a short axial length, theoutput-shaft features a special design withthe support bearings located outside theFlexspline.As shown in the drawing, the actuator fea-tures a handwheel to allow manual adjust-ment in the event of a power failure.


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RöntgenanlageC-Bogenantrieb

BaugruppeIntegriertes Abtriebslager

Im medizinischen Bereich spielt es oftmalseine große Rolle, dass die hochuntersetzen-den Getriebe äußerst geräuscharm arbeiten.Aus diesem Grund werden Harmonic DriveGetriebe in zunehmendem Maße in medizi-nischen Geräten eingesetzt. Im gezeigten Beispiel wurde der C-Bogen-antrieb einer Röntgenanlage mit einerHFUC-2UH unit bestückt. Mit Hilfe des be-weglichen C-Bogens wird die Röntgenquellegenauestens über dem zu untersuchendenKörperbereich positioniert. Das kompletteC-Bogen-Antriebssystem, bestehend ausGrundplatte, DC-Motor, Harmonic Drive Prä-zisionsgetriebe und Absolutmesssystemwurde gemeinsam mit dem Kunden konzi-piert und entwickelt. Besonderes Augenmerk bei dieser Kon-struktion sollte auf die Eingangswelle ge-lenkt werden, die durch das Flanschlagerder Unit geführt wird. Der Flansch ist in die-sem Fall fixiert und das Gehäuse der Unit,welches den Circular Spline beherbergt,wird als Abtriebslement genutzt. Eine weiteres interessantes Merkmal ist dieVerwendung einer Bremse, die an der erwei-terten Eingangswelle befestigt ist. Diesewurde aus Sicherheitsgründen installiert,um die Eingangswelle zu halten, selbstwenn der Riemen zwischen Motor und Ein-gangswelle ausfallen sollte.

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Medical EquipmentMedizintechnik

X-Ray MachineC-Beam Drive

Sub-assemblyIntegrated output bearing

In medical equipment it is often essentialthat high reduction ratio gears are particu-larly quiet in operation. For this reason Har-monic Drive gears are applied in an increa-sing range of medical devices. This design example shows how an HFUC-2UH unit is used to drive the C-beam of anX-ray machine. The moveable C-beam isused to position the X-ray source preciselyabove the body of the patient. In this casethe complete C-beam sub-assembly, compri-sing the housing, DC servo motor, HarmonicDrive precision gear and absolute measu-ring system was designed and developed inclose cooperation with the customer. A particularly interesting design feature isthe use of an input shaft that passesthrough the flange bearing of the unit. Inthis application the flange is fixed and thehousing of the unit, which incorporates theCircular Spline, is used as the rotating out-put element. A further feature is the use of a brake atta-ched to the extended input shaft. This isused for safety reasons to hold the input tothe gear, should the belt between motorand input shaft fail.


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Stereotaktischer ManipulatorDrehachse

Präzisions-AbtriebslagerHohlwelle

Im Bereich der Medizintechnik bieten sichviele interessante Anwendungen für HarmonicDrive Produkte an. Eine besonders an-spruchsvolle Anwendung stellen die Dreh-achsen eines stereotaktischen Manipulatorsin der Gehirnchirurgie dar. Der Manipulatorbesteht aus einem sechsachsigen Roboter-arm, der als Stütze für das Operationsmi-kroskop des Chirurgen dient. Während derOperation sieht der Operateur im Mikroskopsowohl das aktuelle Bild wie auch dieDateneinspielung des zuvor berechnetenOperationsverlaufs. CPU-Units steuern alle sechs Achsen. DieseKonstruktion zeigt eine spezielle Hohlwel-lenausführung. Eine Welle, die mit demAbtriebsflansch verbunden ist, wird durchdie Unit hindurch an einen hochauflösendenEncoder geführt. Dieses direkte Abtriebs-Messsystem wird aus Gründen der Sicher-heit eingesetzt. Der Antrieb des Wave Gene-rators erfolgt über einen Zahnriemen. DerMotor ist parallel zur Getriebebox angeord-net. Das Grundkonzept dieser Antriebslö-sung ist auch auf andere Anwendungsberei-che übertragbar. In Präzisions-Werkzeugmaschinen oderMessmaschinen, bei denen eine außerge-wöhnlich hohe absolute Positioniergenauig-keit erforderlich ist, wird ebenfalls diese Artder Rückmeldung verwendet.

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Medical EquipmentMedizintechnik

Stereotactic Manipulator Rotary Axis

Precision output bearingHollow shaft

Medical equipment is the scene for manyinteresting new applications for HarmonicDrive technology. A particularly demandingapplication is in the rotary axes of a ste-reotactic manipulator used for brain surgery.The manipulator is a six-axis robotic arm thatsupports the operating microscope used bythe surgeon. As the operation progressesthe microscope superimposes computerdata on the actual view of the operatingarea, acting as a „head-up display“ to guidethe surgeon through the operation.Each axis features a CPU unit. This designexample shows a special hollow-shaftdesign. A shaft connected to the outputflange passes back through the unit to ahigh-resolution encoder. This direct outputmeasurement system is used for reasons ofsafety. The Wave Generator is driven via atoothed belt and the motor is mounted inparallel to the gearbox. This basic design isalso used in other application areas, suchas precision machine tools or measuringmachines, where exceptionally high absolu-te positioning accuracy is required.


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SatellitPaddle-Antrieb

Einbausatz in LeichtbauweiseCircular Spline SonderausführungWave Generator SonderausführungSonderausführung für weltraumtaugliche Schmierung

Das Harmonic Drive Getriebe wurde ur-sprünglich für den Einsatz in der Luft- undRaumfahrt entwickelt. Die hohe einstufigeUntersetzung, die kompakte Bauform unddas geringe Gewicht sind ausschlaggebendeVorteile des Harmonic Drive Getriebes fürden Einsatz in zahlreichen Satellitenantrie-ben. In unserem Beispiel wird ein HFUC Ein-bausatz als Paddle-Antrieb eines Satellitenim Bereich der Telekommunikation einge-setzt. Der Einbausatz ist in ein Leichtbau-Gehäuse integriert und wird von einem Bau-satz-Motor angetrieben. Das Getriebeverfügt über einen „Solid“ Wave Generator,und der Flexspline ist mit dem Abtriebs-flansch verbunden, welcher von Dünnring-Kugellagern gestützt wird. Der Circular Spli-ne wurde so verändert, dass ein leichterEinbau in das Gehäuse möglich wurde. Die Hohlwelle wird zur Durchführung vonKabeln vom Paddle genutzt. Im Paddle sindSolarplatten integriert, die zum Laden derBatterie genutzt werden. Der Einbausatz istaus Edelstahl gefertigt und nutzt eine welt-raumtaugliche Fettschmierung.

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AerospaceLuft- und Raumfahrt

SatellitePaddle Drive

Lightweight component setSpecial Circular SplineSpecial Wave GeneratorSpecial design for space lubrication

The Harmonic Drive gear was originallydeveloped for aerospace applications andthis field continues to provide interestingdesign examples. The high single stagereduction ratio, compact design and lowweight all combine to make the HarmonicDrive gear the ideal choice for many satellitedrives. This design example shows a paddledrive for a telecommunication satellite. The actuator comprises a HFUC componentset mounted in a special lightweight hous-ing driven by a frameless motor. The com-ponent set features a special „solid“ WaveGenerator design and the Flexspline isconnected to load via an output flangesupported by thin-raced ball bearings. TheCircular Spline is also modified to simplifythe integration into the housing. The hollow shaft is used for the passage ofcables from the paddle, which incorporatessolar panels and is used to charge the bat-teries of the satellite. The component set ismanufactured from stainless steel and usesspecial space-qualified grease lubrication.


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FlugsimulatorAntrieb für Force-Feedback Anwendungen

Integrierter Drehmomentsensor

In Flugsimulatoren gibt es einen Trend zurVerwendung von elektro-mechanischenAntrieben, um die Steuerung mittels Force-Feedback zu ermöglichen. Diese Art vonAnwendung erfordert üblicherweise einenDrehmomentsensor, um das Drehmoment zuerfassen, das vom Anwender ausgehtund/oder vom Force-Feedback-Antrieberzeugt wird. Bisher mussten Antrieb undDrehmomentsensor stets getrennt von ein-ander montiert werden. Dies erhöht jedochhäufig den Konstruktionsaufwand und kannzudem problematisch sein in Anwendungen,bei denen der verfügbare Bauraum fürAntrieb und Sensor sehr gering ist. Harmo-nic Drive AG hat hier eine ideale Lösunggefunden. In diesem Konstruktionsbeispiel wird einCHA-TS Hohlwellenantrieb mit integriertemDrehmomentsensor dargestellt. Der Momen-tensensor besteht aus einem Speichenradmit mechanischem Überlastschutz. Wird derAntrieb mit einem Drehmoment beauf-schlagt, verformt sich das Speichenrad.Diese Verformung wird mittels Dehnmess-streifen erfasst, um ein Signal zu geben,dass dem vom Sensor vermittelten Drehmo-ment entspricht. Der Sensor befindet sichzwischen Circular Spline und dem Gehäuse.Er misst das Reaktionsdrehmoment am Cir-cular Spline, welches gleich dem Abtriebs-drehmoment des Antriebs entspricht. DerSensor ist mit einer integrierten Elektronikversehen, und der Endanwender wird sichdes Sensors lediglich durch einen zusätzli-chen Stecker im Antriebsgehäuse bewusst.

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Flight SimulatorActuator for Force-Feedback Device

Integrated torque sensor

In the field of flight simulation there is atrend to the use of electro-mechanicalactuators to provide the flight controls withforce feedback. This type of applicationtypically requires a torque sensor to mea-sure the torque imparted by the user and/orgenerated by the force feedback actuator.Until recently the design engineer had tomount the actuator and torque sensor sepa-rately. This often entailed considerabledesign effort and could be problematic inapplications where the available envelopefor the actuator and sensor was small. Har-monic Drive AG has developed a solution tothese problems.This design example features a CHA-TS hol-low-shaft actuator with integrated torquesensor. The torque sensor comprises a spo-ked wheel with integrated mechanical over-load protection. When the actuator genera-tes or is subjected to an external torquethen the spoked wheel deflects in a con-trolled manner. This deflection is then mea-sured by strain gauges to provide a signalwhich corresponds to the torque impartedon the sensor. The sensor is mounted bet-ween the Circular Spline and housing andmeasures the reaction torque at the CircularSpline, which is equal to the output torqueof the actuator.The sensor is equipped with integrated sig-nal conditioning electronics and the useronly “sees” an additional connector at theactuator housing.


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MilitärflugzeugGetriebebox für aktiven Joystick

LeichtbauweiseSpezieller Circular Spline

Die nächste Generation von Flugzeugen fürden militärischen Einsatz werden mit Inzep-toren ausgerüstet, die über aktives Force-Feedback verfügen. Dies erlaubt dem Pilo-ten eine bessere Einschätzung der aktuellenFlugsituation und liefert ihm umgehendeRückmeldungen über den Flugzustand sei-ner Maschine. Im hier gezeigten Beispielhandelt es sich um eine spezielle HFUCGetriebebox, die in den aktiven Steuer-knüppel eines Ultraschall-Kampfjet einge-baut wurde. Die Wahl fiel auf HarmonicDrive Getriebe aufgrund mehrerer Vorteile.Zunächst sind hier die Kompaktheit undhervorragende Fühlcharakteristik aufgrundder Spielfreiheit und des linearen Verhaltensunter Last zu nennen. Des Weiteren erlaubtdie Konstruktion detaillierte Informationenüber die Zuverlässigkeit. Diese Sonderge-triebebox ist komplett aus Edelstahl undanderen korrosisionsbeständigen Werkstof-fen gefertigt, um den hohen Anforderungenin Luft- und Raumfahrt-Anwendungengerecht zu werden. Die speziell modifizierteAbtriebswelle ist mit dem Flexspline kombi-niert, um Gewicht zu verringern und diestrukturelle Integrität zu verbessern. DieAbtriebswelle wird von einem hybriden 4-Punktlager mit Keramikkugeln gestützt. DieZähne des Circular Spline sind direkt in dasGehäuse eingearbeitet, welches wiederumeine sehr dünne Wand aufweist, um Massezu reduzieren. Auch der Wave Generator istin einer besonderen Leichtbauweise ausge-führt, indem das Querschnittsprofil desWave Generator Plugs optimiert wurde undeine Keilwellenverbindung zum Befestigendes Wave Generator an die Motorwelle ver-wendet wird.

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Military AircraftGearbox for Active Joystick

Lightweight designSpecial Circular Spline

The next generation of military aircraft willfeature active pilot inceptors, providing thepilot with force feedback. This provides thepilot with greater situational awareness ofthe current flight conditions of the aircraft,which contributes to improved safety andreduced pilot load.This design example describes a specialHFUC gearbox implemented in the activejoystick of a supersonic fighter aircraft. Har-monic Drive gears are used in this applica-tion as a result of several advantages,which make them the preferred choice forthis application. First, the compactness andexcellent feel quality due to zero backlashand linear behaviour under load are of keyimportance. Secondly, the possibility to pro-vide detailed information on reliability pluslong-term experience with Harmonic Drivegears under harsh environmental conditionswere important for the selection.In this case the special gearbox is manufac-tured entirely from stainless steel and othercorrosion resistant materials to satisfy thedemanding conditions prevalent in aerospa-ce applications. The specially modified out-put shaft is integrated with the Flexspline toreduce weight and improve structural inte-grity. The output shaft is supported by ahybrid 4-point bearing with ceramic balls.The teeth of the Circular Spline are machi-ned directly into the housing, which has athin wall section, in order to reduce mass.The Wave Generator also features a speciallightweight design, with an optimisation ofthe cross-sectional profile of the WaveGenerator plug and the use of a splineconnection to fix the Wave Generator plugto the motor shaft.


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PassagierflugzeugGetriebebox für Trolley Lift

Spezieller Circular SplineSpezieller Wave Generator

In der neuesten Generation von sehr großenPassagierflugzeugen werden Aufzügebenutzt, um die Essenswagen (Trolleys) zwi-schen den verschiedenen Stockwerken desFlugzeugs zu transportieren. Der Aufzugselbst ist dabei ein sicherheitskritischesBauteil. Bei dieser Anwendung wird eineGetriebebox der Baureihe HFUC in Sonder-ausführung von Harmonic Drive AG verbaut. Alle Komponenten der Getriebebox sind ausluftfahrttauglichem Edelstahl für Korrosions-schutz, Geräuscharmut und den notwendi-gen Leichtbau gefertigt. Die Zähne des Circular Splines sind ausGewichts- und Platzgründen direkt in dasGehäuse eingearbeitet. Das Gehäuse wurdemittels FEM-Analysen optimiert, um denerforderlichen Querschnittsbereich zu mini-mieren. Die Abtriebswelle ist eine Sonder-ausführung mit einer innenverzahntenSteckverbindung. Der Wave Generatorwurde zur Gewichtsreduzierung ebenfallsoptimiert und ist mit einem innenverzahn-ten Profil versehen, um eine einfache Steck-verbindung zum Motor zu bieten.

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Passenger AircraftGearbox for Trolley Lift

Special Circular SplineSpecial Wave Generator

The new generation of very large passengeraircraft presents special problems. Speciallifts become necessary to transport foodtrolleys from the galley to the different floorsin the aircraft. The so-called trolley lift is asafety critical component and is driven by aspecial HFUC gearbox from Harmonic DriveAG. All key gear components are manufacturedfrom a special aerospace-qualified stainlesssteel and have special modifications to eitherreduce weight or to minimize noise genera-tion and transmission. Stainless steel isnecessary to fulfil the exacting environ-mental conditions typical of aerospaceapplications. The teeth of the Circular Spline are machi-ned directly into housing to save weightand space. The housing itself has been opti-mised using Finite Element methods, inorder to minimize the necessary cross-sec-tional area. The special output-shaft fea-tures an internal spline profile to provide alow backlash connection to the load. TheWave Generator is also optimised for weightreduction and is provided with an internalspline profile, in order to provide a plugga-ble connection to the motor.


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PassagierflugzeugUnit für Leichtbau-Antrieb

LeichtbauweiseSpezieller Circular Spline

Das „vollelektrische” Flugzeug ist derzeitThema von Entwicklungsstudien im Bereichdes Flugzeugbaus. Der Trend „weg vomhydraulischen Antrieb“ und „hin zum elek-tromechanischen Antrieb“ ist weiterhin aktu-ell. Der Grund hierfür liegt in der immerhöheren Leistungsdichte elektromechani-scher Antriebssysteme. Kürzlich hat HarmonicDrive AG ein staatlich gefördertes Verbund-projekt abgeschlossen, das sich mit der Ent-wicklung von Getrieben in Leichtbauweisebefasste. Es gibt verschiedene Strategien zurGewichtsreduzierung, wie z. B. Formoptimie-rungen, Integration einer Planetenvorstufe inden Wave Generator sowie der Einsatz vonLeichtmetallen. Die niedrige Hertzsche Pres-sung in der Getriebeverzahnung erlaubt denEinsatz von leichten, nicht-eisenhaltigenMetallen wie Titan oder Aluminium. DieseWerkstoffe können das standardmäßig ver-wendete Stahl oder Gusseisen ersetzen. Die hier dargestellte Leichtbau-Unit HFUC-2UH-SP ist eine Sonderausführung, bei derdas Gehäuse entweder aus Titan oder ausAluminium gefertigt werden kann. MittelsFEM-Analyse wurden die Abmessungen opti-miert und damit das Gewicht des WaveGenerator Plugs. Das Abtriebslager in Leicht-bauweise wird durch ein 4-Punkt-Drahtlagergestützt. Dieses erreicht zwar nicht die hoheKippsteifigkeit wie das Kreuzrollenlagereiner Standard HFUC-2UH-Unit, was in vielenFällen jedoch trotzdem ausreichend ist. Auf-grund dieser besonderen konstruktivenMaßnahmen konnte das Gewicht der Unitum mehr als 50 % im Vergleich zu einemStandardprodukt verringert werden bei glei-cher Drehmomentkapazität und Lebensdauer.

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Passenger AircraftUnit for Lightweight Actuator

Lightweight designSpecial Circular Spline

The „all-electric” aircraft is a current rese-arch theme in the aerospace field. The trendto replace hydraulic actuators with electro-mechanical actuators in aerospace applica-tions is therefore continuing apace. The keydesign driver is high power density and Har-monic Drive AG has recently completed anational research project to develop light-weight gears and units.There is a number of different strategies toreduce weight, including optimized geome-try, integration of a planetary pre-stage inthe Wave Generator and the use of light-weight materials. The low Hertzian pressu-res in the gear tooth system allow the useof lighweight, non-ferrous metals such asTitanium or Aluminium. These materials canbe used to substitute the standard steel orcast iron for the Wave Generator plug andCircular Spline respectively.This design example shows a lightweightHFUC-2UH-SP unit. The unit features a hou-sing that can be manufactured either inAluminium or Titanium. Finite Element ana-lysis has also been used to optimize thedimensions and thereby the weight of theWave Generator plug. The lightweight out-put flange is supported by a 4-point wirebearing. This bearing design has a lower til-ting stiffness than the cross-roller bearing ofstandard HFUC-2UH unit, but often thiscapability is not required. These specialdesign measures reduce the weight of theUnit by more than 50% compared to thestandard product, without any reduction inthe torque capacity or operating life of thegear.


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WebmaschineWarenabzug

Sondergetriebebox

Das Streben nach höherer Qualität bei Her-stellern von Textilmaschinen, wie z. B. Web-maschinen, hat für den Einzug von Harmo-nic Drive Getrieben in diesenAnwendungsbereich gesorgt. Eines derHauptprobleme der Webmaschinenherstellerist das Vermeiden von sogenannten„Anlaufstellen“ im Gewebe. Diese entstehenwährend des Maschinenstillstandes, wennsich das Gewebe entspannt. Anlaufstellenkönnen vermieden werden, indem die Ge-webespannung beim Hochfahren derMaschine zur normalen Arbeitsgeschwin-digkeit genau kontrolliert wird. Dazu mussdie Rotation des Kettablasses sowie desWarenabzugs sorgfältig kontrolliert werden.Wichtig ist dabei zum einen, dass dieGetriebe in diesen beiden Antrieben keinStick-Slip-Verhalten aufweisen, wenn dieDrehung beginnt. Zum anderen, dass einehohe Übertragungsgenauigkeit gewährlei-stet wird, um eine gleichmäßige Schuss-dichte zu erreichen. Harmonic Drive Ge-triebe haben sich in dieser anspruchsvollenAnwendung ideal bewährt. In der Zeichnung wird eine Sondergetriebe-box dargestellt, die für den Warenabzug ineiner Greiferwebmaschine zum Einsatzkommt. Der HFUC Einbausatz ist in einemgusseisernen Gehäuse integriert und miteiner Abtriebswelle versehen. Über eineStirnradstufe treibt diese Welle die Waren-rolle an. Der Wave Generator dient alsAntriebselement und ist direkt auf derMotorwelle montiert.

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Special ApplicationsSonderanwendungen

Weaving MachineFabric Take-up Drive

Special gearbox design

The desire for higher fabric quality is alsoleading the manufacturers of textile ma-chines, such as weaving machines, to useHarmonic Drive technology. One of themajor problems is to avoid so-called „start-marks“, which are caused by relaxation ofthe fabric while the machine is at a stand-still. The avoidance of start-marks dependson the accurate control of the fabric tensionas the weaving machine reaches normaloperating speed. This is achieved by care-fully controlling the rotation of the warp let-off drive and the fabric take-up drive. It isvery important that the gears used in boththese drives do not exhibit stick-slip whenrotation commences and also that thetransmission accuracy is high to ensureeven pick spacing. Harmonic Drive gears arethus ideally suited to this demanding appli-cation.This design example shows a special gear-box used for the fabric take-up drive in arapier weaving machine. The HFUC compo-nent set is mounted in a cast-iron housingand is provided with an output shaft. Thisdrives the fabric beam via a spur gearstage. The Wave Generator, as input ele-ment, is mounted directly on the motorshaft.


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KamerakopfDreh-/Schwenkachsen

BaugruppeHohlwellenantrieb

CHA-Hohlwellenantriebe bieten exzellenteLaufcharakteristiken und eine kompakteBauform, weshalb sie sich für den Einsatz inder Dreh- und Schwenkachse eines Kamera-kopfes bestens bewährt haben. Der Kame-rakopf aus unserem Beispiel wird in einerSicherheitskamera im Bereich der Grenz-überwachung eingesetzt. Eine ähnliche Kon-struktion wird auch in ferngesteuertenKameras bei der Sportübertragung verwen-det. Die Kameraverkabelung wird durch dieHohlwelle des Schwenkachsenantriebes(Achse 2) geführt. Die Hohlwelle des Dre-hachsenantriebs (Achse 1) bietet sichsowohl für die Durchführung der Kameraka-bel als auch für die Kabel, die vom Schwen-kachsenantrieb ausgehen, an. Aufgrund des geringen Bauraums und desniedrigen Gewichts können die CHA-Hohl-wellenantriebe auch für Luftbildkamerasoder für stabilisierte Kameraplattformen anbewegten Fahrzeugen verwendet werden.Das Grunddesign eignet sich ferner fürSatelliten-Tracking Systeme, bei denen dieextrem ruhigen und langsamen Abtriebs-drehzahlen des Antriebs einen weiteren,wichtigen Vorteil darstellen.

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Camera HeadPan and Tilt Axes

Sub-assemblyHollow-shaft actuator

The smooth running characteristics andcompact design make CHA hollow-shaft ac-tuators ideal for the pan and tilt axes ofcamera heads. This design example shows acamera head used in the security field forborder observation. Similar designs are alsoused attached to remote camera booms forsport coverage. The cables from the camerapass through the hollow shaft of the tilt-axisactuator (axis 2). The hollow shaft of thepan-axis actuator (axis 1) is used for thecamera cables as well as the cables fromthe tilt-axis actuator.The small envelope and light weight of theCHA actuators means that this arrangementcan also be used for airborne cameramounts, or for stabilised camera platformsmounted on moving vehicles. This basicdesign is also used for satellite tracking,where the extremely smooth low speed out-put of the actuator is a further importantadvantage.


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Optisches MikroskopFokussierantrieb

Flachgetriebeeinbausatz

Spielfreie Servoantriebe und Getriebe sindein fester Bestandteil der Präzisionstechnik,doch neu ist die Verwendung von Getriebe-einbausätzen in der klassischen Mikroskopie-technik für Untersuchungen im biologischenoder medizinischen Bereich.Durch den einfachen, kompakten Aufbauund die koaxiale Bauweise war eine mühe-lose Integration des HDUF-Einbausatzesdirekt in den Fokussierknopf möglich. Diehohe Übertragungsgenauigkeit des Getriebesist unerlässlich zum Erreichen der erforderli-chen hohen Auflösung und der stick-slip-freien Bewegung des Fokussiertisches, aufdem sich das Präparat befindet.Der Circular Spline ist mit dem äußerenGehäuse des Verstellknopfes für die Grob-fokussierung verbunden. In diesem Fall ent-steht eine Relativbewegung zwischen denBauteilen des Getriebes, dem CircularSpline, Dynamic Spline und Wave Generator.Beim Grobfokussieren wirkt das Getriebe alsKupplung und hält den Fokussiertisch präzi-se in Position.Der Wave Generator ist mit dem inneren Teildes Fokussierknopfes, der für die Fein-fokussierung zuständig ist, verbunden.Beim Feinfokussieren überträgt der Feinver-stellknopf über das Getriebe die um dieUntersetzung reduzierte Drehbewegung aufden Fokussiertisch. Der Circular Spline wirddurch die Wellendichtung, die wiederum alsReibungsbremse eingesetzt ist, fixiert. DerDynamic Spline übernimmt die Funktion desAbtriebselementes, das die Abtriebswelleantreibt, die über eine Zahnstangenanordnungmit dem Fokussiertisch verbunden ist.

Optical MicroscopeFocusing Drive

Flat-type component set

Harmonic Drive gears are applied frequentlyin precise positioning applications. This de-sign example is unusual insofar as the gearis hand-driven, forming part of the focusingdrive of a microscope used for biological andmedical investigation.The HDUF component set can be easily inte-grated within the focusing knob, so enab-ling a very simple and compact co-axialdesign. The high accuracy of the gear isessential for high resolution, stick-slip freemovement of the table carrying the specimento be investigated. The Circular Spline isconnected to the outer housing of the knob,which is used for rough focusing. In thiscase there is no relative movement betweenthe component parts of gear, and theCircular Spline, Dynamic Spline and WaveGenerator rotate together. The gear rotatesthus acts as a toothed coupling, transmit-ting the movement of the knob directly tothe table. The Wave Generator is connected to theinner part of the knob, which is used forfine focusing. In this mode, the gear acts asa reducer, with the Circular Spline held fixedby the shaft seal, which acts as a frictionbrake. The Dynamic Spline acts as outputelement, driving the output shaft connectedto the table via a rack and pinion arrange-ment.


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BlistersiegelautomatFolientransport

Präzisions-Abtriebslager

In der Verpackungsindustrie gibt es ver-schiedene Anwendungen, bei denen sichdie Technik von Harmonic Drive als idealerweist. Seit einiger Zeit ist ein Trend zu Ein-zelantrieben zu beobachten, wobei dynami-sche Bewegungen zunehmend von einzel-nen synchronisierten Servoantrieben durch-geführt werden. Um hier die hohe Genauig-keit zu gewährleisten, sind spielfreie Ge-triebe mit hoher Drehmomentkapazitäterforderlich. Dies gilt auch für den hier dar-gestellten Blistersiegelautomat, bei dem dieeingesetzte Unit der Baureihe HFUC-2UH inKombination mit einem Servomotor für denFolientransport in der Maschine sorgt. DieUnit bewegt einen Kniehebel, der die rota-torische Bewegung in eine translatorischewandelt.In dieser Anwendung ist eine hohe Genau-igkeit gefordert, d. h. die Schrumpfung derFolie und sonstige Prozessparameter müs-sen sehr genau nachregulierbar sein. Daskippsteife Abtriebslager der HFUC-2UH Unitsorgt nicht nur für eine hohe Führungsge-nauigkeit, sondern es stützt zugleich auchdie Kräfte des Kniehebels ab. Diese Lösungkann auf mechanische Endanschläge oderReferenzschalter verzichten, da der Antriebüber einen Multiturngeber verfügt. Sie bie-tet zudem den Vorteil wartungsfrei zu sein,weil die eingesetzten Getriebe mit einerLebensdauer-Fettschmierung versehen sind. Solche Lösungen ermöglichen sehr schnelleUmrüstungen auf neue Formate, quasi „perKnopfdruck“. Sie sind zudem eine Antwortauf den Trend zu kleineren Auflagen, auch inder Verpackungsindustrie.

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Blister Packaging MachineFoil Transport Drive

High precision output bearing

The trend to single actuators, where indivi-dual synchronized servo actuators are usedfor dynamic movements, is leading thepackaging industry to use Harmonic Drivetechnology. In order to provide the requiredaccuracy zero-backlash gears with a hightorque capacity are required for this appli-cation in a blister packaging machine asshown below. The HFUC-2UH unit from Har-monic Drive in combination with a servo-motor transports the foil through the machi-ne. The HFUC unit drives a bent lever, whichconverts the rotational motion into a trans-lational motion. This application requires high precision,because the shrinkage of the foil as well asother parameters must be re-adjustablevery accurately. The high stiffness outputbearing of the HFUC-2UH unit guaranteeslow run-out and is also used to support theforces of the bent lever. The actuator is sup-plied with a multi-turn encoder, whichavoids the need for reference or limit swit-ches. Furthermore, this solution is mainte-nance-free due to the fact that the usedgears are lifetime grease-lubricated. Such a solution allows very quick conversi-on to other formats, simply by pressing abutton. In addition to this they are theanswer to the trend to smaller volumeswhich recently has become evident, even inthe packaging industry.


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HalbleiterfertigungDie-Bonding Maschine

Rotatorischer Bondkopf

Kaum ein anderer Bereich erfordert sovielPräzision und Systemlösungen wie dieHalbleiterfertigung. So auch im Fall diesesChip-Bestückungsautomaten. Staubkorn-große Chips, die oft nicht größer als 0,15 x0,15 mm sind, müssen hochpräzise ausge-richtet und positioniert werden. In diesemAnwendungsbeispiel bewegt ein sog. Rota-torischer Bondkopf die Chips extrem schnell(90° in ca. 175 ms) und sehr genau (Abwei-chung < 0,02°) in beliebige Winkelpositionen.Herzstück des Bondkopfes ist eine MicroHarmonic Drive® Getriebebox in einer kun-denspezifischen Ausführung. Das Getriebewird mit einem Schrittmotor angetrieben.Dieser ist parallel zum Getriebe angebracht,damit eine Hohlwelle durch das Zentrumdes Getriebes geführt werden kann. DieHohlwelle wird dazu genutzt, um mit einemoptischen Sensor durch die Welle hindurchzu schauen, um sicherzustellen, dass derChip erfolgreich gegriffen wurde. DieAbtriebswelle wird mit vorgespanntenKugellagern gestützt, was ausreichendeFührungsgenauigkeit und axiale Steifigkeitbei der Bestückung gewährleistet. Die hohe Übersetzung des Micro HarmonicDrive® Getriebes macht es möglich, denSchrittmotor in einem offenen Regelkreis zubetreiben und trotzdem eine hohe Auflö-sung bei der Drehbewegung zu erreichen.Die Masse der kompletten Baugruppe liegtbei nur 50 g.

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MicrotechnologyMikrotechnik

Semiconductor Manufacturing EquipmentDie Bonding Machine

Rotary bond tool

Few other application fields require suchprecision or individual system solutions likethe semiconductor branch. Die Attachmachines are used to attach semiconductordies – tiny little electronic control modules– to their protective packages. The minutechips, which often are no larger than 0.15 x0.15 mm, must be orientated and positio-ned with high accuracy. The so-called„Rotary Bond Tool” provides both fastmovements (90° in ca. 175 ms) and excel-lent placement accuracy (better than 0.02 °)to position the tiny chips in any angularposition.At the heart of the RBT is a Micro HarmonicDrive® gearbox in a customized design. Thegear is driven by means of a steppingmotor. The motor is mounted in parallel tothe gear to allow a hollow shaft to be pas-sed through the gear. The hollow shaft isused for an optical sensor which looksthrough the gear in order to make sure thatthe chip has been gripped successfully. Theoutput shaft is supported by pre-loaded ballbearings to provide the accuracy and axialstiffness required for the assembly.The high ratio of the Micro Harmonic Drive®

gear allows the stepping motor to be usedin an open control loop, while still achie-ving a high angular resolution. The mass ofthe complete sub-assembly is just 50 g.


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HalbleiterfertigungSmart Label Bestückungsmaschine

Rotatorischer Bondkopf

Rotatorische Bondköpfe werden auch inHochgeschwindigkeits-Bestückungsmaschi-nen für sogenannte Smart Labels einge-setzt. Auch hier werden kleinste Halbleiter-bauteile schnell und präzise während desBestückungsvorgangs ausgerichtet. Das Anwendungsbeispiel zeigt einen rotato-rischen Bondkopf in ko-axialer Anordnung.Das Micro Harmonic Drive® Getriebe istdirekt mit dem Schrittmotor verbunden. DieAbtriebswelle ist hohl und bietet somit Platzfür die Durchführung einer Vakuumversor-gung, die für das Greifen der kleinen zumontierenden Bauteile erforderlich ist. DieAbtriebswelle wird von vorgespanntenKugellagern in O-Anordnung gestützt. Diesresultiert in einer hohen Kippsteifigkeitsowie in hoher axialer und radialerFührungsgenauigkeit. Das kundenspezifi-sche Aluminiumgehäuse der komplettenBaugruppe vereinfacht den Einbau in dieübrige Maschinenumgebung. Die hier vorgestellte Konstruktion bietetsehr schnelle Bewegungen – 15° in wenigerals 50 ms, mit einer Wiederholgenauigkeitvon 0,005° und besser. Die Masse dergesamten Baugruppe liegt bei nur 22 g, wasin diesem Fall weniger als 1/20 der vorheri-gen Lösung, bestehend aus Torquemotorund Direktmesssystem, bedeutet.

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Mikrotechnik

Semiconductor Manufacturing EquipmentSmart Label Assembly Machine

Rotary bond tool

Rotary bond tools are also used in high-speed assembly machines for so-calledsmart labels. Here, too, a small semicon-ductor component must be quickly andaccurately orientated during assembly.This design example shows a co-axial rotarybond tool design. The Micro HarmonicDrive® gear is connected directly to a step-ping motor. The output shaft is hollow, pro-viding space for a vacuum feedthrough,in order to grip the small parts to beassembled. The output shaft is supported inpre-loaded ball bearings in an O-arrange-ment. This provides high tilting stiffness aswell as low axial and radial run-out. Thecomplete sub-assembly features a customi-zed aluminium housing to allow easy inte-gration into the customer’s machine.This design provides very fast movements –15° in less than 50 ms with a repeatabilityof better than 0.005°. The mass of the com-plete sub-assembly is just 22 g. This is lessthan one-twentieth of the preceding soluti-on, which comprised a torque motor anddirect measurement system. This low massmeans that the machine can either be ope-rated at higher speeds, or that the increasein temperature of the main axis motors isless for a given cycle. This improves thethermal stability of the whole machine andallows higher assembly accuracies to beachieved.

Microtechnology


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IndustrieroboterMikroroboter

Antrieb für Primärachsen

Der Trend zur Miniaturisierung im Bereichvon Konsum- und Investitionsgütern führtzu einer zunehmenden Nachfrage nachGeräten und Systemen für die präzise Mon-tage kleinster Komponenten. Bisher warenMaschinen für die Präzisionsmontage umein Vielfaches größer als das zu bearbeiten-de Werkstück oder der benötigte Arbeits-raum.Nicht so bei dem hier dargestellten kleinenhybriden Roboter mit einer ebenen Parallel-kinematik (Parallel-Scara). Dieser hochge-naue Roboter mit einer Grundfläche vonetwa 150 x 150 mm2 positioniert kleineWerkstücke mit einer Masse von bis zu 50 gmit einer Wiederholgenauigkeit von 1 µmund besser. Die Parallelstruktur erreicht eine Genauig-keit im Sub-Mikrometer-Bereich über nahezuden gesamten Arbeitsraum und hat einesymmetrische Auflösung. Die Parallelstruk-tur bietet eine deutlich bessere dynamischePerformance, da nur der Getriebemotor fürdie vierte (rotierende) Handachse vombewegten Arm getragen wird. Die Miniaturi-sierung passiver Gelenke einer Parallelstruk-tur lässt sich müheloser realisieren als beiaktiven Gelenken herkömmlicher seriellerStrukturen. Daher fiel die Entscheidungbezüglich Basisstruktur zugunsten einerparallelen SCARA-Anordnung aus. Mit einerWiederholgenauigkeit von 10 Winkelsekun-den bietet das Micro Harmonic Drive®

Getriebe als einziges Mikrogetriebe dieerforderliche Genauigkeit für einen Mikro-roboter dieser Art.

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Industrial RobotsMicro-robot

Primary axis drives

The trend to miniaturization in the field ofconsumer and investment goods is leadingto increasing interest in the field of precisi-on assembly of small components. Untilnow most machines for precision assemblyhave been many orders of magnitude largerthan the workpieces to be handled or thenecessary workspace. A small-scale SCARA robot featuring a par-allel hybrid kinematic structure has nowbeen developed, specifically for the micro-assembly of small components. This newrobot, with a base area of less than 150 x150 mm2 will position small workpieceswith a mass of up to 50 g with a repeata-bility of better than 1 µm.The parallel structure achieves sub-µmaccuracy over almost the completeworkspace and also has a symmetrical reso-lution map. The parallel structure shouldoffer a significantly better dynamic perfor-mance, because only the gear motor for thefourth (rotational) axes is carried by themoving arm. Furthermore the passive jointsof the parallel structure are easier to minia-turize than active joints. For these reasonsthe parallel SCARA structure was chosen asthe basic structure for further development.By providing an angular repeatability of 10arc seconds, the Micro Harmonic Drive® gearis the only micro gear currently availablethat provides sufficient accuracy for a microrobot of this kind.


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Luft- und RaumfahrtWeltraumtaugliche Kamera

Fokussierantrieb

Aufgrund der terrestrischen Erfahrungen mitAnwendungen im Vakuum bedient dasMicro Harmonic Drive® auch Anwendungenim Weltraum. Die Miniaturabmessungen,das niedrige Gewicht und die hervorragen-de Positioniergenauigkeit des in diesemBeispiel zum Einsatz kommenden MicroHarmonic Drive® Getriebes ermöglichen hiervöllig neue Konstruktionslösungen für Posi-tionierantriebe und -mechanismen. Ein typisches Beispiel ist die Verwendungdes Micro Harmonic Drive® Getriebes ineiner elektromechanischen Baugruppe zumFokussieren eines Kameraobjektivs. DieKamera ist für den Einsatz auf anderen Pla-neten in einem Rover-Fahrzeug vorgesehen.Die Fokussierbaugruppe ist an einem Schlit-ten befestigt. Dieser wird mit einem exzen-trischen Mechanismus, der sich am Abtriebder Micro Harmonic Drive® Getriebeboxbefindet, in axialer Richtung bewegt. DieLösung hat den Vorteil, dass sie erheblichleichter und kompakter baut als die Vorgän-gerversion.

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AerospaceSpace-qualified Camera

Focusing drive

Based on the experience gathered in terre-strial vacuum applications the Micro Harmo-nic Drive® gear is now fulfilling applicationsin space mechanisms. The miniature dimen-sions, low weight and excellent positioningaccuracy enable completely new designsolutions for positioning actuators andmechanisms.A typical example is the use of the MicroHarmonic Drive® gear in an electro-mechani-cal sub-assembly for focussing the objectiveof a camera developed for use on a plane-tary rover vehicle. The new focussingmechanism will allow the camera to guidethe vehicle to surface objects and thenundertake microscopic analysis of theseobjects.The camera lens is mounted on a carriage,moved axially by an eccentric mechanismmounted on the output of the Micro Har-monic Drive® gearbox. This configurationavoids the need for mechanical limits,because if the motor moves too far then theeccentric mechanism causes the lens tomove back in the direction from which itcame. The gearbox is driven, in turn, by astepping motor. This solution is dramatical-ly lighter and more compact than previousdesigns.


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Anwendungsmatrix

128 Industrieroboter Werkzeugmaschinen

Druckmaschinen Halbleiterfertigung

Holzbearbeitungsmaschinen Meß- und Prüfmaschinen

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Produkt

HFUC Einbausatz 4 8 12 13 16

HFUS Einbausatz

HDUC Einbausatz

HDUR Einbausatz

HDUF Einbausatz 22

HPG Harmonic Planetengetriebe 20 21

HFUC-2UH Unit 6 7 10 14 18

HFUC-2UJ Unit (mit Eingangswelle) 23

HFUS-2SO Unit

CPU-M Unit (für Motorenanbau) 1 2 11

CPU-H Unit (mit Hohlwelle) 3 5 9

CPU-S Unit (mit Eingangswelle) 3 5

HDGM Getriebebox

CHA Hohlwellenantrieb 15 17

FFA Servoantrieb

FHA Hohlwellenantrieb

HDPL Linearantrieb 19

HDVA Ventilantrieb

Micro Harmonic Drive

129 Papiermaschinen Medizintechnik

Luft- und Raumfahrt Sonderanwendungen

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130 Industrial Robots Machine Tools

Printing Machines Semiconductor

Manufacturing Equipment

Woodworking Machines Measuring & Testing Machines

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HFUS Component Set

HDUC Component Set

HDUR Component Set

HDUF Component Set 22

HPG Harmonic Planetary Gear 20 21

HFUC-2UH Unit 6 7 10 14 18

HFUC-2UJ Unit (with Input Shaft) 23

HFUS-2SO Unit

CPU-M Unit (for Motor Assembly) 1 2 11

CPU-H Unit (with Hollow Shaft) 3 5 9

CPU-S Unit (with Input Shaft) 3 5

HDGM Gearbox

CHA Hollow Shaft Actuator 15 17

FFA Servo Actuator

FHA Hollow Shaft Actuator

HDPL Linear Actuator 19

HDVA Valve Actuator

Micro Harmonic Drive

21131 Paper Machines Medical Equipment

Aerospace Special Applications

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Microtechnology

4. Auflage, September 2005Dieses Buch ist unter Mitarbeit folgenderHarmonic Drive Mitarbeiter entstanden:Redaktion: Dr. Rolf Slatter, Dipl.-Übersetzerin Ellen SlatterTechnische Zeichnungen: Dipl.-Ing. Stefan Mann,Dipl.-Ing. Elena Weißenfels, Dipl.-Ing. Clemens Zohner

Gestaltung und Produktion:P.AD. Werbeagentur GmbH, Meinerzhagen

4th Edition, September 2005Editors: Dr. Rolf Slatter, Dipl.-Übersetzerin Ellen SlatterTechnical drawings: Dipl.-Ing. Stefan Mann,Dipl.-Ing. Elena Weißenfels, Dipl.-Ing. Clemens Zohner

Design and Production: P.AD. Werbeagentur GmbH, Meinerzhagen


PräzisionPrecision

Harmonic Drive AG

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Download - KHB ab18 2005 K2 - Harmonic Drive AG · Harmonic Drive gears and actuators have been used for a wide range of diverse applications. ... to share our experience in the solution of

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