Nadellager in der Robotik: Drehmomentdichte und Präzision sicher erreichen

In der Robotik richtet sich die Aufmerksamkeit meist auf komplexe Software und Bildverarbeitungssysteme. Auch auffällige Endeffektoren stehen häufig im Mittelpunkt.

Im Kern jedes leistungsstarken Roboterarms steht die Hardware, die Präzision überhaupt erst ermöglicht: die Wälzlager. Unter diesen zählenNadellagerzu einer bevorzugten Lösung für Ingenieure entwickelt, die das Spannungsfeld zwischen Bauraum und Tragfähigkeit beherrschen müssen.

Warum Nadellager ideal für Robotersysteme sind

Robotische Baugruppen stehen vor drei gleichzeitigen Anforderungen:

• Begrenzter Einbauraum

• Hohe, konzentrierte Radialbelastungen

• Kontinuierliche Bewegungszyklen bei wechselnden Drehzahlen

Nadellager überzeugen in diesem Umfeld, weil sie Folgendes bieten:

• Hohe Tragfähigkeit bei extrem kompakten Bauraummaßen

• Hohe Steifigkeit, die für präzise und wiederholgenaue Bewegungen unerlässlich ist

• Geringes Gewicht, das das dynamische Ansprechverhalten und die Energieeffizienz verbessert

• Hohe Stoßbelastbarkeit, die in der Industrierobotik besonders wichtig ist

• Lange Lebensdauer auch bei oszillierenden oder reversierenden Bewegungen

Dass sie strukturelle Steifigkeit bieten, ohne die Baugröße zu vergrößern, macht sie entscheidend für hohe Positioniergenauigkeit.

Präzision und Wiederholgenauigkeit in Roboterachsen verbessern

Präzision ist die Grundlage moderner Robotik. Bereits kleinste Durchbiegungen oder ein geringes Spiel können Wiederholgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Taktzeit verschlechtern.

Nadellager verbessern die Leistungsfähigkeit von Gelenken, indem sie Folgendes ermöglichen:

• Hohe radiale Steifigkeit zur zuverlässigen Ausrichtung von Zahnrädern und Wellen

• Minimales Lagerspiel zur Reduzierung von Spiel in Aktuatorgelenken

• Konstantes Wälzverhalten für eine verbesserte Servodynamik

In Roboterarmen, insbesondere in 6-Achs- oder SCARA-Konfigurationen, ermöglichen diese Eigenschaften auch bei hohen Beschleunigungen eine ruhigere und stabilere Bewegung.

Unterstützung von Getrieben mit hoher Leistungsdichte und hohem Drehmoment

Die meisten robotischen Aktuatoren arbeiten mit hochübersetzenden Getrieben – Harmonic Drives, Planetengetrieben und Zykloidengetrieben. Diese Systeme erzeugen konzentrierte radiale Kräfte und sind auf Wälzlager angewiesen, um die Ausrichtung sicherzustellen und die innere Reibung zu reduzieren.

Nadellager werden häufig eingesetzt in:

• Planetenrädern in Planetengetrieben

• Abtriebswellen in Harmonic Drives

• Zykloidscheiben in Präzisionsgetrieben

Ihr kompakter Außendurchmesser und ihre hohe Tragfähigkeit bieten erhebliche konstruktive Vorteile. Dadurch können Getriebeentwickler eine höhere Drehmomentdichte erzielen – eine zentrale Kenngröße in der industriellen und mobilen Robotik.

Kompakte und leichte Aktuatoren ermöglichen

Gewichtsreduzierung ist bei kollaborativen Robotern (Cobots), Drohnen, humanoiden Robotern und Medizinrobotern von entscheidender Bedeutung. Eine Verringerung der Aktuatorgröße wirkt sich in der Folge auf folgende Faktoren aus:

• Geringerer Energieverbrauch

• Schnellere Beschleunigungs- und Verzögerungswerte

• Geringere Motorerwärmung

• Kompaktere Tragstrukturen

• Nadellager unterstützen diese Konstruktionsziele durch:

• Minimierung des Lagersdurchmessers bei gleichbleibender Tragfähigkeit

• Reduzierung des Gesamtgewichts der Baugruppe

• Der Bedarf an größeren und schwereren Wälzkörpern entfällt

Das Ergebnis sind leichtere, effizientere Aktuatoren mit dauerhaft hoher Lebensdauer.

Ausgelegt für Stöße, Schwingungen und wechselnde Belastungen

Roboter arbeiten häufig in anspruchsvollen Umgebungen:

• Pick-and-Place-Maschinen mit schnellen Start-Stopp-Zyklen

• AGVs und AMRs mit Stoßbelastungen durch Bodenunebenheiten

• Industrieroboter mit Stoßbelastungen beim Werkzeugwechsel

Nadellager nehmen Stoßbelastungen aufgrund ihrer großen Kontaktfläche sehr gut auf. Vollrollige Ausführungen ohne Käfig bieten eine maximale Rollendichte und eignen sich daher besonders für:

• Anwendungen mit hohen Stoßbelastungen

• Niedrige bis mittlere Drehzahlen unter hoher Last

• Schwenkbewegungen, wie sie in Robotergelenken üblich sind

Dadurch erhöhen sich die Verfügbarkeit und die Betriebssicherheit, während der Wartungsaufwand sinkt – insbesondere in 24/7-Produktionsumgebungen.

Kompatibilität mit aktuellen Trends in der Robotik

• Elektrifizierung: Da Roboter zunehmend kompakte, hochdrehende Elektroantriebe einsetzen, unterstützen Nadellager die Beherrschung höherer Drehmomente und Temperaturen.

• Miniaturisierung: Mikro-Aktuatoren und kompakte Roboter erfordern kleinere Lager mit hoher mechanischer Belastbarkeit – ein idealer Einsatzbereich für Nadellager-Konstruktionen.

• Vorausschauende Instandhaltung und Sensorik: Moderne Lagersysteme lassen sich in Schwingungs-, Temperatur- und Lastsensoren integrieren. Die stabile Geometrie von Nadellagern macht sie für intelligentes Zustandsmonitoring besonders geeignet.

• Leichtbauwerkstoffe: Polymere, Edelstahl und hybride Keramikelemente erweitern das Einsatzspektrum in der Robotik. Sie sind besonders vorteilhaft in Umgebungen mit Feuchtigkeit, Chemikalien oder hohen Drehzahlen.

Kritische Anwendungen in der Robotik

Diese Lager kommen in bestimmten hochbeanspruchten Bereichen zum Einsatz:

• Robotergelenke (Ellbogen und Handgelenke): Wenn der Bauraum für ein voluminöses Kugellager zu gering ist, die Drehmomentbelastungen jedoch hoch sind.

• Endeffektoren (Greifer): Im Fingerbereich eines Roboters, wo der Bauraum besonders knapp bemessen ist.

• Exoskelette: Tragbare Roboter müssen eng am menschlichen Körper anliegen. Nadellager ermöglichen flach bauende, unauffällige Gelenke.

• Harmonische Antriebe / Getriebe: Nahezu alle Roboterarme arbeiten mit hochpräzisen Verzahnungen. Zur Abstützung der Wellen setzen diese Getriebe auf Nadellager.

Aktuelle Innovationen: Die „Cobot“-Revolution

Die derzeit wichtigste Entwicklung in diesem Bereich ist der Trend zu kollaborativen Robotern (Cobots). Da Cobots direkt mit Menschen zusammenarbeiten, müssen sie leicht gebaut und kollisionssensibel ausgelegt sein.

• Die XZU-Innovation: Hersteller wie Schaeffler haben jüngst das XZU-Schrägkugellager mit Nadeln eingeführt.

• Das Problem: Herkömmliche Kreuzrollenlager, lange Zeit der Standard für Robotergelenke, wiesen zu hohe Reibung auf.

• Die Lösung: Die XZU-Konstruktion nutzt zwei Laufbahnen mit geneigt angeordneten Nadeln.

• Das Ergebnis: Gegenüber bisherigen Standards bietet es 30% mehr Steifigkeit und 20% geringere Reibung. Dadurch bewegen sich Cobots gleichmäßiger und verbrauchen weniger Batterieleistung.

Kurzer Vergleichsleitfaden

Einen vertieften Vergleich von Nadellagern mit anderen Wälzlagerbauarten über diese Kurzübersicht hinaus finden Sie in unseremvollständigen Auswahlleitfaden.

Lager und Komponenten für die Robotik

Die Schaeffler Corporation zählt zu den führenden Anbietern in diesem Bereich. Das Unternehmen bietet ein breites Spektrum an Komponenten und Lagerlösungen für Roboteranwendungen.

Schaeffler Bearing Company verfügt über eines der umfassendsten Sortimente an Lagern und Roboterkomponenten in der Branche.

Das Portfolio umfasst eine Präzisions-Reibradgetriebe-Serie, die sowohl für klassische als auch für Leichtbauroboter ausgelegt ist. Diese Baureihe verfügt über einen integrierten Drehmomentsensor im Getriebe.

Schaeffler bietet zudem die PSC-Serie präziser Planetengetriebe an. Dabei steht „P“ für Präzision, „S“ für leisen Betrieb und „C“ für konstante Leistung. Diese Getriebe sind speziell für industrielle Roboteranwendungen ausgelegt.

Schaeffler bietet zwei Serien präziser Reibradgetriebe an, die sowohl für konventionelle als auch für Leichtbau-Industrieroboter entwickelt wurden.

Das Unternehmen liefert außerdem die PSC-Baureihe präziser Planetengetriebe für industrielle Robotersysteme.

Über Getriebelösungen hinaus umfasst das Portfolio von Schaeffler eine breite Auswahl an linearen Roboterkomponenten für Anwendungen wie Reichweitenerweiterung und fortschrittliche Greifmechanismen.

Die Komponenten der Standard- und High-Torque-Baureihen von INA werden als komplett montierte Einheiten und als Gelenkarmmodule angeboten. Jede Einheit vereint Motor, Harmonic Drive und Abstützung des Abtriebslagers.

Optional kann auch ein Drehmomentsensor integriert werden, wodurch ein präzise abgestimmtes mechatronisches System entsteht. Diese Ausführung bietet eine hohe Drehmomentdichte, hohe Genauigkeit und eine lange Lebensdauer.

Für Gelenkanwendungen mit höchster Steifigkeit sind Kreuzrollenlager eine ausgezeichnete Wahl. In der INA-Baureihe XSU trennen kurze Distanzstücke die Zylinderrollen voneinander; dadurch werden Reibung reduziert und die Geräuschentwicklung im Betrieb minimiert.

INA-SGL-Schrägrollenlager werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit von Herstellern von Präzisionsgetrieben häufig eingesetzt. Ihr kompakter Querschnitt ermöglicht eine hohe Genauigkeit und prädestiniert sie für Robotergelenke.

In der Robotik kommen diese Lager typischerweise in Servoantrieben, Gelenkmechanismen sowie als Abtriebslager in Planetengetrieben zum Einsatz.

INA bietet für Robotikanwendungen, die eine höhere Kippsteifigkeit erfordern, eine Alternative zu Kreuzrollenlagern. Die INA-Schrägrollen-Nadellager der Baureihe XZU besitzen die gleichen Außenabmessungen wie Kreuzrollenlager.

Damit sind sie vollständig austauschbar. Ihre Konstruktion mit zwei getrennten Laufbahnen sorgt für einen größeren Stützweitenabstand und erhöht so die Steifigkeit.

Die Käfige führen die Rollen präzise, verringern die Reibung und schaffen bei Bedarf zusätzlichen Raum für die Schmierung.

Die fortschrittlichen Monorail-Führungssysteme von INA eignen sich ebenfalls hervorragend für ein breites Spektrum industrieller Robotikanwendungen. Diese Systeme nutzen in X-Anordnung angeordnete Laufbahnen. Sie bieten Hochgeschwindigkeitsausführungen mit bis zu 10 m/s, ohne dass dafür kostspielige Spezialwerkstoffe erforderlich sind. Sechsspurige Umlaufkugel- und Führungswagen-Einheiten gewährleisten dabei eine ruhige, zuverlässige Bewegung.

Das passende Nadellager für die Robotik auswählen

Robotikingenieure wählen typischerweise zwischen:

• Nadellager mit Tiefgezogenem Außenringfür besonders kompakte Gehäuse

• Nadellager mit Käfig für hohe Drehzahlen oder Dauerrotation

• Nadellager mit Vollrollensatz für hohe radiale oder oszillierende Belastungen

• Kombinierte Radial-Axial-Nadellager für mehrachsige Belastungen in komplexen Gelenken

Jede dieser Ausführungen folgt derselben grundlegenden Auswahllogik, die wir in unserem Leitfaden ausführlich behandeln zuNadellagerbauarten und -eigenschaften.

Wichtige Auswahlkriterien sind:

• Einschaltdauer

• Erforderliche Steifigkeit

• Verteilung von Radial- und Axiallasten

• Verfügbarer Bauraum im Getriebe oder Gelenk

• Schmierbedingungen

• Erwartete Stoßlastfrequenz

Eine sorgfältige Auswahl ermöglicht messbare Leistungssteigerungen im gesamten Robotersystem.

In der Robotik sind weitere Lagertypen verfügbar

In Robotersystemen kommen verschiedene Lagertypen zum Einsatz, um eine präzise Bewegungssteuerung zu gewährleisten und unterschiedliche mechanische Ausführungen abzudecken. Die Auswahl des geeigneten Lagers richtet sich nach den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.

Dazu zählen die erforderliche Tragfähigkeit, die Betriebsgeschwindigkeit, das Genauigkeitsniveau sowie die Umgebungsbedingungen. Zu den in der Robotik häufig eingesetzten Lagerkategorien gehören die folgenden.

Kugellager: Diese Lager nutzen Wälzkugeln, um die Reibung zwischen den bewegten Oberflächen zu minimieren. Sie werden häufig in Robotergelenken und Bewegungsmechanismen eingesetzt. Sie können sowohl Radial- als auch Axiallasten aufnehmen und dabei bei hohen Drehzahlen betrieben werden. Schrägkugellager eignen sich besonders für Anwendungen, in denen kombinierte Radial- und Axiallasten sicher beherrscht werden müssen.

Rollenlager: Diese Lager verfügen über zylindrische, konische oder sphärische Rollen und sind für hohe Radiallasten ausgelegt. Sie eignen sich besonders für Robotikanwendungen mit erhöhten Tragfähigkeitsanforderungen. Typische Beispiele sind Roboterarme und schwere Automatisierungstechnik. Gängige Ausführungen sind Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager und Pendelrollenlager.

Linearlager: Linearlager ermöglichen eine leichtgängige und präzise geradlinige Bewegung. Sie sind in Robotersystemen unverzichtbar, wenn exakte lineare Verfahrbewegungen gefordert sind. Zu den gängigen Ausführungen zählen Linearkugellager, Linearrollenlager sowie Gleitlager-Varianten wie Buchsen und Linearführungen.

Gelenklager: Diese Lager werden auch als Gelenklager oder Stangengelenkköpfe bezeichnet. Sie ermöglichen Schiefstellungen und oszillierende Bewegungen. Sie kommen häufig in Robotersystemen zum Einsatz, bei denen verbundene Komponenten Winkelabweichungen oder mehrachsige Bewegungen ausgleichen müssen.

Axiallager: Diese Lager sind für die Aufnahme axialer Belastungen ausgelegt. Sie werden häufig in Robotersystemen eingesetzt, die Axialkräfte abstützen müssen. Typische Anwendungen sind Aktuatoren und Mechanismen, die auf Schubkräfte ausgelegt sind.

Keramiklager: Keramiklager verwenden Wälzkörper oder Laufbahnen aus Keramik. Sie sind steifer, leichter und korrosionsbeständiger als Stahllager. Besonders geeignet sind sie für Hochgeschwindigkeits-Robotersysteme oder für Umgebungen, in denen Korrosionsschutz von entscheidender Bedeutung ist.

Magnetlager: In spezialisierten Anwendungen bieten Magnetlager eine reibungsfreie, berührungslose Lagerung. Durch den Einsatz magnetischer Felder zum Schweben und Regeln rotierender Bauteile ermöglichen sie einen hochpräzisen, wartungsfreien Betrieb.

Fazit

Nadellager sind weit mehr als kompakte Wälzlagerbauformen. In der Robotik sind sie ein entscheidender Enabler für Präzision, Steifigkeit, Drehmomentdichte und kompakte Bauweise.

Mit der Entwicklung der Automatisierung hin zu leichteren, schnelleren und intelligenteren Maschinen werden Nadellager weiterhin eine Schlüsselrolle spielen. Sie sind unverzichtbar, wenn zuverlässige und leistungsfähige Bewegungsabläufe sichergestellt werden sollen.

Wenn Ihr Roboter kompakte Bauteile mit hoher Tragfähigkeit benötigt, sind Nadellager häufig die beste Wahl. Aus technischer Sicht stellen sie oft die optimale Lösung dar.

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