Harmonic Drive

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  • KonstruktionshandbuchDesigner's Handbook

    PrzisionPrecision

    Harmonic Drive AG

    Hoenbergstrae 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

    KonstruktionshandbuchDesigner's Handbook

  • 2Inhalt

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

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

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

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

    DruckmaschinenWertpapierdruckmaschine: Phasenverstellung 68Verstellung mit Kraftregelungfr Farbauftragswalze 70

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

    HolzbearbeitungsmaschinenBearbeitungszentrum: 2-Achs-Frskopf 80Bearbeitungszentrum: Sgeaggregat 82Bearbeitungszentrum: C-Achse frHochleistungs-Frskopf 84Bearbeitungszentrum: Tellermagazin 86

    Mess- und PrfmaschinenZweistufiger Sonder-Drehantrieb 88Optische Messmaschine: Indextisch 90Universal-Prfmaschine: Torsionsachse 92

    PapiermaschinenStreicheinheit: Linearantrieb 94Stoffauflauf: Ventilantrieb 96

    MedizintechnikRntgenanlage: C-Bogenantrieb 98Stereotaktischer Manipulator: Drehachse 100

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

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

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

  • Contents

    3

    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 Lsungengefragt, in anderen spielt das Gewicht eine wichtige Rolleund in der nchsten werden Przision, 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. Daherverfgen wir ber ein fundiertes Anwendungs-Know-how undeinen breiten Erfahrungsschatz bei der Getriebeauslegung beides geben wir gerne an unsere Kunden weiter.

    Diese Druckschrift enthlt Konstruktionsbeispiele frverschiedene Maschinen aus den unterschiedlichstenAnwendungsbereichen. Alle haben eines gemeinsam:Przisionsgetriebe. 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 Getriebenbertragen und Anregungen fr die Lsung vonAntriebsaufgaben vermitteln.

    Alle ausgewhlten Konstruktionsbeispiele haben sich in derPraxis bewhrt. Wir danken an dieser Stelle den Firmen, diedurch berlassung ihrer Unterlagen die Herausgabe desHarmonic Drive Konstruktionshandbuches ermglichen.

    Fr die Lsung Ihres speziellen Antriebsproblems stehenIhnen unsere Ingenieure mit ihrer langjhrigen Erfahrung zureingehenden technischen Beratung und Ausarbeitung vonAntriebskonzepten gerne zur Verfgung.

    Anwendungsbeispiele fr Przisionsgetriebe

    4

  • 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 DesignersHandbook.

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

    5

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

    folgten. Die Produktion kundenspezifischerAntriebssysteme begann.

    1998 wurden weitere erhebliche Investitionen frden Ausbau der Getriebefertigung vorgenommen.

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

    Das Unternehmen

    wir ein breit gefchertes Angebot hochwertigerProdukte:

    Getriebeeinbaustze, 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 ber das Kugellager den Flexspline,der sich in den gegenberliegenden Bereichender groen Ellipsenachse mit dem innenver-zahnten, fixierten Circular Spline im Eingriffbefindet.Mit Drehen des Wave Generators verlagert sichdie groe Ellipsenachse und damit der Zahnein-griffsbereich.

    Da der Flexspline zwei Zhne 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 Zhne.

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

    Flexspline

    Eine zylindrische, verformbare Stahlbchsemit AuenverzahnungA 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 Kraftbertragung ber einen groenZahneingriffsbereich erfolgt, verfgenHarmonic Drive Getriebe ber eine sehrhohe Drehmomentkapazitt.

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

    Harmonic Drive Getriebe bieten die Mglichkeiteiner zentralen Hohlwelle zur Durchfhrung 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 beschrnkt sichhauptschlich auf eine rein radiale Bewegung. Auch bei groenEingangsdrehzahlen ist die Gleitgeschwindigkeit sehr gering. Daherergibt sich minimaler Verschlei und lange Lebensdauer.

  • 11

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

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

    Harmonic Drive Getriebe weisen berden 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 fr Motoranbau

    CPU Unit for direct motor assembly

  • 13

    HFUC UnitHFUC Unit

    CPU HohlwellenunitCPU Hollow-shaft Unit

  • 14

    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

    Reduction GearingFixedInputOutput

    ////

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

    Untersetzung = i+11

    Ratio = R+11

    3.) UntersetzungsgetriebeWG FixiertFS AntriebCS Abtrieb

    Reduction GearingFixedInputOutput

    ////

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

    Untersetzung = i+1i

    Ratio = R+1R

    4.) bersetzungsgetriebeWG FixiertCS AntriebFS Abtrieb

    Speed Increaser GearingFixedInputOutput

    ////

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

    Untersetzung = ii+1

    Ratio = RR+1

    An- und Abtriebsanordnungen

  • 15

    Driving Arrangements

    7.) DifferentialgetriebeWG RegelantriebCS HauptantriebFS Hauptabtrieb

    Differential GearingControl InputMain Drive InputMain Drive Output

    ////

    Zahlreiche Differentialfunktionen knnen 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.) bersetzungsgetriebeFS Fixiert

    CS AntriebWG Abtrieb

    Speed Increaser GearingFixedInputOutput

    ////

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

    Untersetzung = 1i+1

    Ratio = 1R+1

    5.) bersetzungsgetriebeCS Fixiert

    FS AntriebWG Abtrieb

    Speed Increaser GearingFixedInputOutput

    ////

    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 bezglich Plan-lauf und Konzentrizitt haben einenwesentlichen Einfluss auf die Genauig-keit und die Lebensdauer. Eine falscheAusrichtung kann sich nachteilig auf dieZuverlssigkeit 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 Gehuse mssen konzentrisch an-geordnet sein.

    2. lablass3. Die Flexspline-Flanschbohrung muss

    in Bezug auf den Circular Spline kon-zentrisch sein.

    4. Der Klemmring mit Kantenabrundungerhht das bertragbare Drehmomentund vermeidet Beschdigungen desFlexspline-Bodens.

    5. Radialwellendichtung fr lschmierung6. Spielfrei vorgespannte Lagerung der

    Abtriebswelle7. Axialfixierung des Flexspline8. Entlftungsventil (bei Bedarf)9. Flexspline und Circular Spline mssen

    parallel und plan zur Abtriebswelleangeordnet sein.

    10. Axialfixierung des Wave Generators11. leinlass (ermglicht auch Montage-

    berprfung)12. Doppellagerung der Antriebswelle

  • 17

  • 18

    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 Primrachsen

    Integriertes Abtriebslager

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

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    Industrial RobotsIndustrieroboter

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    SCARA Robot Primary Axes

    Integrated output bearing

    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 worlds 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 RoboterPrimrachsen

    Integriertes Abtriebslager

    SCARA-Roboter fr schnelle Montagettig-keiten sind ein ideales Anwendungsgebietfr Harmonic Drive Getriebe. Aufgrund derhohen Dynamik der Roboter ist die Verwen-dung von kompakten, leichtgewichtigenGetrieben unverzichtbar, und die hoheGenauigkeit, die fr die przise Montageerforderlich ist, macht Getriebe mit hervor-ragender Wiederholgenauigkeit notwendig.Aufgrund dieser Auswahlkriterien entschei-den sich nahezu alle fhrenden Herstellervon SCARA-Robotern fr Harmonic DriveGetriebe. Das hier dargestellte Anwendungsbeispielzeigt eine uerst kompakte und elegantekonstruktive Lsung mit einer integriertenCPU-M Units. Im Schultergelenk ist derAbtriebsflansch der Unit mit dem Oberarmund der uere Ring des Abtriebslagers mitdem Stnder verbunden. Im Ellenbogenge-lenk ist der Abtriebsflansch der Unit eben-falls mit dem Oberarm und der uere 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 (uerer Ringdes Abtriebslagers) dient als Abtriebsele-ment.

    2 Industrial RobotsIndustrieroboter2

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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 mssenkompakt und leicht sein, um die Last aufder Linearachse zu verringern und die Dy-namik des Roboters zu optimieren. Alsgewichtsreduzierende Manahme werdendie Motoren blicherweise auerhalb derHandachsen-Baugruppe angebracht. DasMotordrehmoment wird auf die Hand berParallelwellen innerhalb der Vertikal-Achsen-baugruppe des Roboters bertragen. In diesem Anwendungsbeispiel werden eineCPU-H Unit, die mit einer eingangsseitigenHohlwelle versehen ist und eine CPU-S Unit,die ber eine Vollwelle angetrieben wird,eingesetzt. Die erste Handachse wird berein Stirnradgetriebe, die zweite Handachseber ein Kegelradgetriebe angetrieben. DieAntriebswelle fr diese Achse wird durch dieHohlwelle der CPU-H Unit gefhrt.

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    Industrial RobotsIndustrieroboter

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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 MassentrgheitsmomentCircular Spline Sonderausfhrung

    Whrend der Beschleunigungs- und Brems-phase eines Bewegungszyklusses mssendie Primrachsen in 6-Achsen-Robotern ho-he Spitzendrehmomente aufbringen. Vonden in den Primrachsen integrierten Getrie-ben werden hohe Wiederhol- und Posi-tioniergenauigkeit gefordert, damit derRoboter przise Montageaufgaben bzw.Bahnanwendungen wie z. B. beim Licht-bogenschweien oder Kleben durchfhrenkann. Harmonic Drive Getriebe erfllen allegenannten Anforderungen und eignen sichdamit hervorragend fr dieses Einsatzge-biet. In den in der Zeichnung dargestellten HFUCEinbausatz wurde eine Sonderbauform desWave Generators integriert, die ein geringe-res Massentrgheitsmoment aufweist.Dadurch wird das vom Motor bentigteBeschleunigungsmoment verringert. Eineweitere Besonderheit dieser konstruktivenLsung 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 gefhrt, der durchein Kreuzrollen-Abtriebslager gesttzt wird.Das besondere Design des Circular Splinesvereinfacht die Integration des Getriebes indas Gehuse der Drehachse.

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    6-Achsen-Roboter Handachsen

    HohlwelleIntegriertes Abtriebslager

    Lichtbogenschweien, Laserschneiden undMaschinenbestckung sind typische Auf-gaben fr 6-achsige Roboter. In dieser Kon-figuration verfgen die Roboter ber Hand-achsen mit zwei oder drei Drehachsen zurHandhabung von Greifern oder Werkzeugen. Dieses Anwendungsbeispiel zeigt die fnfteund sechste Achse eines 6-achsigen Ro-boters, bei dem Harmonic Drive Units in beiden Achsen eingesetzt werden. In derfnften 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 ber eine Riemenstufe mitMotoren, die sich im vorhergehenden Arm-segment des Roboters befinden. DieAntriebswelle fr die sechste Achse wirddurch die Hohlwelle des Getriebes der fnf-ten Achse hindurch gefhrt. Die Absttzungdes Wave Generators erfolgt zum einen berein Lager, das in einem modifiziertenKlemmring sitzt, und zum anderen durch einLager im eingangsseitigen Flansch. DieWelle, die durch die Unit gefhrt ist, wirdvon Lagern in der eingangsseitigen Riemen-scheibe bzw. im abtriebsseitigen Flanschabgesttzt.

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    Industrial RobotsIndustrieroboter

    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 Sonderausfhrung

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

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    Industrial RobotsIndustrieroboter

    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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    PortalfrsmaschineFrskopf C-Achse

    Elektrische Verspannung

    Bei diesem Anwendungsbeispiel handelt essich um ein Bearbeitungszentrum fr dieBearbeitung von groen Turbinenbauteilen.Die Maschine ist sehr gro mit sehr hohenSchnittkrften von bis zu 30 kN. Sie ist mitelektrisch verspannten Antrieben ausgestat-tet. Diese Konfiguration wurde durch eineMaster-Slave-Anordnung ermglicht, dievon vielen derzeit am Markt befindlichenCNC-Steuerungen untersttzt 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-Positionfhrt, fungiert ein Antrieb als Bremse underhht das Verspannmoment, um das Spielzu eliminieren und die Torsionssteifigkeitder Achse zu erhhen.

    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 groen Werkzeugmaschinen mit langer Lebensdauer.

    In diesem Konstruktionsbeispiel, das die C-Achse eines Frskopfes 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 gesttzt 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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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 themanufacturers 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

    Przisions-AbtriebslagerEingangswelle

    Harmonic Drive Getriebe ersetzen in zuneh-mendem Mae Schnecken- oder Planeten-getriebe in den przisen Drehachsen vonWerkzeugmaschinen. Wenn hohe Genauig-keit erreicht werden muss, wurden bishervorgespannte Schnecken- oder Planeten-getriebe eingesetzt, um ein mgliches Spielzu eliminieren. Aus der natrlichen Vorspannung derHarmonic Drive Getriebe kombiniert mitdem hheren Wirkungsgrad resultiert einwesentlich geringerer Temperaturanstiegwhrend des Betriebs, was sich positiv aufdie Positioniergenauigkeit der Maschineauswirkt. Vorausgesetzt, die Schmierungwird entsprechend den Empfehlungen desHerstellers durchgefhrt, tritt bei HarmonicDrive Getrieben whrend der gesamtenLebensdauer keine Spielzunahme auf. Somitentfllt eine erneute Einstellung der Ge-triebe zur Beibehaltung der Spielfreiheit,wie es bei Schnecken- oder Planetengetrie-ben hufig der Fall ist. Im dargestellten Beispiel wird der Flexsplineeines HFUC Einbausatzes als Abtriebsele-ment genutzt. Der Abtriebsflansch wird durchein Przisionsabtriebslager (Nadellager) ge-sttzt. Der Circular Spline, als fixiertes Ele-ment, befindet sich im Maschinengehuseund der Wave Generator, als Antriebsele-ment, wird ber einen Zahnriemen angetrie-ben. Um die Tischhhe so gering wie mg-lich zu halten, wird der Motor parallel zumGetriebe montiert. Die Schnittkrfte sind indieser Anwendung nicht sehr gro, so dassein Klemmen des Tisches abtriebsseitignicht notwendig ist. Bei greren Schnitt-krften ist es ratsam, eine Klemmung zumSichern des Abtriebsflansches zu benutzen.

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    Bearbeitungszentrum Werkstck-Lade-Roboter

    HohlwelleSpezielle Anordnung der Dichtungen

    Dieses Beispiel zeigt die erste Drehachseeines Sonderroboters zum Laden von Werk-stcken in einem Bearbeitungszentrum mitvertikaler Spindel. Die Achse ist mit einerCPU-H Hohlwellen-Unit mit einer speziellenAbdichtung ausgerstet. In Anwendungen mit hohen kontinuierlichenAntriebsdrehzahlen bzw. im Dauerbetriebkann die Reibung der Wellendichtringe ander Eingangshohlwelle zu einem Tempera-turanstieg fhren. Dieses Beispiel zeigt dieMglichkeit auf, wie man diesen Effekt mit-tels einer speziellen Anordnung der Dich-tungen minimieren kann. Die Standard-Wellendichtungen in den antriebs- und ab-triebsseitigen Flanschen wurden entferntund eine Hlse wurde durch die Unit hin-durch gefhrt. Das eine Ende der Hlse istam Grundgehuse des Roboters befestigt,whrend eine V-Dichtung am anderen Endeder Hlse die Unit gegen das Eindringenvon Schmutz abdichtet. Die V-Dichtung liegt an einer dnnen Platteim Dreharm des Roboters an. Diese Plattedreht sich mit der reduzierten Abtriebs-geschwindigkeit des Getriebes. Die hohleHlse wird fr die Durchfhrung von Kabelnund Rohren fr Sensoren und Greifergenutzt. Die Hlse schtzt dabei die Kabelvor der schnelldrehenden Hohlwelle derUnit. Der Antrieb der Hohlwelle erfolgt bereine Stirnradstufe.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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-FrsmaschineWerkzeugwechsler

    Integriertes Abtriebslager

    Harmonic Drive Getriebe und Antriebe eig-nen sich hervorragend fr Anwendungen inden Peripherieachsen von groen Werkzeug-maschinen, wie z. B. in Werkzeug- oderWerkstckmagazinen und -wechslern. ImBeispiel wird ein elektromechanischer Werk-zeugwechsler einer speziellen Portal-Frs-maschine fr die Bearbeitung von groenFormen dargestellt. Groe Werkzeuge, biszu 75 kg schwer, mssen direkt in die Ma-schinenspindel oder den Frskopf in ver-schiedenen Winkelstellungen eingesetztwerden. Dies erfordert vom Getriebe einehohe Positioniergenauigkeit, um denWerkzeughalter nicht zu beschdigen.Ferner wird ein kippsteifes Abtriebslagerzum Absttzen der Werkzeuggreifer-Kom-ponenten bentigt. Die HFUC-2UH Unit ist so positioniert, dassdie Schwerpunktlinie des geschweitenGehuses durch die Ebene des Abtriebs-lagers fhrt. Dadurch werden die auf dasAbtriebslager wirkenden Kippmomentesoweit wie mglich reduziert. Als Antrieb frden Werkzeuggreifer wird ein HPS Plane-tengetriebe eingesetzt. Die einzelnen Greiferwerden ber eine Kugelspindel, derenAntrieb wiederum ber ein Stirnradgetriebeerfolgt, bewegt.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    Gantry Milling Machine Tool Changer

    Integrated output bearing

    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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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    Sonder-Frsmaschine Werkzeugrevolver

    Przisions-AbtriebslagerAbtriebsseitige Klemmvorrichtung

    Bei dieser Abbildung handelt es sich umden Werkzeugrevolver einer Sonder-Frs-maschine. Auf der Revolverscheibe befindensich angetriebene Werkzeuge zum Profil-frsen bei der Herstellung von speziellenSchlsseln. Mittels der eingebauten CPU-MUnit wird die Revolverscheibe getaktet unddas bentigte Werkzeug zur Antriebswellegefhrt. Anschlieend kuppelt diese ein, umdas Werkzeug anzutreiben. Die CPU Unitbietet eine einzigartige Kombination ausPrzisionsgetriebe und przisem Abtriebs-lager. Das Kreuzrollen-Abtriebslager ist verfgbarmit einem Rundlauf von weniger als 5 mfr ausgewhlte Lager und daher bestensgeeignet fr den Einsatz in Rotationsachsenvon Przisionsmaschinen.Das Lagergehuse dient gleichzeitig alsGetriebegehuse. Der Circular Spline, alsstationres Element, ist direkt mit demLagergehuse verbunden. Auf diese Weiseverringert sich die Anzahl der Komponenten,wodurch auch die bertragungsgenauigkeitdes Getriebes verbessert wird. Im gezeigtenBeispiel wirken groe Schnittkrfte auf denAbtriebsflansch, weshalb eine hydraulischeKlemmung zum Fixieren des Abtriebs-flansches whrend des Frsbetriebs zum Ein-satz kommt. Die vorherige Lsung 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. Darber hinaus lassensich hhere 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 m 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-FrsmaschineFrskopf

    Sondergetriebebox Eingangswelle

    Mit dieser Portal-Frsmaschine werdenSpritzgussformen fr Kunststoffkompo-nenten oder groe Bauteile aus derLuftfahrtindustrie hergestellt. Der derzeitigeTrend in der Hochgeschwindigkeits-Bearbei-tung bedeutet, dass dieser Maschinentypeine hhere Dynamik und zugleich eineerhhte Bearbeitungsgenauigkeit erreichenmuss. Hhere Dynamik heit aber auch, dass diebewegten Massen minimiert werden ms-sen. Im Fall von Portalmaschinen erfordertdies, dass Gewicht und Gre des Frs-kopfes (vierte und fnfte Achse) so niedrigwie mglich gehalten werden mssen. 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-FrsmaschineFrskopf

    Mechanische VerspannungSpezielle Anordnung der Antriebswelle

    In mittelgroen Portalfrsmaschinen werdenin den Frskpfen hufig 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 bentigt wird,wenn die Achse in Position gehalten wird.Diese Lsung ist konomischer und kom-pakter als es bei elektrisch verspannten Ach-sen der Fall ist, da pro Frskopfachse nur jeein Getriebe und ein Motor erforderlich sind. Das hier gezeigte Anwendungsbeispiel zeigteine mechanisch verspannte Achse miteinem HFUC-2A-GR Einbausatz in Sonder-ausfhrung. Der Flexspline des HarmonicDrive Einbausatzes ist mit einer Abtriebs-welle verbunden, die von einer vorgespann-ten Lageranordnung gesttzt wird. DieAbtriebswelle verfgt ber ein Ritzel, das indie Stirnrder von zwei Zwischenwellen ein-greift. Jede Zwischenwelle hat ein zweitesStirnrad, das sich mit dem Hauptstirnrad,welches den Frskopf antreibt, im Eingriffbefindet (in der Zeichnung nicht darge-stellt). Die beiden Zwischenwellen werdenbei der Montage des Frskopfes 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 gefhrtwird. Die Antriebswelle ist in einem kom-pakten Nadelkugellager gefhrt.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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-FrsmaschineFrskopf A-Achse

    Elektrische VerspannungMaster-Slave-Anordnung

    In einigen anspruchsvollen Anwendungenist es wnschenswert, 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 einerMaster-Slave-Anordnung verwendet, dievon zahlreichen modernen CNC-Steuerun-gen untersttzt wird. Diese Konfigurationmacht es mglich, die Vorspannung in derStirnradstufe in Abhngigkeit von derBetriebsart der Maschine zu variieren. Das hier dargestellte Beispiel zeigt die A-Achse des gleichen Frskopfes, 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 groe zentrale Hohlwelle fr dieDurchfhrung von Versorgungsleitungen frLuft, Wasser und l fr die integrierte Frs-spindel genutzt. Diese Achse wird zudem von einem sehrsteifen axial-radialen Nadelkugellagergesttzt und kann mit einem hydraulischenKlemmelement in Position geklemmt wer-den. Dadurch kann der Frskopf sowohl frDreh- als auch Frsbetrieb mit extrem hohenSchnittkrften eingesetzt werden. DasDrehmoment liegt bei dieser Achse bei12000 Nm fr die Bearbeitung von sehr gro-en Turbinenbauteilen. Die bidirektionalePositioniergenauigkeit liegt bei 0,003 Grad.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 fr Versorgungsleitungen

    In den letzten Jahren hat sich am Markt eineneue Generation von sehr kompakten 5-Achs-Bearbeitungszentren etabliert, die spe-ziell fr die Bearbeitung von komplexen Bau-teilen mit Freiform-Oberflchen entwickeltwurden. Die kompakten Abmessungen dergesamten Maschine erfordern auch eine ent-sprechend kompakte Antriebstechnik.Hier wird die konstruktive Ausfhrung desAntriebs der A- und B-Achse eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums fr die Bearbeitungvon kleinen Turbinenbauteilen beschrieben.Um die Abstnde zwischen den Drehachsenso gering wie mglich zu halten, war eswichtig, einen Antrieb von kleinstmglichenDurchmesser und Lnge zu verwenden.Dadurch wird die Steifigkeit der Maschine sohoch wie mglich 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 Fhrungsgenauigkeit desAbtriebslagers gefordert, weshalb der Getrie-beabtrieb durch ein spezielles und hoch pr-zises zweireihiges Kontaktlager untersttztwird. Diese Lager sorgt fr eine axiale undradiale Fhrungsgenauigkeit von besser als2 m, wodurch eine hhere Genauigkeit alsmit dem standardmig im CHA-Antrieb inte-grierten Kreuzrollenlager erreicht wird. DerAntrieb hat eine zentrale Hohlwelle zurDurchfhrung von Luft- und Hydraulikleitun-gen durch beide Drehachsen. Diese wird frdie Befestigung eines hochauflsendenEncoders genutzt, der als Direktmess-Systemdient und mit dem Spannfutter verbundenist, das am Abtriebsflansch des Antriebsmontiert ist.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 m,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 SonderausfhrungWave Generator Sonderausfhrung

    In Werkzeugschleifmaschinen wird dasWerkstck (z. B. Frser) mit hoher Przisionim Verhltnis zur Schleifscheibe gedreht, umkomplexe Konturen zu erhalten und eineperfekte Oberflchengte zu erzielen. DasSchlsselelement in der dargestellten In-dexier-Achse ist eine Sonderbauform desHarmonic Drive HFUC-Einbausatzes in dersogenannten Weinglas-Ausfhrung. Der Flex-splineboden ffnet dabei nach auen,wodurch eine groe Hohlwelle durch dasGetriebe gefhrt werden kann. In diesemAnwendungsfall wurde die Hohlwelle fr dieSpanneinrichtung genutzt, die das Werk-zeug whrend des Schleifprozesses klemmt(in der Abbildung nicht dargestellt). Derspezielle Werkstck-Flansch nach ISO Normwird von einem przisen Nadellager getra-gen. Diese Achse kann auch fr zylindri-sches Schleifen eingesetzt werden, washohe Antriebsdrehzahlen des Getriebes er-fordert.In diesem Beispiel ist das Getriebe lge-schmiert. Auf der Antriebsseite befindet sicheine Labyrinthdichtung, die zu verminderterReibung beitrgt und somit einen zu hohenTemperaturanstieg verhindert. Fr 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 gefhrt wird.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 frHarmonic Drive Produkte dar. Aufgrund derzunehmenden Automatisierung in der Hand-habung von Werkstcken 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-Werkstcke)und Drehmaschinen (rotationssymmetrischeWerkstcke) werden immer hufiger mitWerkzeugmagazinen ausgerstet. Aus den verschiedensten Werkzeugmagazin-Konstruktionen haben sich die Ketten- undScheibenmagazine als beste Lsung durch-gesetzt. Sie knnen ber 100 verschiedeneWerkzeuge tragen und mssen das fr dennchsten Bearbeitungsvorgang bentigteWerkzeug sehr schnell zum Werkzeug-wechsler transportieren. Bei geflltem Ma-gazin ist das Massentrgheitsmoment derzu bewegenden Werkzeuge sehr gro. Siemssen genau positioniert werden, bevorsie vom Werkzeugwechsler ausgetauschtwerden knnen. Hohe Drehmomentkapazitt, Steifigkeit so-wie hervorragende Wiederholgenauigkeitsind die Anforderungen, die an die Getriebebzw. Antriebe gestellt werden. In unseremKonstruktionsbeispiel erfllt 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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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 ber eine lngereZeit hinweg auch unbeaufsichtigt arbeitenzu lassen, wird die Werkstckhandhabungzunehmend 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 Werkstck von der Ladestationzum NC-Drehtisch des Bearbeitungszentrumsbefrdern. Der Wechsler besteht aus einemgusseisernen Wrfel mit vier Paletten, aufdenen jeweils verschiedene einzelne Werk-stcke befestigt sind. Wenn er komplettgefllt ist, trgt der Palettenwechsler gen-gend Werkstcke, so dass das Bearbei-tungszentrum fr mehrere Stunden ohneAufsichtsperson betrieben werden kann. DerAntrieb erfolgt in diesem Fall ber eine miteinem AC-Servomotor kombinierte HFUC-2UH Unit. Ein interessantes Merkmal dieserKonstruktion ist die Rckfhrung der Ein-gangswelle durch das Abtriebslager. Die Ver-bindung der Eingangswelle zum Motorerfolgt ber 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 fr minimale Still-standszeiten des Bearbeitungszentrums.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 frWerkzeugverschleikompensation

    SonderantriebLinearantrieb

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

    - Extrem kompakte Bauform- Dichtheit gegen Flssigkeiten, um den

    Einsatz im Arbeitsraum der Maschine zu ermglichen

    - Przise Zustellung im Mikrometer-Bereichwhrend der Aufnahme hoher Axialkrfte

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

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 fr niedrige Untersetzungen

    Harmonic Planetengetriebe HPG eignen sichhervorragend fr przise Anwendungen inLinear- und Drehachsen von groen Werk-zeugmaschinen, wie z. B. Vorschubachsenoder Positionieranwendungen. Das Beispielzeigt einen NC Dreh-Verschiebetisch fr dieBearbeitung von groen und schweren Werk-stcken. Durch die Kombination von rotatori-scher und linearer Achse wird auf geringstemBauraum die Mglichkeit zur Mehrseitenbear-beitung von groen Werkstcken in Frsma-schinen realisiert. Die Tischabmessungen von2 x 2 m sowie die Linearachse mit 1.500 mmHub erlauben eine Bearbeitung von Werk-stckgewichten 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 Przisionsschneckengetriebe ange-trieben. Die Zeichnung zeigt die Einbindungdes Planetengetriebes HPG in den Maschi-nengrundkrper. Die Przisionsschnecke istdirekt an das Planetengetriebe ange-flanscht. Fr den Antrieb wird ein Getriebemit konstanter Genauigkeit ohne aufwndi-gen Spieleinstellmechanismus gefordert.Planetengetriebe der Baureihe HPG gewhr-leisten gleichbleibendes, geringes Spielber die gesamte Lebensdauer.Die direkte Lagerung der Schnecke am Pla-netengetriebe setzt ein steifes und genauesAbtriebslager voraus. Die eingesetztenKreuzrollenlager in vorgespannter Aus-fhrung dienen gleichzeitig als Planetentr-ger der zweiten Stufe. Dies gewhrleisteteinen kompakten und steifen Aufbau.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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 fr 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 przise und schnell arbeiten ms-sen, werden hohe Anforderungen gestellt.Schnelle Positionier-Bewegungen im Eilgangund przises 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 Umgebungseinflssen wie Spritz-wasser und Staub knnen keine direktenMesssysteme eingesetzt werden. Die Genau-igkeit der Achsen wird in diesem Fall durchindirekte Messsysteme und prziseAntriebskomponenten erreicht.Die X-Achse mit einem Verfahrweg von 3000mm und einer maximalen Verfahrgeschwin-digkeit von 12 m/min wird ber eine Ritzel-Zahnstangenkombination angetrieben. DasAbtriebsritzel ist ohne zustzliche Lagerungdirekt am HPG-Planetengetriebe befestigt.Das Abtriebslager ist als Kreuzrollenlagerausgefhrt und erlaubt somit hohe Axial-und Radiallasten. Die Anbindung des Plane-tengetriebes an das Maschinengrundgestellerfolgt ber eine drehbar gelagerte und miteiner Feder vorgespannten Platte. DieseAnordnung erlaubt eine Verschleikompen-sation des Abtriebsritzels. In Verbindung mitdem spielarmen HPG-Planetengetriebebleibt ber die gesamte Lebensdauer diePositioniergenauigkeit der Achse erhalten.

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    Machine ToolsWerkzeugmaschinen

    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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    FalzapparatBack-to-back Differentialantrieb

    DifferentialgetriebeTandemanordnung: Back-to-back

    Die dargestellte Antriebseinheit dient zurPhasenverstellung in einem Falzapparat, dermit einer Offset-Druckmaschine verbundenist. Die Verstellung kann sowohl whrenddes Betriebes als auch im Stillstand derDruckmaschine vorgenommen werden, waseinen wesentlichen Vorteil gegenber ande-ren Verstellmethoden darstellt. Darber hin-aus lsst sich die Phasenverstellung umvolle 360 in beiden Drehrichtungen durch-fhren. Die Drehzahlbertragung auf den Verstell-antrieb erfolgt von der Hauptantriebswelleber 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, whrendder 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 przise Phasen-kontrolle kann dann in beiden Dreh-richtungen ber den Verstellantrieberfolgen. Diese Lsung bietet eine sehrhohe Leistungsdichte und ermglicht einekoaxiale Anordnung von An- und Abtrieb.

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    Printing MachinesDruckmaschinen

    FolderBack-to-back Differential Drive

    Differential gearBack-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

    Sonderausfhrung fr Dauerbetrieb

    In Falzapparaten gibt es zahlreiche Anwen-dungen fr 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 lschmierung versehen.Im Dauerbetrieb muss darauf geachtet wer-den, dass der zulssige Wert fr die ltem-peratur nicht berschritten wird. Gegebe-nenfalls muss die lmenge erhht werden.Im gezeigten Beispiel wurde das Getrie-begehuse auf der Antriebsseite derartmodifiziert, dass es zustzlichen Platz frdie erforderliche lmenge bietet. Derlstand kann mittels lstandsanzeige kon-trolliert werden.

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    Printing MachinesDruckmaschinen

    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 frZugwalzenverstellung

    Sonderantrieb

    Neben den verschiedenen Differentialantrie-ben sind auch zunehmend Sonderantriebefr Positionieraufgaben im Druckmaschinen-bereich gefragt. Der HDPL-Linearantrieb dient hier beispiels-weise zur Verstellung von Zugwalzen ineinem Falzapparat. Der Antrieb drckt die Walzen mit einergenau definierten Druckkraft zusammen.Eine der Zugwalzen ist fixiert, whrend dieandere mit Hilfe eines Schwenkarms radialzugestellt werden kann.Bei der bisherigen Lsung wurden die Wal-zen ber einen Pneumatikzylinder zusam-mengedrckt. 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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    Printing MachinesDruckmaschinen

    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 Abhngigkeit von derVerstelldrehzahl mit hchster Przision inGeschwindigkeit oder Phasenlage verndertwerden. Mit seinen drei Grundelementenlsst sich das Harmonic Drive Getriebe idealals Differentialgetriebe einsetzen, wobeigrundstzlich folgende Getriebeanordnun-gen mglich sind:1. Hauptantrieb ber Circular Spline und Ab-

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

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

    Die Drehzahlfeinverstellung erfolgt immerber den Wave Generator. Der wesentlicheUnterschied zwischen diesen beiden An-triebsanordnungen liegt in dem Drehzahl-verhltnis zwischen An- und Abtrieb. Ist derFlexspline das Abtriebselement, dreht derangetriebene Circular Spline in der Regellangsamer, whrend bei abtreibendem Cir-cular Spline der angetriebene Flexsplineschneller dreht. Der Registerantrieb einer Flexodruckma-schine erfolgt ber eine HFUC-2UH Unit.Der im Gehuse der Unit integrierte CircularSpline wird ber einen Zahnriemen ange-trieben. Die Unit ist in der Riemenscheibeuntergebracht. Die Drehzahlfeinverstellungerfolgt ber ein Handr