Wenn Sie schon einmal beobachtet haben, wie ein Fließband in einer Fabrik, eine Materialtransportstation oder eine kleine Fertigungszelle Teile präzise bewegt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass hinter der Arbeit ein 3-Achsen-Servoroboter steckt. Diese kompakten, zuverlässigen Roboter sind die Arbeitspferde vieler Betriebe und werden für ihre Einfachheit, Erschwinglichkeit und konstante Leistung geschätzt. Aber wenn Sie einen kaufen oder Ihr aktuelles Setup aufrüsten möchten, stellt sich fast immer die Frage: Wie hoch ist die Tragfähigkeit jeder Achse eines 3-Achsen-Servoroboters?
Als Lieferant dieser Roboter bekomme ich diese Frage fast täglich. Es ist keine triviale Sache. Eine Fehleinschätzung der Belastbarkeit, insbesondere einzelner Achsen, ist ein häufiger Fehler, der zu vorzeitigem Verschleiß, Ausfallzeiten oder sogar beschädigten Teilen führt. Im Laufe der Jahre habe ich mit allen zusammengearbeitet, von kleinen, neu gegründeten Maschinenwerkstätten bis hin zu großen Herstellern von Automobilkomponenten, und ich habe aus erster Hand gesehen, wie die richtige Belastung jeder Achse die Lebensdauer eines Roboters beeinflusst oder verkürzt.
Lassen Sie uns zunächst ein wenig zurückblicken, um sicherzustellen, dass wir uns alle einig sind: Ein 3-Achsen-Servoroboter verfügt über drei Hauptbewegungsachsen, die fast immer Schulter-, Ellenbogen- und Handgelenksachse genannt werden. Manche Leute verwechseln Begriffe, aber im Hinblick auf die Tragfähigkeit ist es am einfachsten, sich jede Achse als ein Gelenk vorzustellen, das einen bestimmten Teil des Roboterarms bewegt. Die Basisachse (oft als J1-Achse bezeichnet) dreht den gesamten Arm nach links und rechts, die Schulterachse (J2) hebt und senkt den Oberarm, die Ellbogenachse (J3) streckt oder zieht den Unterarm zurück und bei einigen kleinen 3-Achsen-Designs könnte das Handgelenk zu einem festen Endeffektor statt zu einem rotierenden Gelenk vereinfacht werden. Moment mal – lassen Sie mich das klarstellen: Einige Anbieter zählen nur die drei Hauptgelenke, also J1, J2, J3, und der Griff des Endeffektors ist ein separates Werkzeug, keine Achse. Das ist ein wichtiger Unterschied, denn er verändert die Art und Weise, wie wir die Belastung messen.
Nun ist die Tragfähigkeit keine einheitliche Zahl für den gesamten Roboter – sie ist für jede Achse unterschiedlich und hängt von einigen Faktoren ab: der Länge jedes Armsegments, der Geschwindigkeit, mit der Sie sich bewegen, dem Gewicht des Endeffektors (wie Greifer oder Saugnäpfe) und sogar wie oft Sie den Roboter starten und stoppen. Beispielsweise hat ein Roboter, der ein schweres Teil langsam bewegt, eine höhere effektive Last als einer, der dasselbe Teil mit voller Geschwindigkeit bewegt, da durch Beschleunigung und Verzögerung Kraft auf die Gelenke ausgeübt wird.
Lassen Sie uns jede Achse aufschlüsseln, basierend auf den standardmäßigen 3-Achsen-Servorobotern, die wir hier liefern.
Beginnend mit der J1-Achse – der Basisachse, die den gesamten Roboterarm horizontal dreht. Dies ist die „Schulter“ der Basis und dafür verantwortlich, das gesamte Gewicht des Oberarms, des Unterarms, des Endeffektors und aller getragenen Lasten zu tragen. Es ist also die Achse mit der höchsten Tragfähigkeit, oder? Eigentlich nicht immer. Warten Sie, nein, seien wir hier präzise. Bei den meisten 3-Achsen-Robotern, die für Materialhandhabung und einfache Montage konzipiert sind, ist die J1-Achse so konstruiert, dass sie die gesamte Nutzlast bei voller Armausfahrung bewältigen kann. Wenn Ihr Roboter eine maximale Reichweite von 1 Meter hat und Sie den Arm ganz ausfahren, muss der J1 diese volle Last tragen, zuzüglich des durch die verlängerte Länge erzeugten Drehmoments des Hebelarms. Ein häufiger Fehler, den Kunden machen, ist der Gedanke: „Wenn mein Teil 5 kg wiegt, kann jede Achse 5 kg tragen.“ Aber das stimmt überhaupt nicht. Wenn der Arm vollständig ausgestreckt ist, muss die J1-Achse nicht nur dem 5-kg-Teil widerstehen, sondern auch der Kraft dieses Gewichts, das beim Drehen nach außen zieht. Deshalb hat die J1-Achse bei unserem standardmäßigen 3-Achsen-Servoroboter je nach Modell eine Tragfähigkeit zwischen 10 kg und 20 kg. Aber das ist in vollem Gange. Wenn Sie mit der halben maximalen Reichweite arbeiten, kann der J1 sogar noch mehr bewältigen – bis zu 30 kg bei einigen unserer schwereren Modelle.
Als nächstes folgt die J2-Achse, die Schulterachse, die den Oberarm hebt und senkt. Diese Achse ist für die Unterstützung des unteren Teils des Arms, des Unterarms und der Nutzlast verantwortlich, muss aber nicht wie der J1 dem vollen Drehmoment der horizontalen Drehung standhalten. Stattdessen muss es die vertikale Last bewältigen, wenn sich der Arm auf und ab bewegt. Seine Tragfähigkeit ist in den meisten Betriebsbereichen etwas geringer als beim J1. Beispielsweise kann die J2-Achse bei mittlerer Armstreckung typischerweise zwischen 8 kg und 15 kg bewältigen. Der Kompromiss ist hier die Geschwindigkeit: Wenn Sie den Arm schnell zwischen den Positionen bewegen, muss der J2 mehr Drehmoment erzeugen, um diese Auf-/Abwärtsbewegung zu beschleunigen, sodass seine effektive Tragfähigkeit bei höheren Geschwindigkeiten abnimmt. Aus diesem Grund raten wir unseren Kunden immer, die Geschwindigkeit ihres Roboters an ihre Lastanforderungen anzupassen. Wenn ein Roboter mit maximaler Geschwindigkeit und nahezu maximaler Last betrieben wird, führt dies zu vorzeitigem Lagerverschleiß in der J2-Achse, was später kostspielige Reparaturen nach sich zieht.
Dann gibt es noch die J3-Achse, die Ellenbogenachse, die den Unterarm streckt und zurückzieht. Dies ist die Achse mit der geringsten Tragfähigkeit der drei Hauptachsen und wird oft am häufigsten übersehen. Die J3-Achse trägt nur das Gewicht des Unterarms, des Endeffektors und der Nutzlast, wenn der Arm vollständig ausgefahren oder eingefahren ist. Da der Unterarm ein Hebel ist, muss der J3 den Biegekräften vom Ende des Arms standhalten, wenn Sie den Unterarm ganz nach außen strecken. Seine Tragfähigkeit liegt in der Regel zwischen 5 kg und 10 kg, wiederum abhängig von Modell und Einsatzbereich. Das Besondere an dieser Achse ist, dass sie dem Ende des Arms am nächsten liegt, sodass selbst ein kleiner überlasteter Teil hier eine erhebliche Belastung für das Gelenk verursachen kann. Ich erinnere mich an einen Kunden, der vor ein paar Jahren einen 3-Achsen-Roboter kaufte, um kleine Metallstanzteile zu bewegen. Er lud Teile bis an die Spitze des ausgestreckten Unterarms und machte innerhalb von sechs Monaten immer wieder das Getriebe des J3 kaputt. Es stellte sich heraus, dass er 8-kg-Teile auf eine Achse montierte, die nur für 5 kg ausgelegt war, weil er nicht wusste, dass die Kapazität des J3 geringer war als die der anderen beiden. Als er auf ein Modell mit höherer J3-Kapazität umstieg, sank seine Ausfallzeit auf nahezu Null.
Lassen Sie uns nun über die Faktoren sprechen, die diese Zahlen verändern, denn sie sind nicht in Stein gemeißelt. Erstens, Armlänge. Wir haben Modelle mit 500-mm-Reichweiten, 800-mm-Reichweiten und noch längeren Modellen. Für Anwendungen mit größerer Reichweite wechseln viele Kunden jedoch zu mehrachsigen Robotern wie 5-Achsen-Servorobotern, die mehr Präzision für längere Arbeiten bieten. Apropos: Wenn Ihre Anwendung mehr Flexibilität erfordert, als drei Achsen bieten können, ist unsere 5-Achsen-Reihe eine großartige Option, einschließlich eines universellen 5-Achsen-Servoroboters und eines fünfachsigen AC-Servo-Manipulators, die für höhere Lasten und komplexere Pfade ausgelegt sind. Ein weiterer Faktor ist der Endeffektor. Ein pneumatischer Greifer könnte 1 kg wiegen, während ein kundenspezifischer hydraulischer Greifer 5 kg wiegen könnte, und dieses Gewicht muss bei der Berechnung der Belastung jeder Achse zur Nutzlast addiert werden. Das prüfen wir bei der Angebotserstellung für einen Roboter immer: Wir fragen nach dem Gewicht des von Ihnen verwendeten Werkzeugs, damit wir unsere Kapazitätsempfehlungen entsprechend anpassen können.
Geschwindigkeit ist ein weiterer großer Faktor. Alle unsere Tragfähigkeitswerte basieren auf Standardbetriebsgeschwindigkeiten für den Dauereinsatz. Wenn Sie den Roboter jeden Tag den ganzen Tag mit 100 % Geschwindigkeit betreiben, sollten Sie Ihre tatsächliche Nutzlast um 15–20 % reduzieren, um die Lebensdauer des Roboters zu verlängern. Wenn Sie es für langsamere, präzisere Vorgänge verwenden, können Sie näher an die Nennkapazität herankommen. Auch der Arbeitszyklus – wie oft Sie den Roboter anhalten und starten. Anwendungen mit sehr kurzen Zykluszeiten (wie das Aufnehmen und Platzieren von Teilen alle 2 Sekunden) belasten alle Achsen stärker, daher sind geringere Belastungen hier besser.
Ich werde oft gefragt: „Gibt es eine Möglichkeit, einen 3-Achsen-Roboter aufzurüsten, wenn ich eine höhere Tragfähigkeit benötige?“ Die kurze Antwort lautet: Normalerweise nicht, da der Motor, das Getriebe und die Lager jeder Achse für eine bestimmte Last dimensioniert sind. Deshalb ist es wichtig, es gleich beim ersten Mal richtig zu machen. Wenn Sie es mit schweren Nutzlasten oder Anwendungen zu tun haben, bei denen bewegliche Teile weit entfernt von der Basis erforderlich sind, ist ein 3-Achsen-Modell möglicherweise nicht die beste Lösung, und Sie erzielen eine bessere Leistung mit einem Modell mit längerem Arm oder einem mehrachsigen Design. Wenn Sie beispielsweise über einen großen Arbeitsbereich greifen müssen, ist unser professioneller Manipulator mit superlanger Armlänge für eine größere Reichweite bei gleichbleibender Tragfähigkeit ausgelegt.
Viele Menschen fragen sich auch, wie 3-Achsen-Roboter im Vergleich zu anderen Typen abschneiden. Für Anwendungen mit sehr hohen Lasten, wie das Bewegen von Teilen mit einem Gewicht von mehr als 50 kg, könnte ein Parallelroboter eine Option sein, diese sind jedoch besser für sehr schnelle, leichte Nutzlasten. 3-Achsen-Servoroboter bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Belastbarkeit, Kosten und Einfachheit, weshalb sie so beliebt sind. Sie sind einfacher zu programmieren als 5-Achsen-Roboter und kompakter als größere Industriearme für kleine bis mittlere Arbeitszellen. Wenn Ihre Anforderungen wachsen, verfügen wir natürlich auch über die 5-Achsen-Druckgussroboter-Reihe, die für schwere Druckgussvorgänge mit hoher Geschwindigkeit konzipiert ist und weitaus höhere Gesamtlasten bewältigen kann als unsere standardmäßigen 3-Achsen-Modelle.
Hier ist ein Tipp, den ich im Laufe der Jahre der Zusammenarbeit mit Kunden gelernt habe: Achten Sie nicht nur auf die Gesamtnutzlast des Roboters, sondern auch auf die individuelle Tragfähigkeit jeder Achse, insbesondere für die J3-Achse. Die meisten Hersteller geben im Datenblatt des Roboters die Gesamtnutzlast an, geben jedoch keine Aufschlüsselung der Kapazität pro Achse an, die tatsächlich für eine langfristige Zuverlässigkeit erforderlich ist. In unserem Unternehmen stellen wir stets eine vollständige Aufschlüsselung der Tragfähigkeit jeder Achse sowie der Reichweite, Geschwindigkeit und anderer Spezifikationen bereit, damit unsere Kunden nicht überrascht werden.
Ein weiterer häufiger Fehler ist die Fehleinschätzung des Momentarms. Der Hebelarm ist der Abstand von der Achse zum Schwerpunkt der Last. Wenn Sie beispielsweise ein 10-kg-Teil am Ende eines 800-mm-Unterarms haben, beträgt das Moment 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, was einer großen Kraft auf der J3-Achse entspricht. Wenn Sie denselben Teil auf halber Strecke des Unterarms bewegen, sinkt das Moment auf 10 kg * 0,4 m = 4 kg·m, sodass die J3-Achse dies problemlos bewältigen kann. Deshalb ist es genauso wichtig zu wissen, wo Ihre Last relativ zu den einzelnen Achsen positioniert ist, wie das Gewicht der Last zu kennen.
Wenn Sie immer noch nicht sicher sind, welche Tragfähigkeit Sie für jede Achse benötigen, wenden Sie sich am besten an unser Team. Wir haben Hunderten von Kunden dabei geholfen, den richtigen 3-Achsen-Servoroboter auszuwählen (oder auf ein Mehrachsenmodell umzusteigen), basierend auf ihren spezifischen Anforderungen an Anwendung, Nutzlast, Reichweite und Geschwindigkeit. Beispielsweise benötigt ein Kunde in der Elektronikindustrie möglicherweise einen kleinen 3-Achsen-Roboter mit einer J1-Kapazität von 5 kg für die Handhabung von Leiterplatten, während ein Kunde in der Metallstanzerei möglicherweise ein schwereres J1-Modell mit 20 kg für den Transport großer Stanzteile benötigt. Wir arbeiten auch mit Kunden zusammen, um Setups anzupassen, wenn sich ihre Bedürfnisse im Laufe der Zeit ändern, und wir bieten Unterstützung bei der Integration von Endeffektoren und anderen Komponenten.
Ich sollte auch erwähnen, dass die Tragfähigkeit nicht der einzige Faktor bei der Auswahl eines 3-Achsen-Servoroboters ist. Präzision, Wiederholgenauigkeit, Energieeffizienz und einfache Programmierung sind wichtig, aber die Belastbarkeit ist die Grundlage. Ein Roboter, der alle richtigen Stellen erreichen kann, sich schnell bewegt und einfach zu programmieren ist, ist nutzlos, wenn er ausfällt, weil Sie die J3-Achse überlastet haben.
Lassen Sie mich dies mit einer kurzen Zusammenfassung abschließen, um sicherzustellen, dass es klar ist: Bei einem standardmäßigen 3-Achsen-Servoroboter hat jede Achse eine unterschiedliche Tragfähigkeit, wobei die J1-Achse (Basis) die stärkste ist, gefolgt von J2 (Schulter) und dann J3 (Ellenbogen) als die schwächste. Diese Zahlen ändern sich je nach Armlänge, Geschwindigkeit, Gewicht des Endeffektors und der Entfernung der Last von der Achse. Es ist immer besser, die erforderliche Last zu unterschätzen und etwas höher zu gehen, als man für nötig hält, anstatt den Roboter an seine Grenzen zu bringen, was zu mehr Wartungsaufwand und Ausfallzeiten führt.
Wenn Sie auf der Suche nach einem 3-Achsen-Servoroboter sind oder ein Upgrade auf eine Mehrachsenlösung für schwerere oder flexiblere Anwendungen in Betracht ziehen, sind wir für Sie da. Unser Team kann Sie durch die Spezifikationen führen, Fragen zur Tragfähigkeit pro Achse beantworten und Ihnen helfen, den richtigen Roboter für Ihren Betrieb zu finden. Ganz gleich, ob Sie ein kleines Allzweckmodell oder einen Spezialroboter für eine bestimmte Branche benötigen, wir haben Optionen, die Ihren Anforderungen entsprechen.
Referenzen:
- Industrieroboter: Tragfähigkeit und Achsenleistung, Robotics Industry Association, 2022
- Servo Robot Design: Torque and Load Calculations, Mechanical Engineering Journal, Band 15, Ausgabe 3, 2021
- Anwendungen von Materialtransportrobotern: Häufige Missverständnisse über Nutzlast, Manufacturing Engineering Magazine, 2023
- Leistungsspezifikationen für Industrieroboter, ISO 10218-1:2011
Wenn Sie Ihre Lastanforderungen oder Anwendungsanforderungen besprechen oder ein individuelles Angebot anfordern möchten, wenden Sie sich bitte an unser Team, um professionelle Beratung bei der Auswahl des richtigen 3-Achsen-Servoroboters für Ihren Betrieb zu erhalten.