DE102019120320A1

DE102019120320A1 - Safety coupling, method for operating a safety coupling and robotic device

Info

Publication number: DE102019120320A1
Application number: DE102019120320.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Ginner; Jens Reinecke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Sicherheitskupplung (100) aufweisend ein erstes Kupplungsteil (102) und ein zweites Kupplungsteil (104), wobei die Sicherheitskupplung (100) drehmomentabhängig zwischen einer geschlossenen Schaltstellung und einer offenen Schaltstellung schaltbar ist und eine Bremsvorrichtung (122) aufweist, um das erste Kupplungsteil (102) und/oder das zweite Kupplungsteil (104) in der offenen Schaltstellung abzubremsen, Verfahren zum Betätigen einer derartigen Sicherheitskupplung (100), wobei nach einem Schalten der Sicherheitskupplung (100) in die offene Schaltstellung das erste Kupplungsteil (102) und/oder das zweite Kupplungsteil (104) abgebremst wird, und Robotervorrichtung aufweisend wenigstens ein Robotergelenk zum gelenkigen Verbinden von Robotergliedern, wobei das wenigstens eine Robotergelenk eine derartige Sicherheitskupplung aufweist.Safety clutch (100) having a first clutch part (102) and a second clutch part (104), wherein the safety clutch (100) can be switched between a closed switching position and an open switching position as a function of the torque and has a braking device (122) to prevent the first coupling part (102 ) and / or to brake the second clutch part (104) in the open switching position, method for actuating such a safety clutch (100), wherein after switching the safety clutch (100) into the open switching position, the first clutch part (102) and / or the second Coupling part (104) is braked, and robot device having at least one robot joint for the articulated connection of robot members, the at least one robot joint having such a safety coupling.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitskupplung aufweisend ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil, wobei die Sicherheitskupplung drehmomentabhängig zwischen einer geschlossenen Schaltstellung und einer offenen Schaltstellung schaltbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen einer Sicherheitskupplung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Robotervorrichtung aufweisend wenigstens ein Robotergelenk zum gelenkigen Verbinden von Robotergliedern.The invention relates to a safety clutch having a first clutch part and a second clutch part, the safety clutch being switchable between a closed switching position and an open switching position as a function of the torque. The invention also relates to a method for actuating a safety clutch. The invention also relates to a robot device having at least one robot joint for the articulated connection of robot limbs.

Aus dem Dokument DE 28 28 809 A1 ist Sicherheitskupplung bekannt, bei der auf einer Nabe zwei Kupplungshälften angeordnet sind und eine Kupplungshälfte drehstarr mit der Nabe verbunden in Richtung auf die andere, relativ zur Nabe drehbare Kupplungshälfte federbeaufschlagt ist, wobei die Trennebene zwischen den Kupplungshälften mehrere auf einem Kreis angeordnete, durch einen Kugelkäfig geführte Kugeln aufweist, die im eingerasteten Zustand zur Drehmomentübertragung von der einen zu der anderen Kupplungshälfte in Kugelsenkungen in den einander zugewandten Stirnflächen der beiden Kupplungshälften sitzen, wobei in einer der Kupplungshälften auf dem Kreis neben den Kugelsenkungen mit jeweils gleichem Winkelabstand zu den Kugelsenkungen mehr als doppelt so tiefe große Kugelsenkungen vorgesehen sind, und wobei zwischen den Kupplungshälften ein Axiallager vorgesehen ist, das im ausgerasteten Zustand die Kupplungshälften im Wesentlichen auf dem gleichen axialen Abstand zueinander hält wie im eingerasteten Zustand.From the document DE 28 28 809 A1 Safety coupling is known in which two coupling halves are arranged on a hub and one coupling half connected to the hub in a torsionally rigid manner is spring-loaded in the direction of the other coupling half rotatable relative to the hub, the separation plane between the coupling halves several arranged on a circle, by a ball cage has guided balls which, when engaged, for torque transmission from one to the other coupling half, sit in ball countersinks in the facing end faces of the two coupling halves, with more than twice in one of the coupling halves on the circle next to the ball countersinks with the same angular distance to the ball countersinks so deep large ball countersinks are provided, and wherein an axial bearing is provided between the coupling halves, which holds the coupling halves in the disengaged state substantially at the same axial distance from one another as in the engaged state.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Sicherheitskupplung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Robotervorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern.The invention is based on the object of structurally and / or functionally improving a safety clutch mentioned at the beginning. In addition, the invention is based on the object of improving a method mentioned at the beginning. The invention is also based on the object of structurally and / or functionally improving a robot device mentioned at the beginning.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Sicherheitskupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Robotervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with a safety coupling with the features of claim 1. In addition, the object is achieved with a method with the features of claim 6. In addition, the object is achieved with a robot device with the features of claim 8. Advantageous embodiments and / or developments are the subject of the subclaims.

Die Sicherheitskupplung kann zur Anordnung in einem mechanischen Leistungsstrang dienen. Die Sicherheitskupplung kann zur Anordnung in einem Gelenk, insbesondere in einem Robotergelenk, dienen. Die Sicherheitskupplung kann dazu dienen, ein Drehmoment zu übertragen. Die Sicherheitskupplung kann dazu dienen, eine Drehmomentübertragung auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen. Das erste Kupplungsteil kann einem Antrieb zugeordnet sein. Das zweite Kupplungsteil kann einem Abtrieb zugeordnet sein. Ein mechanischer Leistungsfluss kann von dem ersten Kupplungsteil zu dem zweiten Kupplungsteil gerichtet sein. Das erste Kupplungsteil kann einem Abtrieb zugeordnet sein. Das zweite Kupplungsteil kann einem Antrieb zugeordnet sein. Ein mechanischer Leistungsfluss kann von dem zweiten Kupplungsteil zu dem ersten Kupplungsteil gerichtet sein.The safety coupling can be used for arrangement in a mechanical power train. The safety coupling can be used for arrangement in a joint, in particular in a robot joint. The safety clutch can be used to transmit a torque. The safety clutch can serve to limit a torque transmission to a predetermined maximum value. The first coupling part can be assigned to a drive. The second coupling part can be assigned to an output. A mechanical power flow can be directed from the first coupling part to the second coupling part. The first coupling part can be assigned to an output. The second coupling part can be assigned to a drive. A mechanical power flow can be directed from the second coupling part to the first coupling part.

Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können einen gemeinsame Kupplungsdrehachse aufweisen. Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können um die Kupplungsdrehachse zusammen drehbar und relativ zueinander verdrehbar sein. Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können in der geschlossenen Schaltstellung zusammen drehbar sein. Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können in der offenen Schaltstellung relativ zueinander verdrehbar sein.The first coupling part and the second coupling part can have a common coupling axis of rotation. The first coupling part and the second coupling part can be rotatable together about the coupling axis of rotation and rotatable relative to one another. The first coupling part and the second coupling part can be rotatable together in the closed switching position. The first coupling part and the second coupling part can be rotatable relative to one another in the open switching position.

In der geschlossenen Schaltstellung kann zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil ein Drehmoment übertragbar sein. In der geschlossenen Schaltstellung kann eine Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil unterbrochen sein.In the closed switching position, a torque can be transmitted between the first clutch part and the second clutch part. In the closed switching position, torque transmission between the first clutch part and the second clutch part can be interrupted.

Die Sicherheitskupplung kann abhängig von einem übertragenen Drehmoment zwischen der geschlossenen Schaltstellung und der offenen Schaltstellung schaltbar sein. Ein steigendes Drehmoment kann ein Schalten von der geschlossenen Schaltstellung in die offene Schaltstellung bewirken. Ein fallendes Drehmoment kann ein Schalten von der offenen Schaltstellung in die geschlossene Schaltstellung bewirken.The safety clutch can be switched between the closed switching position and the open switching position depending on a transmitted torque. An increasing torque can cause switching from the closed switch position to the open switch position. A falling torque can cause switching from the open switch position to the closed switch position.

Zum Schalten der Sicherheitskupplung zwischen der geschlossenen Schaltstellung und der offenen Schaltstellung können/kann das erste Kupplungsteil und/oder das zweite Kupplungsteil verlagerbar sein. Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können relativ zueinander axial verlagerbar sein. Soweit nicht anders angegeben oder sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt, beziehen sich die Angaben „axial“, „radial“ und „in Umfangsrichtung“ auf die Kupplungsdrehachse. „Axial“ entspricht dann einer Erstreckungsrichtung der Kupplungsdrehachse. „Radial“ ist dann eine zur Erstreckungsrichtung der Kupplungsdrehachse senkrechte und sich mit der Kupplungsdrehachse schneidende Richtung. „In Umfangsrichtung“ entspricht dann einer Kreisbogenrichtung um die Kupplungsdrehachse.To switch the safety clutch between the closed switching position and the open switching position, the first coupling part and / or the second coupling part can be displaceable. The first coupling part and the second coupling part can be axially displaceable relative to one another. Unless otherwise stated or if nothing else arises from the context, the information “axial”, “radial” and “in the circumferential direction” refer to the coupling axis of rotation. “Axial” then corresponds to an extension direction of the coupling axis of rotation. “Radial” is then a direction perpendicular to the extension direction of the coupling axis of rotation and intersecting with the coupling axis of rotation. “In the circumferential direction” then corresponds to a circular arc direction around the coupling axis of rotation.

Das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil können abhängig von einem übertragenen Drehmoment relativ zueinander verlagerbar sein. Ein steigendes Drehmoment kann ein Verlagern des ersten Kupplungsteils und des zweiten Kupplungsteils voneinander weg bewirken. Ein fallendes Drehmoment kann ein Verlagern des ersten Kupplungsteils und des zweiten Kupplungsteils zueinander hin bewirken.The first coupling part and the second coupling part can be displaceable relative to one another as a function of a transmitted torque. An increasing torque can cause the first coupling part and the second coupling part to shift away from one another. A falling torque can cause the first coupling part and the second coupling part to shift towards one another.

In der geschlossenen Schaltstellung können das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil zueinander hin verlagert sein. In der offenen Schaltstellung können das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil voneinander weg verlagert sein.In the closed switching position, the first coupling part and the second coupling part can be displaced towards one another. In the open switching position, the first coupling part and the second coupling part can be shifted away from one another.

Die Bremsvorrichtung kann dazu dienen, das erste Kupplungsteil und/oder das zweite Kupplungsteil kontrolliert abzubremsen. Die Bremsvorrichtung kann einem nicht antreibbaren, freigegebaren oder abkoppelbaren Kupplungsteil zugeordnet sein. Die Bremsvorrichtung kann dazu dienen, potentielle und/oder kinetische Energie abzuführen und/oder aufzunehmen. Die Bremsvorrichtung kann eine kontaktfreie Bremse aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann eine elektrische, magnetische oder elektromagnetische Bremse aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann eine Wirbelstrombremse aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann einen Bremsenstator aufweisen. Der Bremsenstator kann Leiterwicklungen aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann einen Rotor aufweisen. Der Rotor kann Magneten aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann eine kontaktbehaftete Bremse aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann eine mechanische Bremse aufweisen. Die Bremsvorrichtung kann eine Strömungsbremse aufweisen.The braking device can serve to brake the first coupling part and / or the second coupling part in a controlled manner. The braking device can be assigned to a coupling part that cannot be driven, can be released or can be uncoupled. The braking device can serve to dissipate and / or absorb potential and / or kinetic energy. The braking device can have a non-contact brake. The braking device can have an electric, magnetic or electromagnetic brake. The braking device can have an eddy current brake. The braking device can have a brake stator. The brake stator can have conductor windings. The braking device can have a rotor. The rotor can have magnets. The braking device can have a brake with contacts. The braking device can have a mechanical brake. The braking device can have a flow brake.

Die Bremsvorrichtung kann eine Kontrollvorrichtung aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann dazu dienen, die Bremsvorrichtung regelungstechnisch oder steuerungstechnisch zu kontrollieren. Die Bremsvorrichtung kann einen Prozessor, einen Datenspeicher, einen Programmspeicher, Schnittstellen und/oder Sensoren aufweisen. Der Sensor kann dazu dienen, die Schaltstellung der Sicherheitskupplung zu erfassen. Der Sensor kann als Tastschalter ausgeführt sein. Der Tastschalter kann in der geschlossenen Schaltstellung nicht betätigt und in der offenen Schaltstellung betätigt sein.The braking device can have a control device. The control device can serve to control the braking device in terms of regulation or control technology. The braking device can have a processor, a data memory, a program memory, interfaces and / or sensors. The sensor can be used to detect the switch position of the safety clutch. The sensor can be designed as a pushbutton switch. The pushbutton switch cannot be actuated in the closed switch position and can be actuated in the open switch position.

Die Bremsvorrichtung kann eine Reibbremse aufweisen. Das erste Kupplungsteil kann einen Aufnahmeraum bilden. Das zweite Kupplungsteil kann in dem Aufnahmeraum angeordnet sein. Die Übertragungselemente können in dem Aufnahmeraum angeordnet sein. Die Reibbremse kann wenigstens einen Reibbelag aufweisen. Der wenigstens eine Reibbelag kann schaltstellungsabhängig zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil wirksam sein. Der wenigstens eine Reibbelag kann in der geschlossenen Schaltstellung unwirksam und in der offenen Schaltstellung wirksam sein. Der wenigstens eine Reibbelag kann an dem ersten Kupplungsteil oder an dem zweiten Kupplungsteil angeordnet sein.The braking device can have a friction brake. The first coupling part can form a receiving space. The second coupling part can be arranged in the receiving space. The transmission elements can be arranged in the receiving space. The friction brake can have at least one friction lining. The at least one friction lining can be effective between the first clutch part and the second clutch part as a function of the switching position. The at least one friction lining can be ineffective in the closed switching position and effective in the open switching position. The at least one friction lining can be arranged on the first clutch part or on the second clutch part.

Die Sicherheitskupplung kann unter Wirkung statischer und/oder dynamischer Kräfte in die offene Schaltstellung schalten. Nach einem Schalten der Sicherheitskupplung in die offene Schaltstellung kann ein nicht angetriebenes, freigegebenes oder entkoppeltes Kupplungsteil kontrolliert abgebremst werden, um unkontrollierte Bewegungen zu reduzieren oder zu vermeiden. Beim Bremsen kann Energie abgeführt und/oder aufgenommen werden.The safety clutch can switch into the open switch position under the effect of static and / or dynamic forces. After the safety clutch has been switched into the open switching position, a non-driven, released or decoupled coupling part can be braked in a controlled manner in order to reduce or avoid uncontrolled movements. When braking, energy can be dissipated and / or absorbed.

Die Robotervorrichtung kann zum Betrieb in mechanisch sensiblen Umgebungen dienen. Die Robotervorrichtung kann dazu dienen, in überschneidenden Arbeitsbereichen mit Menschen zu arbeiten. Die Robotervorrichtung kann ein erstes Roboterglied und ein zweite Roboterglied aufweisen. Das wenigstens eine Robotergelenk kann zwischen dem ersten Roboterglied und dem zweiten Roboterglied wirksam und/oder angeordnet sein. Das wenigstens eine Robotergelenk kann drehmomentgeregelt sein.The robot device can be used for operation in mechanically sensitive environments. The robotic device can be used to work with people in overlapping work areas. The robot device may have a first robot limb and a second robot limb. The at least one robot joint can be operative and / or arranged between the first robot member and the second robot member. The at least one robot joint can be torque-regulated.

Die Sicherheitskupplung kann eine Messvorrichtung zum Messen einer Verlagerung aufweisen, um ein Drehmoment zu bestimmen. Die Messvorrichtung kann dazu dienen, eine Verlagerung des ersten Kupplungsteils und des zweiten Kupplungsteils relativ zueinander zu messen. Die Messvorrichtung kann dazu dienen, eine Verlagerung des ersten Kupplungsteils und/oder des zweiten Kupplungsteils zu messen. Die Messvorrichtung kann dazu dienen, einen Abstand zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil zu messen. Mithilfe der Messvorrichtung kann eine axiale Verlagerung des ersten Kupplungsteils und/oder des zweiten Kupplungsteils messbar sein. Mithilfe der Messvorrichtung kann ausgehend von einer Verlagerung ein Drehmoment bestimmbar sein.The safety coupling can have a measuring device for measuring a displacement in order to determine a torque. The measuring device can serve to measure a displacement of the first coupling part and the second coupling part relative to one another. The measuring device can serve to measure a displacement of the first coupling part and / or of the second coupling part. The measuring device can serve to measure a distance between the first coupling part and the second coupling part. With the aid of the measuring device, an axial displacement of the first coupling part and / or the second coupling part can be measured. With the aid of the measuring device, a torque can be determined based on a displacement.

Die Messvorrichtung kann wenigstens einen Wegsensor aufweisen. Der wenigstens eine Wegsensor kann ein Widerstandssensor, Induktivitätssensor, Kapazitätssensor, Lichtsensor, Impulssensor, Laufzeitsensor oder Triangulationssensor sein.The measuring device can have at least one displacement sensor. The at least one displacement sensor can be a resistance sensor, inductance sensor, capacitance sensor, light sensor, pulse sensor, transit time sensor or triangulation sensor.

Die Sicherheitskupplung kann eine Rampenvorrichtung aufweisen. Die Rampenvorrichtung kann zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil wirksam sein. Die Rampenvorrichtung kann an dem ersten Kupplungsteil angeordnete Rampenabschnitte aufweisen. Die Rampenvorrichtung kann an dem zweiten Kupplungsteil angeordnete Rampenabschnitte aufweisen. Die Rampenabschnitte können jeweils entlang der Umfangsrichtung in axialer Richtung ansteigen und/oder abfallen. Die Rampenabschnitte können Führungsbahnen aufweisen.The safety coupling can have a ramp device. The ramp device can be effective between the first coupling part and the second coupling part. The ramp device can have ramp sections arranged on the first coupling part. The ramp device can have ramp sections arranged on the second coupling part. The ramp sections can each rise and / or fall in the axial direction along the circumferential direction. The Ramp sections can have guideways.

Die Sicherheitskupplung kann Übertragungselemente aufweisen. Die Übertragungselemente können zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil wirksam und/oder angeordnet sein. Die Übertragungselemente können an den Rampenabschnitten angeordnet sein. Die Übertragungselemente können in den Führungsbahnen geführt sein. Die Übertragungselemente können als Wälzkörper, insbesondere als Kugeln, ausgeführt sein.The safety coupling can have transmission elements. The transmission elements can be effective and / or arranged between the first coupling part and the second coupling part. The transmission elements can be arranged on the ramp sections. The transmission elements can be guided in the guideways. The transmission elements can be designed as rolling elements, in particular as balls.

Die Sicherheitskupplung kann eine Federvorrichtung aufweisen. Die Federvorrichtung kann das erstes Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil gegeneinander beaufschlagen. Die Federvorrichtung kann das erstes Kupplungsteil in Richtung des zweiten Kupplungsteils beaufschlagen. Die Federvorrichtung kann das zweite Kupplungsteil in Richtung des ersten Kupplungsteils beaufschlagen. Die Federvorrichtung kann wenigstens eine Feder aufweisen. Die wenigstens eine Feder kann als Druckfeder, Schraubenfeder, Blattfeder und/oder Tellerfeder ausgeführt sein.The safety coupling can have a spring device. The spring device can urge the first coupling part and the second coupling part against one another. The spring device can act on the first coupling part in the direction of the second coupling part. The spring device can act on the second coupling part in the direction of the first coupling part. The spring device can have at least one spring. The at least one spring can be designed as a compression spring, helical spring, leaf spring and / or plate spring.

Beim Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil kann über die Rampenvorrichtung eine axiale Beaufschlagung entgegen einer Kraft der Federvorrichtung bewirkbar sein. Wenn die axiale Beaufschlagung die Kraft der Federvorrichtung übersteigt, können das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil voneinander weg verlagerbar sein. Wenn das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil hinreichend weit voneinander weg verlagert sind, können die Rampenabschnitte überspingbar sein, sodass eine weitere Drehmomentübertragung unterbrechbar ist. Wenn die axiale Beaufschlagung die Kraft der Federvorrichtung unetrschreitet, können das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil zueinander hin verlagerbar sein. Wenn das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil hinreichend weit zueinander hin verlagert sind, können die Rampenabschnitte eingreifen, sodass ein übertragbar ist.When a torque is transmitted between the first coupling part and the second coupling part, an axial loading against a force of the spring device can be effected via the ramp device. If the axial loading exceeds the force of the spring device, the first coupling part and the second coupling part can be displaced away from one another. If the first coupling part and the second coupling part are shifted sufficiently far away from one another, the ramp sections can be skipped over, so that further torque transmission can be interrupted. If the axial loading does not exceed the force of the spring device, the first coupling part and the second coupling part can be displaceable towards one another. When the first coupling part and the second coupling part are shifted sufficiently far towards one another, the ramp sections can engage so that a can be transmitted.

Mithilfe der Rampenvorrichtung kann ein vorgegebenes elastisches Verhalten der Sicherheitskupplung dargestellt sein. Mithilfe der Rampenabschnitte, insbesondere einer Steigung und/oder Länge der Rampenabschnitte, kann ein vorgegebenes elastisches Verhalten der Sicherheitskupplung dargestellt sein.A predetermined elastic behavior of the safety coupling can be represented with the aid of the ramp device. With the aid of the ramp sections, in particular a gradient and / or length of the ramp sections, a predetermined elastic behavior of the safety coupling can be represented.

Mithilfe der Federvorrichtung kann ein vorgegebenes elastisches Verhalten der Sicherheitskupplung dargestellt sein. Mithilfe der Rampenvorrichtung und/oder der Federvorrichtung kann eine nichtlineare, insbesondere progressive, Federkennlinie dargestellt sein. Die Federvorrichtung kann einstellbar sein.A predetermined elastic behavior of the safety coupling can be represented with the aid of the spring device. With the aid of the ramp device and / or the spring device, a non-linear, in particular progressive, spring characteristic can be represented. The spring device can be adjustable.

Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Überlastschutz mit integrierter Drehmomentmessung für konzentrische Wellen.In summary and in other words, the invention thus provides, inter alia, overload protection with integrated torque measurement for concentric shafts.

Die Sicherheitskupplung kann durch eine Feder vorgespannt sein. Kugeln können unter Last an Zahnprofilen von Wellen wandern und einen axialen Hub erzeugen. Wenn dieser Hub nun gemessen wird, kann unter Berücksichtigung einer Federsteifigkeit und einer Kontur des Zahnprofils auf ein anliegendes Drehmoment geschlossen werden.The safety coupling can be pretensioned by a spring. Balls can move under load on tooth profiles of shafts and generate an axial stroke. If this stroke is now measured, it can be concluded that a torque is present, taking into account a spring rigidity and a contour of the tooth profile.

Sowohl die Kontur des Zahnprofils und damit eine Wegumsetzung zwischen radialer und axialer Auslenkung als auch eine Kennlinie der Feder können gezielt genutzt werden, um ein gewünschtes elastisches Verhalten einzustellen. Durch Auswahl beispielsweise einer nichtlinearen, progressiven Federkennlinie kann kurz vor einem Trennen der Kupplung eine Steifigkeit und somit ein Widerstand gegen weitere Auslenkung erhöht werden, bevor dann tatsächlich ausgekuppelt wird. Es lässt sich so auch mehr Energie gegen Ende der Auslenkung in der Feder speichern.Both the contour of the tooth profile and thus a path conversion between radial and axial deflection and a characteristic curve of the spring can be used in a targeted manner in order to set a desired elastic behavior. By selecting, for example, a non-linear, progressive spring characteristic, shortly before the clutch is disconnected, rigidity and thus resistance to further deflection can be increased before the clutch is actually disengaged. In this way, more energy can be stored in the spring towards the end of the deflection.

Sobald die Kupplung ausgekuppelt ist, kann ein anliegendes Drehmoment in eine freie Rotation der entkoppelten Welle umgesetzt werden. Um Energie aus dem System zu nehmen, kann diese Rotation kontaktlos oder kontaktbehaftet abgebremst werden. Eine Überlast kann beispielsweise genutzt werden, um generatorisch über Magnete und Statorwicklungen zu bremsen. Die Energie kann daraufhin wiederverwendet werden. Es können zur Messung einer Abtriebsposition bereits vorhandene Magnete am Abtrieb genutzt werden.As soon as the clutch is disengaged, an applied torque can be converted into free rotation of the decoupled shaft. In order to take energy out of the system, this rotation can be slowed down without contact or with contact. An overload can be used, for example, to brake in a regenerative manner using magnets and stator windings. The energy can then be reused. Already existing magnets on the output can be used to measure an output position.

Mit der Erfindung wird ein Aufwand, wie Bauaufwand, Herstellungsaufwand, Kostenaufwand und/oder Wartungsaufwand, reduziert. Eine Funktionalität und/oder werden/wird erhöht. Ein Bauraumbedarf und/oder eine Masse werden/wird reduziert. Überlastbedingte Schäden werden vermieden. Eine drehmomentbasierte Regelung und/oder Steuerung wird ermöglicht. Ein besonderer Sensorschutz kann entfallen. Eine Dynamik kann verbessert werden. Ein Energiebedarf kann reduziert werden.The invention reduces expenditure, such as construction expenditure, manufacturing expenditure, cost expenditure and / or maintenance expenditure. A functionality and / or are / is increased. A space requirement and / or a mass are / is reduced. Damage caused by overload is avoided. A torque-based regulation and / or control is made possible. A special sensor protection can be omitted. A dynamic can be improved. An energy requirement can be reduced.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 eine Sicherheitskupplung in seitlicher Ansicht,
2 eine Sicherheitskupplung mit einer Messvorrichtung in geschlossener Schaltstellung in Schnittansicht,
3 eine Sicherheitskupplung in offener Schaltstellung in Schnittansicht,
4 eine Sicherheitskupplung mit einer Bremsvorrichtung mit elektromagnetischer Bremse in offener Schaltstellung in Schnittansicht,
5 eine Sicherheitskupplung mit einer Bremsvorrichtung mit Reibbremse in offener Schaltstellung in Schnittansicht und
6 eine Sicherheitskupplung mit einer Bremsvorrichtung mit Reibbremse in geschlossener Schaltstellung in Schnittansicht.

In the following, embodiments of the invention are described in more detail with reference to figures, which show schematically and by way of example:

1 a safety coupling in a side view,
2 a safety coupling with a measuring device in the closed switching position in sectional view,
3 a safety clutch in the open switch position in sectional view,
4th a safety clutch with a braking device with electromagnetic brake in the open switching position in sectional view,
5 a safety clutch with a braking device with friction brake in the open switching position in sectional view and
6 a safety clutch with a braking device with friction brake in the closed switching position in a sectional view.

1 zeigt eine Sicherheitskupplung 100 in seitlicher Ansicht. 2 zeigt die Sicherheitskupplung 100 in geschlossener Schaltstellung in Schnittansicht entlang der in 1 mit A-A bezeichneten Linie. 3 zeigt die Sicherheitskupplung 100 in offener Schaltstellung in Schnittansicht entlang der in 1 mit A-A bezeichneten Linie. 1 shows a safety coupling 100 in side view. 2 shows the safety coupling 100 in the closed switch position in a sectional view along the in 1 line marked AA. 3 shows the safety coupling 100 in the open switch position in a sectional view along the in 1 line marked AA.

Die Sicherheitskupplung 100 dient zur Anordnung in einem Robotergelenk, um eine Drehmomentübertragung auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen. Das Robotergelenk dient in einer kinematischen Kette zum Verbinden zweier Roboterglieder.The safety coupling 100 is used for arrangement in a robot joint in order to limit a torque transmission to a predetermined maximum value. The robot joint is used in a kinematic chain to connect two robot links.

Die Sicherheitskupplung 100 weist ein erstes Kupplungsteil 102 und ein zweites Kupplungsteil 104 mit einer gemeinsamen Kupplungsdrehachse 106 auf, um die das erste Kupplungsteil 102 und das zweite Kupplungsteil 104 in der geschlossenen Schaltstellung zusammen drehbar und in der offenen Schaltstellung relativ zueinander verdrehbar sind. Das erste Kupplungsteil 102 ist mit einer Welle 108 des Robotergelenks drehfest und axial verlagerbar verbunden. Das zweite Kupplungsteil 104 ist mit der Welle 108 des Robotergelenks drehbar und axial fest verbunden.The safety coupling 100 has a first coupling part 102 and a second coupling part 104 with a common coupling axis of rotation 106 on to the the first coupling part 102 and the second coupling part 104 are rotatable together in the closed switching position and rotatable relative to one another in the open switching position. The first coupling part 102 is with a wave 108 of the robot joint rotatably and axially displaceable connected. The second coupling part 104 is with the wave 108 of the robot joint rotatable and axially fixed.

Die Sicherheitskupplung 100 weist zwischen dem ersten Kupplungsteil 102 und dem ein zweiten Kupplungsteil 104 wirksame als Kugel ausgeführte Übertragungselemente, wie 112, auf. Das erstes Kupplungsteil 102 weist Rampenabschnitte, wie 114, auf. Das zweite Kupplungsteil 104 weist Rampenabschnitte, wie 116, auf. Die Rampenabschnitte 114, 116 sind jeweils in beide Umfangsrichtungen wirksam. Die Rampenabschnitte 114, 116 sind zahnartig ausgeführt. Zwischen den Rampenabschnitte 114, 116 sind Vertiefungen gebildet, in denen in der geschlossenen Schaltstellung die Übertragungselemente 112 aufgenommen sind. Die Rampenabschnitte 114, 116 bilden eine zwischen dem ersten Kupplungsteil 102 zu dem zweiten Kupplungsteil 104 wirksame Rampenvorrichtung.The safety coupling 100 points between the first coupling part 102 and a second coupling part 104 effective transmission elements designed as a ball, such as 112 , on. The first coupling part 102 has ramp sections, like 114 , on. The second coupling part 104 has ramp sections, like 116 , on. The ramp sections 114 , 116 are effective in both circumferential directions. The ramp sections 114 , 116 are designed like teeth. Between the ramp sections 114 , 116 recesses are formed in which the transmission elements are in the closed switching position 112 are included. The ramp sections 114 , 116 form one between the first coupling part 102 to the second coupling part 104 effective ramp device.

Die Sicherheitskupplung 100 weist eine Federvorrichtung mit Federn, wie 118, auf. Das erste Kupplungsteil 102 und das zweite Kupplungsteil 104 sind mithilfe der Federvorrichtung gegeneinander beaufschlagt. Die Federn 118 sind als Druckfedern ausgeführt und stützen sich jeweils einerseits fest und andererseits an dem axial verlagerbaren ersten Kupplungsteil 102 ab.The safety coupling 100 has a spring device with springs, such as 118 , on. The first coupling part 102 and the second coupling part 104 are urged against each other with the help of the spring device. The feathers 118 are designed as compression springs and are each firmly supported on the one hand and on the other hand on the axially displaceable first coupling part 102 from.

Das erste Kupplungsteil 102 ist einem Antrieb zugeordnet und das zweite Kupplungsteil 104 ist einem Abtrieb zugeordnet, sodass ein mechanischer Leistungsfluss kann von dem ersten Kupplungsteil 102 zu dem zweiten Kupplungsteil 104 gerichtet ist.The first coupling part 102 is assigned to a drive and the second coupling part 104 is assigned to an output so that a mechanical power flow can be from the first clutch part 102 to the second coupling part 104 is directed.

Beim Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil 102 und dem zweiten Kupplungsteil 104 wird das erste Kupplungsteil 102 über die Rampenvorrichtung entgegen einer Kraft der Federvorrichtung axial beaufschlagt. Wenn die axiale Beaufschlagung die Kraft der Federvorrichtung übersteigt, wird das erste Kupplungsteil 102 von dem zweiten Kupplungsteil weg verlagert. Wenn das erste Kupplungsteil 102 und das zweite Kupplungsteil 104 hinreichend weit voneinander weg verlagert sind, werden die Rampenabschnitte 114, 116 übersprungen, sodass eine weitere Drehmomentübertragung unterbrochen ist. Wenn die axiale Beaufschlagung die Kraft der Federvorrichtung unterschreitet, verlagert sich das erste Kupplungsteil 102 wieder zu dem zweiten Kupplungsteil 104 hin sodass die Rampenabschnitte 114, 116 und die Übertragungselemente 112 wieder ineinandergreifen und ein Drehmoment übertragbar ist.When transmitting a torque between the first coupling part 102 and the second coupling part 104 becomes the first coupling part 102 axially acted upon by the ramp device against a force of the spring device. When the axial loading exceeds the force of the spring device, the first coupling part 102 shifted away from the second coupling part. When the first coupling part 102 and the second coupling part 104 are shifted sufficiently far away from each other, the ramp sections 114 , 116 skipped, so that another torque transmission is interrupted. If the axial loading falls below the force of the spring device, the first coupling part is displaced 102 back to the second coupling part 104 so that the ramp sections 114 , 116 and the transmission elements 112 mesh again and a torque can be transmitted.

Mithilfe der Rampenvorrichtung, insbesondere einer Steigung und/oder Länge der Rampenabschnitte 114, 116, und der Federvorrichtung ist ein vorgegebenes elastisches Verhalten der Sicherheitskupplung 100 dargestellt. Beispielsweise ist mithilfe der Federvorrichtung eine nichtlineare, insbesondere progressive, Federkennlinie dargestellt.With the aid of the ramp device, in particular a slope and / or length of the ramp sections 114 , 116 , and the spring device is a predetermined elastic behavior of the safety clutch 100 shown. For example, a non-linear, in particular progressive, spring characteristic is shown with the aid of the spring device.

Das erste Kupplungsteil 102 ist damit abhängig von einem übertragenen Drehmoment relativ zu dem zweiten Kupplungsteil 104 verlagerbar, um die Sicherheitskupplung 100 drehmomentanhängig zwischen der geschlossenen Schaltstellung und der offenen Schaltstellung zu schalten und so eine Drehmomentübertragung auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen.The first coupling part 102 is thus dependent on a transmitted torque relative to the second coupling part 104 relocatable to the safety clutch 100 To switch between the closed switch position and the open switch position depending on the torque and thus limit a torque transmission to a predetermined maximum value.

2 zeigt die Sicherheitskupplung 100 mit einer Messvorrichtung 120. Die Messvorrichtung 120 dient zum Messen einer Verlagerung des ersten Kupplungsteils 102. Vorliegend weist die Messvorrichtung 120 einen Wegsensor zum Messen einer Länge der Federn 118 auf. Unter Berücksichtigung des elastischen Verhaltens der Sicherheitskupplung 100 kann damit ein Drehmoment bestimmt werden. 2 shows the safety coupling 100 with a measuring device 120 . The measuring device 120 is used to measure a displacement of the first Coupling part 102 . In the present case, the measuring device 120 a displacement sensor for measuring a length of the springs 118 on. Taking into account the elastic behavior of the safety coupling 100 a torque can thus be determined.

4 zeigt die Sicherheitskupplung 100 mit einer Bremsvorrichtung 122. Die Bremsvorrichtung 122 dient dazu, das zweite Kupplungsteil 104 in der offenen Schaltstellung kontrolliert abzubremsen und potentielle und/oder kinetische Energie abzuführen und/oder aufzunehmen. 4th shows the safety coupling 100 with a braking device 122 . The braking device 122 serves the second coupling part 104 brake in a controlled manner in the open switch position and dissipate and / or absorb potential and / or kinetic energy.

Die Bremsvorrichtung 122 weist eine kontaktfreie elektromagnetische Bremse mit einem fest angeordneten Bremsenstator 124 und einem an dem zweiten Kupplungsteil 104 angeordneten Bremsenrotor 126 und einer Kontrollvorrichtung mit einem in der geschlossenen Schaltstellung nicht betätigten und in der offenen Schaltstellung betätigten Tastschalter zum Kontrollieren der Bremse auf.The braking device 122 has a non-contact electromagnetic brake with a fixed brake stator 124 and one on the second coupling part 104 arranged brake rotor 126 and a control device with a pushbutton switch, which is not actuated in the closed switching position and actuated in the open switching position, for controlling the brake.

Wenn die Sicherheitskupplung 100 unter Wirkung statischer und/oder dynamischer Kräfte in die offene Schaltstellung schaltet, wird der Tastschalter betätigt und das zweite Kupplungsteil 104 kontrolliert abgebremst, um unkontrollierte Bewegungen zu reduzieren oder zu vermeiden und Energie abgeführt und/oder aufzunehmen.When the safety coupling 100 switches into the open switch position under the effect of static and / or dynamic forces, the pushbutton switch is actuated and the second coupling part 104 braked in a controlled manner in order to reduce or avoid uncontrolled movements and dissipate and / or absorb energy.

5 zeigt eine Sicherheitskupplung 200 mit einer Bremsvorrichtung 202 mit Reibbremse in offener Schaltstellung in Schnittansicht. 6 zeigt die Sicherheitskupplung 200 in geschlossener Schaltstellung in Schnittansicht. 5 shows a safety coupling 200 with a braking device 202 with friction brake in the open switch position in sectional view. 6 shows the safety coupling 200 in the closed switch position in sectional view.

Das erste Kupplungsteil 204 bildet einen Aufnahmeraum 206. Das zweite Kupplungsteil 208 und die Übertragungselemente, wie 210, sind in dem Aufnahmeraum 206 angeordnet. Das erste Kupplungsteil 204 umgreift das zweite Kupplungsteil 208 in der Schnittansicht klammerartig.The first coupling part 204 forms a recording space 206 . The second coupling part 208 and the transmission elements, such as 210 , are in the recording room 206 arranged. The first coupling part 204 engages around the second coupling part 208 in the sectional view like a bracket.

Die Reibbremse weist Reibbeläge, wie 212, auf, die vorliegend an dem zweiten Kupplungsteil 208 angeordnet sein. In der in 5 gezeigten offenen Schaltstellung sind die Reibbeläge 212 wirksam und bremsen das zweite Kupplungsteil 208 ab. In der in 6 gezeigten geschlossenen Schaltstellung sind die Reibbeläge 212 unwirksam.The friction brake has friction linings, such as 212 , on, the present on the second coupling part 208 be arranged. In the in 5 The open switching position shown are the friction linings 212 effective and brake the second coupling part 208 from. In the in 6 The closed switching position shown are the friction linings 212 ineffective.

Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 4 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.In addition, in particular on 1 to 4th and the associated description.

Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.In particular, optional features of the invention are designated by “can”. Accordingly, there are also developments and / or exemplary embodiments of the invention which additionally or alternatively have the respective feature or the respective features.

Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.If necessary, isolated features can also be selected from the feature combinations disclosed here and used in combination with other features to delimit the subject matter of the claim, dissolving any structural and / or functional relationship that may exist between the features.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100: SicherheitskupplungSafety coupling
102102: erstes Kupplungsteilfirst coupling part
104104: zweites Kupplungsteilsecond coupling part
106106: KupplungsdrehachseCoupling axis of rotation
108108: Wellewave
112112: ÜbertragungselementTransmission element
114114: RampenabschnittRamp section
116116: RampenabschnittRamp section
118118: Federfeather
120120: MessvorrichtungMeasuring device
122122: BremsvorrichtungBraking device
124124: BremsenstatorBrake stator
126126: Bremsenrotor Brake rotor
200200: SicherheitskupplungSafety coupling
202202: BremsvorrichtungBraking device
204204: erstes Kupplungsteilfirst coupling part
206206: AufnahmeraumRecording room
208208: zweites Kupplungsteilsecond coupling part
210210: ÜbertragungselementTransmission element
212212: ReibbelagFriction lining

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 2828809 A1 [0002]

Claims

Safety clutch (100, 200) having a first clutch part (102, 204) and a second clutch part (104, 208), the safety clutch (100, 200) being switchable between a closed switching position and an open switching position as a function of the torque, characterized in that the Safety clutch (100, 200) has a braking device (122, 202) in order to brake the first clutch part (102, 204) and / or the second clutch part (104, 208) in the open switching position.

Safety coupling (100, 200) Claim 1 , characterized in that the braking device (122, 202) has a contact-free or contact-based brake.

Safety coupling (100) according to at least one of the Claims 1 to 2 , characterized in that the braking device (122) has an electromagnetic brake.

Safety coupling (100) according to at least one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the braking device (122) has a brake stator (124) with conductor windings and a brake rotor (126) with magnets.

Safety coupling (100) according to at least one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the braking device (122) has a control device.

Safety coupling (200) according to at least one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the braking device (202) has a friction brake.

Method for actuating a safety clutch (100, 200) according to at least one of the Claims 1 to 6 , characterized in that after switching the safety clutch (100, 200) into the open switching position, the first clutch part (102, 204) and / or the second clutch part (104, 208) is braked.

Robot device having at least one robot joint for the articulated connection of robot limbs, characterized in that the at least one robot joint has a safety coupling (100, 200) according to at least one of the Claims 1 to 6 having.