DE102022128423B3 - Method and a drive module for detecting, quantifying and compensating for a meshing fault in a voltage wave transmission - Google Patents

Method and a drive module for detecting, quantifying and compensating for a meshing fault in a voltage wave transmission Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes, das einen Wellengenerator, einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:- Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring,- Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs,- Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments,- Berechnen eines Drehwinkels des Außenrings, welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.The invention relates to a method for detecting and quantifying a meshing fault of a voltage wave transmission comprising a shaft generator, a rigid outer ring with internal teeth and an elastically deformable transmission ring with external teeth which is in engagement with the internal teeth of the outer ring, the method comprising the following method steps :- Measuring a temporal torque curve on the deformable transmission ring, - Detecting a meshing disturbance based on the measured torque curve, - Determining a number of teeth skipped during the detected meshing disturbance based on the measurement of the torque, - Calculating an angle of rotation of the outer ring, which corresponds to the determined number of teeth .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes und ein Verfahren zum Kompensieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes in einem Antriebssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe.The invention relates to a method for detecting and quantifying a meshing fault of a voltage wave gear and a method for compensating for a meshing fault of a voltage wave gear in a drive system. The invention further relates to a drive module with a voltage wave transmission.

Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und sind daher insbesondere für Anwendungen geeignet, für die präzise Bewegungen und ein geringer Raumbedarf erforderlich sind. Da sich aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses mit relativ kleinen Motoren hohe Drehmomente erzeugen lassen, können durch Spannungswellengetriebe sehr kompakte Antriebsmechanismen realisiert werden, die beispielsweise in der Robotik zum Einsatz kommen.Tension wave gears (also wave gears, sliding wedge gears; “strain wave gearing” or “harmonic drive”) enable almost backlash-free power transmission with a high gear ratio and are therefore particularly suitable for applications that require precise movements and a small space requirement. Since high torques can be generated with relatively small motors due to the high transmission ratio, very compact drive mechanisms can be implemented using voltage wave gears, which are used, for example, in robotics.

Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten Übertragungsring („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.The main components of a voltage wave gearbox are a wave generator, a rigid outer ring (“circular spline”) with internal teeth and a transmission ring (“flexspline”) with external teeth arranged in between. In contrast to rigid gears, the transmission of torque between the shaft generator and the outer ring is based on elastic deformation, in which the transmission ring is deformed into an oval by the shaft generator in such a way that it is in engagement with the outer ring on two opposite sides of its circumference. Due to the rotation of the shaft generator, the transmission ring rolls on the outer ring, so that a torque is transmitted between the transmission ring and the outer ring through the interlocking teeth. The transmission ratio of the gearbox is determined by the difference in the number of teeth on the transmission ring and the outer ring.

Wirkt im Betrieb ein übermäßig starkes Drehmoment, beispielsweise wenn das Getriebe gegen einen hohen Widerstand arbeitet, so kann der Eingriff zwischen Übertragungsring und Außenring zumindest teilweise verloren gehen, so dass die Zähne des Übertragungsrings die Zähne des Außenrings überspringen („ratcheting“). Während die Drehung des Übertragungsrings und die des Außenrings im Normalbetrieb strikt gekoppelt sind, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung vorübergehend zu einer unkontrollierten Relativdrehung zwischen den beiden Ringen. Dadurch entsteht auf der Abtriebsseite ein unbekannter Winkelversatz (Offset) gegenüber der Antriebsseite, der eine genaue Kontrolle der Winkelposition unmöglich macht. Da sich am Zustand des Getriebes nicht erkennen lässt, ob und in welcher Größenordnung eine solche Eingriffsstörung stattgefunden hat, wird zudem die Suche nach der Ursache des danach auftretenden Fehlverhaltens erschwert.If an excessively strong torque occurs during operation, for example if the gearbox works against a high resistance, the engagement between the transmission ring and the outer ring can be at least partially lost, so that the teeth of the transmission ring jump over the teeth of the outer ring (“ratcheting”). While the rotation of the transmission ring and that of the outer ring are strictly coupled in normal operation, an uncontrolled relative rotation between the two rings temporarily occurs in the event of such a disruption in engagement. This creates an unknown angular offset on the output side compared to the drive side, which makes precise control of the angular position impossible. Since it is not possible to determine from the condition of the transmission whether and to what extent such a malfunction has occurred, the search for the cause of the subsequent malfunction is made more difficult.

Aus der JP 2021014876 A ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren bekannt, bei der das auf der Abtriebsseite eines Spannungswellengetriebes wirkende Drehmoment gemessen und mit zwei Schwellwerten verglichen wird. Eine Überschreitung des ersten Schwellwerts dient als Indiz für eine Eingriffsstörung, während eine Überschreitung des zweiten Schwellwerts ein mögliches Knicken („buckling“) des Übertragungsrings anzeigt. Nachteilig an diesem Verfahren ist zum einen, dass das kritische Drehmoment („ratcheting torque“), bei dem mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Eingriffsstörung auftritt, von Getriebe zu Getriebe variiert. Zum anderen lässt sich mit einem solchen einfachen Schwellwertverfahren nicht zuverlässig ermitteln, ob tatsächlich eine Eingriffsstörung stattgefunden hat, ob das zeitweise aufgetretene hohe Drehmoment störungsfrei abgebaut wurde und in welchem Umfang die Eingriffsstörung stattgefunden hat.From the JP 2021014876 A In this context, a method is known in which the torque acting on the output side of a voltage shaft transmission is measured and compared with two threshold values. Exceeding the first threshold serves as an indication of a malfunction, while exceeding the second threshold indicates possible buckling of the transmission ring. The disadvantage of this method is, on the one hand, that the critical torque (“ratcheting torque”), at which a meshing fault is highly likely to occur, varies from gearbox to gearbox. On the other hand, such a simple threshold value method cannot be used to reliably determine whether an engagement fault has actually occurred, whether the high torque that occurred at times was reduced without disruption and to what extent the engagement fault has occurred.

Die DE 11 2004 002 907 B4 beschreibt einen Wellgetriebe-Antrieb mit einem Zahnprofil, das bei hoher (Drehzahl-)Reduktion das Ratcheting (Ratschen) vermeidet.The DE 11 2004 002 907 B4 describes a wave gear drive with a tooth profile that avoids ratcheting at high (speed) reductions.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Robustheit eines Antriebsmechanismus mit einem Spannungswellengetriebe, insbesondere eines Roboters, erhöht werden kann.Against this background, the task is to provide a method with which the robustness of a drive mechanism with a voltage wave transmission, in particular of a robot, can be increased.

Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes, das einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

  • - Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring,
  • - Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs,
  • - Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments und
  • - Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring, welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.
The object is achieved by methods for detecting and quantifying a meshing fault of a voltage wave transmission, which comprises an input-side shaft generator, an output-side, rigid outer ring with internal teeth and an elastically deformable transmission ring with external teeth which is in engagement with the internal teeth of the outer ring, wherein the Process includes the following process steps:
  • - measuring a torque curve over time on the deformable transmission ring,
  • - Detecting a malfunction based on the measured torque curve,
  • - Determining a number of teeth skipped during the detected engagement fault based on the measurement of the torque and
  • - Calculating an angular offset between the transmission ring and the outer ring, which corresponds to the determined number of teeth.

Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Kompensieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes in einem Antriebssystem, insbesondere eines Roboters, wobei das Spannungswellengetriebe einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Antriebssystem einen Drehgeber zur Messung der Drehstellung des Wellengenerators des Spannungswellengetriebes aufweist, wobei ein Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird und der berechnete Winkelversatz an eine mit dem Drehgeber verbundene Auswerteeinheit übermittelt wird, welche die Eingriffsstörung anhand des berechneten Winkelversatzes kompensiert.Furthermore, this object is achieved by a method for compensating for a meshing disturbance of a voltage wave transmission in a drive system, in particular a robot, wherein the voltage wave transmission comprises an input-side wave generator, an output-side, rigid outer ring with internal teeth and an elastically deformable transmission ring with external teeth which engage with the internal toothing of the outer ring, wherein the drive system has a rotary encoder for measuring the rotational position of the shaft generator of the voltage shaft gear, wherein a method for detecting and quantifying a meshing disturbance is carried out according to one of the preceding claims and the calculated angular offset is transmitted to an evaluation unit connected to the rotary encoder which compensates for the interference interference based on the calculated angular offset.

Die Detektion der Eingriffsstörung basiert auf einem gemessenen zeitlichen Drehmomentverlauf am verformbaren Übertragungsring. Dieser gibt das dynamische Verhalten der Drehmomentübertragung vor und während der Eingriffsstörung wieder. Typischerweise baut sich im Vorfeld der Eingriffsstörung zunächst ein übermäßig hohes Drehmoment auf, das schließlich dazu führt, dass die Zähne des Übertragungsrings den Eingriff mit dem Außenring verlieren und dessen Zähne überspringen. Dabei wird das angestaute Drehmoment innerhalb kurzer Zeit stark reduziert. Diese Abnahme des Drehmoments, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als charakteristische Signatur einer Eingriffsstörung dienen und das zuverlässige Detektieren der Eingriffsstörung ermöglichen.The detection of the engagement fault is based on a measured torque curve over time on the deformable transmission ring. This reflects the dynamic behavior of the torque transmission before and during the engagement fault. Typically, in the run-up to the engagement disruption, an excessively high torque builds up, which ultimately leads to the teeth of the transmission ring losing engagement with the outer ring and jumping over its teeth. The accumulated torque is greatly reduced within a short period of time. In the method according to the invention, this decrease in torque can serve as a characteristic signature of an engagement fault and enable the engagement fault to be reliably detected.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der bei der Eingriffsstörung übersprungenen Zähne bzw. Zahneingriffe zwischen Übertragungsring und Außenring anhand des Drehmomentverlaufs ermittelt. Eine Eingriffsstörung kann mehrere übersprungene Zähne bzw. Zahneingriffe aufweisen, wobei ein übersprungener Zahn anhand von vordefinierten Parametern erkannt werden kann. Erfindungsgemäß wird aus der ermittelten Anzahl an übersprungenen Zähnen ein Winkelversatz zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring bestimmt, wobei dieser Winkelversatz dem durch die übersprungenen Zähne bzw. Zahneingriffe definierte Winkelversatz entspricht. Dieser Winkelversatz entspricht dem Winkelversatz der zwischen dem eingangsseitigen Wellengenerator und dem ausgangsseitigen Außenring des Spannungswellengetriebes auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kompensieren der Eingriffsstörung wird der ermittelte Winkelversatz der Auswerteeinheit übermittelt, die mit dem Drehgeber verbunden ist. Die Auswerteinheit kompensiert dann das Auftreten der Eingriffsstörung anhand des berechneten Winkelversatzes. Dadurch kann die Robustheit des Spannungswellengetriebe aufweisenden Antriebssystems verbessert werden.In the method according to the invention, the number of teeth or tooth meshes between the transmission ring and the outer ring that are skipped due to the engagement fault is determined based on the torque curve. An engagement fault can have several skipped teeth or tooth engagements, whereby a skipped tooth can be recognized based on predefined parameters. According to the invention, an angular offset between the transmission ring and the outer ring is determined from the determined number of skipped teeth, this angular offset corresponding to the angular offset defined by the skipped teeth or tooth meshes. This angular offset corresponds to the angular offset that occurs between the input-side shaft generator and the output-side outer ring of the voltage shaft gear. In the method according to the invention for compensating for the interference interference, the determined angular offset is transmitted to the evaluation unit, which is connected to the rotary encoder. The evaluation unit then compensates for the occurrence of the intervention interference based on the calculated angular offset. As a result, the robustness of the drive system having voltage wave gears can be improved.

Der Wellengenerator des Spannungswellengetriebes wird insbesondere durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene Scheibe mit einer ovalen, beispielsweise elliptischen Form gebildet. Die Scheibe weist vorzugsweise ein auf ihrem Umfang aufgeschrumpftes Wälzlager mit einem dünnen, elastisch verformbaren Laufring und mehreren Wälzkörpern auf. Der Übertragungsring kann beispielsweise topfförmig („cup“) oder zylinderhutförmig („silk-hat“) ausgebildet sein, d.h. der Übertragungsring wird insbesondere durch eine zylindrische Wand einer topförmigen oder zylinderhutförmigen Buchse gebildet, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein kann. Hierbei handelt es sich um gängige Gestaltungsmöglichkeiten für den Übertragungsring, mit denen sich eine Vorspannung des Übertragungsrings gegenüber dem Wellengenerator erzielen lässt. Insbesondere kann der zeitliche Drehmomentverlauf über eine Auswerteeinheit analysiert und ausgewertet werden, die zeitliche Änderung der Messwerte bestimmt und mit einem Abnahmeschwellwert verglichen werden. Beispielsweise kann, insbesondere durch eine Differenzbildung oder eine numerische Ableitung der Drehmomentmesswerte, eine zeitlichen Änderungsrate ermittelt und mit dem Abnahmeschwellwert verglichen werden. Denkbar ist auch, dass bei dem Vergleich überprüft wird, ob sich das gemessene Drehmoment innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne mindestens um einen vorgegebenen Betrag verringert. Der Abnahmeschwellwert kann insbesondere ein relativer Abnahmeschwellwert sein, d.h. bei dem Vergleich wird überprüft, ob das gemessene Drehmoment mindestens um einen vorgegebenen prozentualen Anteil abgefallen ist. Bei einer Überschreitung des Abnahmeschwellwerts wird ein Warnsignal ausgelöst, das insbesondere an eine externe Datenverarbeitungseinheit, wie beispielsweise eine Kontroll- und Steuerungseinheit des Spannungswellengetriebes, übertragen werden kann.The wave generator of the voltage wave transmission is formed in particular by a disk with an oval, for example elliptical, shape connected to a drive shaft. The disk preferably has a roller bearing shrunk on its circumference with a thin, elastically deformable race and several rolling elements. The transmission ring can, for example, be designed in the shape of a cup or a cylinder hat, i.e. the transmission ring is formed in particular by a cylindrical wall of a top-shaped or cylinder hat-shaped bushing, which can be made of steel, for example. These are common design options for the transmission ring, with which a pretension of the transmission ring relative to the wave generator can be achieved. In particular, the torque curve over time can be analyzed and evaluated via an evaluation unit, the change in the measured values over time can be determined and compared with a decrease threshold value. For example, a temporal rate of change can be determined and compared with the decrease threshold value, in particular by forming a difference or a numerical derivation of the torque measurement values. It is also conceivable that the comparison checks whether the measured torque decreases by at least a predetermined amount within a predetermined period of time. The decrease threshold value can in particular be a relative decrease threshold value, i.e. the comparison checks whether the measured torque has decreased by at least a predetermined percentage. If the decrease threshold value is exceeded, a warning signal is triggered, which can be transmitted in particular to an external data processing unit, such as a monitoring and control unit of the voltage wave transmission.

Ferner kann bei der Detektion das gemessene Drehmoment mit mindestens einem Drehmomentschwellwert verglichen werden, wobei die zeitliche Abnahme des gemessenen Drehmoments nur dann bestimmt und mit dem Abnahmeschwellwert verglichen wird, wenn eine Überschreitung des Drehmomentschwellwerts erfasst wird. Der Drehmomentschwellwert dient dazu, die während des normalen Betriebs auftretenden Belastungsspitzen von übermäßig hohen Drehmomenten unterscheiden zu können, die eine Eingriffsstörung anzeigen bzw. ankündigen. So muss das Getriebe beispielsweise jeweils während des Start- bzw. Stoppvorgangs die Massenträgheit der an die Ausgangs- bzw. Abtriebsseite gekoppelte Last überwinden, was sich in einem kurzzeitig erhöhten Drehmoment äußert (Start/Stopp-Drehmoment). Tritt eine Behinderung auf der Abtriebsseite auf, beispielsweise wenn ein durch das Getriebe aktuierter Roboterarm an ein Hindernis anstößt, so arbeitet das Getriebe kurzzeitig gegen einen hohen Widerstand an (Anstoßdrehmoment, „impact torque“) bevor der Anstoß registriert wird. Bei sehr hohen Drehmomenten wird schließlich die mechanische Belastbarkeit des Übertragungsrings überschritten, so dass dieser knickt (Knickdrehmoment, Drillknickmoment, Biegedrillknickmoment, „buckling torque“). Zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment liegt das Ratschendrehmoment („ratcheting torque“), bei dem typischerweise Eingriffsstörungen ausgelöst werden. Der in dem Verfahren verwendete Drehmomentschwellwert kann beispielsweise dem Anstoßdrehmoment oder dem Ratschendrehmoment entsprechen. Vorzugsweise liegt der Drehmomentschwellwert zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment oder zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Ratschendrehmoment. Insbesondere kann der Drehmomentschwellwert individuell auf das Getriebe abgestimmt werden, beispielsweise indem vor der Inbetriebnahme in kontrollierter Weise eine oder mehrere Eingriffsstörungen ausgelöst werden und der Schwellwert in Abhängigkeit von dem bei den Eingriffsstörungen auftretenden Drehmomenten gewählt wird. Denkbar ist auch, zunächst einen Vergleich mit einem ersten Drehmomentschwellwert durchzuführen und im Falle einer Überschreitung einen Vergleich mit einem zweiten Drehmomentschwellwert durchzuführen, der höher als der erste Drehmomentschwellwert ist. Insbesondere kann der erste Drehmomentschwellwert dem Anstoßdrehmoment entsprechen, während der zweite Drehmomentschwellwert dem Ratschendrehmoment entspricht.Furthermore, during detection, the measured torque can be compared with at least one torque threshold value, with the temporal decrease in the measured torque only being determined and compared with the decrease threshold value when an exceedance of the torque threshold value is detected. The torque threshold value is used to be able to distinguish the load peaks that occur during normal operation from excessively high torques that indicate or herald a malfunction. For example, the transmission must control the mass inertia of the output or output side during the starting and stopping process overcome coupled load, which manifests itself in a briefly increased torque (start/stop torque). If an obstruction occurs on the output side, for example if a robot arm actuated by the gearbox hits an obstacle, the gearbox briefly works against a high resistance (impact torque) before the impact is registered. At very high torques, the mechanical load capacity of the transmission ring is ultimately exceeded, so that it buckles (buckling torque, torsional buckling moment, bending-torsional buckling moment, “buckling torque”). Between the starting torque and the buckling torque lies the ratcheting torque, at which engagement faults are typically triggered. The torque threshold value used in the method can correspond, for example, to the kicking torque or the ratcheting torque. Preferably, the torque threshold is between the kicking torque and the buckling torque or between the kicking torque and the ratcheting torque. In particular, the torque threshold value can be individually tailored to the transmission, for example by triggering one or more engagement faults in a controlled manner before commissioning and the threshold value is selected depending on the torque that occurs during the engagement faults. It is also conceivable to first carry out a comparison with a first torque threshold value and, if it is exceeded, to carry out a comparison with a second torque threshold value which is higher than the first torque threshold value. In particular, the first torque threshold value may correspond to the starting torque, while the second torque threshold value corresponds to the ratchet torque.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Detektion wird zu Beginn des Verfahrens ein individueller Drehmomentschwellwert für das Spannungswellengetriebe ermittelt und der Vergleich des gemessenen Drehmoments mittels des individuellen Drehmomentschwellwerts durchgeführt, wobei der individuelle Drehmomentschwellwert insbesondere durch mindestens eine, vorzugsweise mehrere, kontrollierte Auslösungen von Eingriffsstörungen ermittelt wird. Anders ausgedrückt wird das gemessene Drehmoment mit einem individuellen Drehmomentschwellwert verglichen, wobei eine Überschreitung des individuellen Drehmomentschwellwerts erfasst wird und durch die Überschreitung des individuellen Drehmomentschwellwerts eine Erhöhung einer Abtastrate des Drehmomentsensors ausgelöst wird. Der individuelle Drehmomentschwellwert wird durch eine oder mehrere gezielte Experimente festgestellt. Beispielsweise kann dabei der individuelle Schwellwert so bestimmt werden, dass er oberhalb der beim Normalbetrieb auftretenden Drehmomentwerte (z.B. Start/Stopp-Drehmoment) liegt.In a further advantageous embodiment of the detection according to the invention, an individual torque threshold value for the voltage wave transmission is determined at the beginning of the method and the comparison of the measured torque is carried out using the individual torque threshold value, the individual torque threshold value being determined in particular by at least one, preferably several, controlled triggering of engagement faults . In other words, the measured torque is compared with an individual torque threshold value, whereby an exceedance of the individual torque threshold value is detected and an increase in a sampling rate of the torque sensor is triggered by exceeding the individual torque threshold value. The individual torque threshold is determined through one or more targeted experiments. For example, the individual threshold value can be determined so that it is above the torque values that occur during normal operation (e.g. start/stop torque).

Der im erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren ermittelte Winkelversatz zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring kann in einem weiteren Verfahrensschritt zur Kompensation der Fehlstellung genutzt werden. Ein Drehgeber kann während der Aufnahme des Drehmomentes die Position des Wellengenerators bestimmen, sodass anhand dieser Position eine Positionszuordnung der Eingriffsstörung möglich ist. Dieser Wert in Kombination mit dem ermittelten Winkelversatz des Außenringes kann an die Auswerteeinheit überführt werden. Aus der ermittelten Position des Drehgebers am Wellengenerator kann die Auswerteeinheit exakt die Drehstellung des Außenrings bestimmen, bei welcher die Eingriffsstörung aufgetreten ist. Die Auswerteeinheit kann mittels des Winkelversatzes den gemessenen Wert des Drehgebers korrigieren, wobei der Winkelversatz, welcher durch das sogenannte „Durchrutschen“ der Zähne am Außenring entsteht, ohne eine Bewegung des Antriebsmoduls durch ein „Reset“ des Drehgebers kompensiert werden kann. Beim „Reset“ des Drehgebers kann der Winkelversatz in die aktuelle Positionsbestimmung durch den Drehgeber einkalkuliert werden, wobei der Winkelversatz entweder zu der aktuellen Position addiert oder von dieser subtrahiert werden kann. Vorteilhafterweise kann durch das „Reset“ des Drehgebers weiterhin eine exakte Positionierung ausgangsseitig stattfinden, wobei die Robustheit des Spannungswellengetriebes erhöht wird. Standzeiten einer Maschine mit eingebautem Spannungswellengetriebe und Ungenauigkeiten in der Drehstellung am Außenring durch Eingriffsstörungen können darüber hinaus minimiert werden.The angular offset between the transmission ring and the outer ring determined in the method according to the invention for detecting and quantifying can be used in a further method step to compensate for the misalignment. A rotary encoder can determine the position of the shaft generator while recording the torque, so that the position of the interference fault can be assigned based on this position. This value in combination with the determined angular offset of the outer ring can be transferred to the evaluation unit. From the determined position of the rotary encoder on the shaft generator, the evaluation unit can determine exactly the rotational position of the outer ring at which the engagement fault occurred. The evaluation unit can correct the measured value of the rotary encoder using the angular offset, whereby the angular offset, which occurs due to the so-called “slipping” of the teeth on the outer ring, can be compensated for by “resetting” the rotary encoder without moving the drive module. When “resetting” the encoder, the angular offset can be taken into account in the current position determination by the encoder, whereby the angular offset can either be added to or subtracted from the current position. Advantageously, exact positioning can continue to take place on the output side by “resetting” the rotary encoder, thereby increasing the robustness of the voltage shaft gear. The downtime of a machine with a built-in tension shaft gear and inaccuracies in the rotational position on the outer ring due to interference can also be minimized.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Drehgeber an einer eingangsseitigen Rotorwelle oder direkt an einem eingangsseitigen Antriebsmodul, bevorzugterweise ein Elektromotor, angebracht.In an alternative embodiment, the rotary encoder is attached to an input-side rotor shaft or directly to an input-side drive module, preferably an electric motor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zeitliche Drehmomentverlauf mittels eines an dem verformbaren Übertragungsring angeordneten Drehmomentsensors erfolgt, der bevorzugt einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen aufweist. Die Sensordaten des Drehmomentsensors können hierbei die Daten für den Drehmomentverlauf bereitstellen. Mehrere Drehmomentsensoren erzeugen hierbei ein zuverlässigeres System, wobei bevorzugt Drehmomentsensoren mit einer hohen Messgenauigkeit verwendet werden. Der Drehmomentsensor kann beispielsweise am Übertragungsring angebracht oder in den Übertragungsring integriert sein. Insbesondere kann der Übertragungsring eine dehnungsempfindliche Struktur oder Beschichtung aufweisen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings messen lässt. Es ist ferner denkbar, dass ein Kompensations-Dehnungsmessstreifen verwendet werden kann, wobei dieser zur Kompensation von Temperaturschwankungen dienen kann. Bei einem hochdynamischen Betrieb können die Temperaturen innerhalb des Spannungswellengetriebes ansteigen, welches den Drehmomentverlauf verfälschen könnte. Ein Kompensations-Dehnungsmessstreifen kann innerhalb des Spannungswellengetriebes angeordnet sein, wobei dieser keine mechanischen Spannung erfährt, aber jedoch die gleichen Temperaturen erfährt. Hierdurch wird es der Auswerteeinheit möglich, die Verfälschung durch die Temperaturschwankung zu egalisieren.According to a preferred embodiment, it is provided that the torque curve over time takes place by means of a torque sensor arranged on the deformable transmission ring, which preferably has one or more strain gauges. The sensor data from the torque sensor can provide the data for the torque curve. Multiple torque sensors create a more reliable system, with preference being given to using torque sensors with high measurement accuracy. The torque sensor can, for example, be attached to the transmission ring or integrated into the transmission ring. In particular, the transmission ring can have an expansion have a sensitive structure or coating with which the applied torque can be measured via the resulting torsion of the transmission ring. It is also conceivable that a compensation strain gauge can be used, which can serve to compensate for temperature fluctuations. During highly dynamic operation, the temperatures within the voltage shaft transmission can rise, which could distort the torque curve. A compensation strain gauge can be arranged within the tension shaft gear, which does not experience any mechanical stress but does experience the same temperatures. This makes it possible for the evaluation unit to equalize the distortion caused by the temperature fluctuation.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messen des zeitlichen Drehmomentverlaufs das Messen einer Drehrichtung des Wellengenerators und/oder eines Betrags des Drehmoments umfasst. Über die vorhandene Sensorik kann die Drehrichtung des Wellengenerators bestimmt werden, wobei die Drehrichtung bei der Ausgabe des Drehwinkels des Außenrings von besonderer Relevanz ist. Aus der ermittelten Drehrichtung des Wellengenerators und der Übersetzung kann die Drehrichtung des Außenrings ermittelt werden, wobei diese zur Nutzung des ermittelten Drehwinkels des Außenringes benötigt werden kann. Alternativ kann die Drehrichtung des Wellengenerators direkt übermittelt werden oder ein Drehgeber, beispielsweise aufweisend einen Hall-Sensor, kann die Drehrichtung des Wellengenerators ermitteln.According to a preferred embodiment, it is provided that measuring the torque curve over time includes measuring a direction of rotation of the shaft generator and/or an amount of the torque. The direction of rotation of the wave generator can be determined using the existing sensors, with the direction of rotation being of particular relevance when outputting the angle of rotation of the outer ring. The direction of rotation of the outer ring can be determined from the determined direction of rotation of the shaft generator and the translation, which may be required to use the determined angle of rotation of the outer ring. Alternatively, the direction of rotation of the wave generator can be transmitted directly or a rotary encoder, for example having a Hall sensor, can determine the direction of rotation of the wave generator.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Detektieren der Eingriffsstörung in dem gemessenen Drehmomentverlauf ein Ereignis einer gedämpften Schwingung erkannt wird. Beim Überschreiten des Ratschendrehmoments und beim „durchrutschen“ kann der Drehmomentverlauf der Eingriffsstörung eine gedämpfte Schwingung abbilden. Einerseits kann diese Eingriffsstörung bereits über die Schwellwerte erkannt werden, aber andererseits kann die Eingriffsstörung alternativ anhand der charakteristischen Schwingungsform erkannt werden. Das Moment baut sich hierbei kurzzeitig stark auf oder ab bis das Ratschendrehmoment über- bzw. unterschritten ist. Beim sogenannten „Durchrutschen“ der Zähne fällt zuerst das gemessene Moment ab, bis ein Zahn der Außenverzahnung erneut auf einen Zahn der Innenverzahnung trifft. Die Zähne können beim Durchrutschen aufeinanderprallen, wobei kurzzeitig eine Schwingung entsteht, welche bedingt durch den Eingriff und der Kraftzufuhr des Wellengenerators schnell gedämpft wird. Dies kann den charakteristischen Verlauf der gedämpften Schwingung abbilden.According to a preferred embodiment, it is provided that an event of a damped oscillation is recognized in the measured torque curve in order to detect the engagement disturbance. When the ratchet torque is exceeded and “slips”, the torque curve of the engagement fault can produce a damped oscillation. On the one hand, this intervention disturbance can already be recognized via the threshold values, but on the other hand, the intervention disturbance can alternatively be recognized based on the characteristic vibration shape. The torque increases or decreases briefly until the ratchet torque is exceeded or fallen below. When the teeth “slip,” the measured moment first drops until a tooth on the external toothing hits a tooth on the internal toothing again. The teeth can collide when slipping, causing a brief vibration that is quickly dampened by the engagement and the power supply from the wave generator. This can depict the characteristic course of the damped oscillation.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Ermitteln der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne eine Anzahl an aufeinanderfolgenden gedämpften Schwingungen in dem gemessenen Drehmomentverlauf ermittelt wird. Eine Eingriffsstörung kann mehrere übersprungene Zähne aufweisen, wobei die Anzahl an übersprungenen Zähnen für die Berechnung des Drehwinkels von besonderer Relevanz sind. Um den Drehwinkel des Außenringes exakt bestimmen zu können, kann innerhalb der Eingriffsstörung mit mehreren auftretenden gedämpften Schwingungen die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt werden.According to a preferred embodiment, it is provided that in order to determine the number of teeth skipped during the detected engagement disturbance, a number of successive damped oscillations in the measured torque curve is determined. A meshing fault can have several skipped teeth, with the number of skipped teeth being of particular relevance for calculating the angle of rotation. In order to be able to precisely determine the angle of rotation of the outer ring, the number of skipped teeth can be determined within the engagement fault with several damped vibrations occurring.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird während einer Eingriffsstörung überprüft, ob die übersprungenen Zähne nebeneinander angeordnet sind. Eine Eingriffsstörung mit mehreren übersprungenen Zähnen kann nur als solche erachtet werden, wenn die Zähne direkt nebeneinander übersprungenen werden. Sofern ein Zahn zwischen zwei übersprungenen Zähnen nicht übersprungen wird, können diese Ereignisse als zwei unterschiedlichen Eingriffsstörungen verstanden werden.In a particularly preferred embodiment, a check is made during a meshing disruption to see whether the skipped teeth are arranged next to one another. An interference failure with multiple skipped teeth can only be considered as such if the teeth are skipped right next to each other. Unless a tooth is skipped between two skipped teeth, these events can be understood as two different engagement failures.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehwinkel berechnet wird als Δ θ = ( 360 ° Δ z c Δ z s ) / i ,

Figure DE102022128423B3_0001
wobei Δzs die Anzahl übersprungener Zähne Δzc die Anzahl Zähne der Innenverzahnung des Außenrings und i das Übersetzungsverhältnis ist. Aus dem gemessenen Drehmomentverlauf und den daraus ermittelten übersprungenen Zähnen kann der Winkelversatz zwischen Übertragungsring und Außenring, bedingt durch die Eingriffsstörung, ermittelt werden. Dieser Wert kann an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden.According to a further preferred embodiment it is provided that the angle of rotation is calculated as Δ θ = ( 360 ° Δ e.g c Δ e.g s ) / i ,
Figure DE102022128423B3_0001
where Δzs is the number of skipped teeth, Δzc is the number of teeth of the internal teeth of the outer ring and i is the gear ratio. From the measured torque curve and the skipped teeth determined from it, the angular offset between the transmission ring and the outer ring, caused by the interference interference, can be determined. This value can be forwarded to an evaluation unit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass anhand der Drehstellung des Wellengenerators eine Drehstellung des Außenrings ermittelt wird, an welcher die Eingriffsstörung aufgetreten ist, wobei die Drehstellung zusammen mit dem ermittelten Drehmomentwert beim Auftreten der Eingriffsstörung, und optional zusammen mit der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne für einen späteren Vergleich gespeichert wird.. Durch einen solchen Vergleich können defekte Zähne oder stark verschlissene Zähne ermittelt werden.According to a preferred embodiment, it is provided that a rotational position of the outer ring at which the engagement fault occurred is determined based on the rotational position of the shaft generator, the rotational position together with the determined torque value when the engagement fault occurs, and optionally together with the number during the detected engagement fault Skipped teeth are saved for later comparison. Such a comparison can be used to identify defective teeth or severely worn teeth.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der ist vorgesehen, dass überprüft wird, ob ein Drehmoment beim Auftreten der Eingriffsstörung kleiner ist als ein gespeichertes Drehmoment an derselben Drehstellung des Außenrings bei einer vormals detektierten Eingriffsstörung. Die Daten des Drehgebers und weitere Daten können in einer internen Speichereinheit gespeichert werden. Vorteilhafterweise können diese Daten bei wiederholt auftretenden Eingriffsstörungen genutzt werden, wobei die an gleicher Drehstellung auftretenden Eingriffsstörungen miteinander verglichen werden können und ein Indikator für die Lebensdauer und den Verschleiß des Spannungswellengetriebes sein können. Wiederholt auftretende Eingriffsstörung an einer gleichen Drehstellung am Außenring können auf starken lokalen Verschleiß eines Zahnes oder die Beschädigung eines Zahnes hindeuten. So können die Drehmomentverläufe dieser Eingriffsstörungen miteinander verglichen werden, wobei starke Abweichung zwischen den Drehmomentverläufen auf Schädigungen oder starken Verschleiß hinweisen können. Mit steigender Betriebsdauer können mehrere Eingriffsstörungen an derselben Zahnposition auftreten, wobei eine zu einem späteren Zeitpunkt auftretende Eingriffsstörung einen geringeren Drehmomentanstieg, bzw. -abfall oder einen flacheren Gradienten im Drehmomentverlauf aufweisen sollte als eine vorher aufgetretene Eingriffsstörung. Der Vergleich des Drehmoments kann entweder das Ratschendrehmoment bei dem ersten übersprungen Zahn einer Eingriffsstörung betreffen oder das maximale Drehmoment bei dem ersten übersprungen Zahn einer Eingriffsstörung oder das gemittelte Drehmomentwert aus den mehreren gedämpften Schwingungen einer Eingriffsstörung, sofern mehrere Zähne übersprungen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Betrag der Drehmomente verglichen, sodass die Vorzeichen bei einem Vergleich der Daten nicht von Relevanz sind. Ferner vereinfacht dies den Vergleich und die gezielte Abfrage durch vordefinierte Kriterien bei einem Vergleich.According to a further preferred embodiment, it is provided that a check is made as to whether a torque when the engagement fault occurs is smaller than a stored torque at the same rotational position of the outer ring in the event of a previously detected engagement fault. The encoder data and other data can be stored in one internal storage unit. This data can advantageously be used in the event of repeated engagement faults, whereby the engagement faults occurring at the same rotational position can be compared with one another and can be an indicator of the service life and wear of the tension shaft gear. Repeatedly occurring engagement problems at the same rotational position on the outer ring can indicate severe local wear on a tooth or damage to a tooth. In this way, the torque curves of these interference faults can be compared with each other, whereby strong deviations between the torque curves can indicate damage or heavy wear. As the duration of operation increases, several engagement faults can occur at the same tooth position, whereby a engagement fault that occurs at a later point in time should have a smaller increase or decrease in torque or a flatter gradient in the torque curve than a previously occurring engagement fault. The comparison of the torque can relate either to the ratchet torque at the first skipped tooth of a meshing fault or the maximum torque at the first skipped tooth of a meshing fault or the averaged torque value from the several damped oscillations of a meshing fault if several teeth are skipped. In a particularly preferred embodiment, the magnitude of the torques is compared so that the signs are not relevant when comparing the data. This also simplifies the comparison and targeted query using predefined criteria during a comparison.

Das eingangs genannte Problem wird weiterhin gelöst durch ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe, das einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Antriebsmodul dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen:

  • - Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring,
  • - Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs,
  • - Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments und
  • - Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring, welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.
The problem mentioned at the outset is further solved by a drive module with a voltage shaft gear, which comprises an input-side wave generator, an output-side, rigid outer ring with internal teeth and an elastically deformable transmission ring with external teeth which is in engagement with the internal teeth of the outer ring, the drive module is configured to carry out the following procedural steps:
  • - measuring a torque curve over time on the deformable transmission ring,
  • - Detecting a malfunction based on the measured torque curve,
  • - Determining a number of teeth skipped during the detected engagement fault based on the measurement of the torque and
  • - Calculating an angular offset between the transmission ring and the outer ring, which corresponds to the determined number of teeth.

Durch das erfindungsgemäße Antriebsmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die zuvor iim Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind. The drive module according to the invention can achieve the same advantages that were previously described in connection with the method according to the invention.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können - allein oder in Kombination - gleichfalls bei dem erfindungsgemäßen Antriebsmodul Anwendung finden.The advantageous configurations and features described in connection with the method can also be used - alone or in combination - in the drive module according to the invention.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer schematischen Darstellung;
  • 2 eine schematische Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes, sowie einen im Betriebsfall intakten Zahneingriff;
  • 3 eine schematische Eingriffsstörung, sowie eine Verformung eines Übertragungsringes zur Messung eines Drehmoments;
  • 4 eine Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes eingangsseitig;
  • 5 eine Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes ausgangsseitig;
  • 6 ein Drehmomentverlauf über die Zeit mit einer Eingriffsstörung;
  • 7 ein schematisches Sensorsystem und
  • 8 ein schematisches Flussdiagramm zum Erkennen, Quantifizieren und Kompensieren einer Eingriffsstörung.
Further details and advantages of the invention will be explained below using the exemplary embodiment shown in the drawings. This shows:
  • 1 an exemplary embodiment of a robot in a schematic representation;
  • 2 a schematic sectional view of a tension shaft gear, as well as a tooth mesh that is intact during operation;
  • 3 a schematic engagement fault and a deformation of a transmission ring for measuring a torque;
  • 4 a sectional view of a voltage shaft transmission on the input side;
  • 5 a sectional view of a voltage shaft transmission on the output side;
  • 6 a torque curve over time with a meshing failure;
  • 7 a schematic sensor system and
  • 8th a schematic flow diagram for detecting, quantifying and compensating for an intervention failure.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Industrieroboter 200 ausgebildeten Roboters mit mehreren Armsegmenten 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 gemäß der Erfindung drehbar verbunden sind. Auch wenn der hier dargestellte Industrieroboter 200 drei Armsegmente 201 und drei Antriebsmodule 100 aufweist, sind Ausgestaltungen des Industrieroboters 200 mit einer abweichenden Anzahl an Armsegmenten 201 und Antriebsmodulen 100 denkbar, beispielsweise jeweils vier, fünf, sechs oder sieben. Ferner kann ein Antriebsmodul 100 für jegliche Robotergelenke verwendet werden. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a robot designed as an industrial robot 200 with several arm segments 201, each of which is rotatably connected via drive modules 100 according to the invention. Even if the industrial robot 200 shown here has three arm segments 201 and three drive modules 100, configurations of the industrial robot 200 with a different number of arm segments 201 and drive modules 100 are conceivable, for example four, five, six or seven each. Furthermore, a drive module 100 can be used for any robot joints.

In der 2 ist ein typischer Aufbau eines Spannungswellengetriebes 10 schematisch dargestellt. Die Hauptkomponenten des Spannungswellengetriebes 10 sind ein Wellengenerator 13, ein starrer Außenring 11 („circular spline“) mit Innenverzahnung 1 und ein dazwischen angeordneter flexibler Übertragungsring 12 („flexspline“) mit Außenverzahnung 2. Der Wellengenerator 13 wird durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 (nicht dargestellt) angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen. Der flexible Übertragungsring 12 wird durch den Wellengenerator 13 mit dem Außenring 11 in Eingriff gebracht, wobei jeder individuelle Zahn des Übertragungsrings 12 während einer 180°-Drehung des Wellengenerators 13 aus einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Außenrings 11 herausbewegt wird und in die jeweils nachfolgende Lücke wandert (angedeutet durch den Pfeil 3 im Ausschnitt 4). Auf diese Weise rotiert der Übertragungsring 12 relativ zum Außenring 11 in die, der Drehung des Wellengenerators 13 entgegengesetzte Richtung, wobei ein Drehmoment zwischen den beiden Ringen 11 und 12 übertragen wird. Der Abtrieb des Spannungswellengetriebes 10 kann dabei entweder über den Übertragungsring 12 (bei festem Außenring 11) und über den Außenring 11 (bei festem Übertragungsring 12) erfolgen. Im Folgenden wird der Abtrieb des Spannungswellengetriebes durch den Außenring 11 gebildet.In the 2 A typical structure of a voltage wave transmission 10 is shown schematically. The main components of the voltage shaft transmission 10 are a shaft generator 13, a rigid outer ring 11 (“circular spline”) with internal toothing 1 and a flexible transmission ring 12 (“flexspline”) with external toothing 2 arranged between them. The shaft generator 13 is provided by a, Oval disk connected to a drive shaft is formed, on the circumference of which several rolling elements 14 (not shown) are arranged, which roll on the inside of the transmission ring 12. The flexible transmission ring 12 is brought into engagement with the outer ring 11 by the shaft generator 13, with each individual tooth of the transmission ring 12 being moved out of a gap between two teeth of the outer ring 11 and into the respective subsequent gap during a 180 ° rotation of the shaft generator 13 migrates (indicated by arrow 3 in section 4). In this way, the transmission ring 12 rotates relative to the outer ring 11 in the direction opposite to the rotation of the wave generator 13, with a torque being transmitted between the two rings 11 and 12. The output of the voltage shaft gear 10 can take place either via the transmission ring 12 (with a fixed outer ring 11) or via the outer ring 11 (with a fixed transmission ring 12). In the following, the output of the tension shaft gear is formed by the outer ring 11.

Als Folge eines übermäßig hohen Drehmoments kann der Eingriff zwischen den Verzahnungen 1, 2 vorübergehend verloren gehen, so dass ein Zahn des Übertragungsrings 12 mehrere Zähne des Außenrings 11, während einer sogenannten Eingriffsstörung 62, überspringen kann (angedeutet durch den Pfeil 62). Während im Normalbetrieb durch die Verzahnung zwischen den Ringen 11, 12 eine strenge Beziehung zwischen den jeweiligen Drehwinkeln aufrechterhalten wird, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung zu einer unkontrollierten Relativdrehung und einem dadurch hervorgerufenen Winkelversatz 64 (siehe 6).As a result of an excessively high torque, the engagement between the toothings 1, 2 can be temporarily lost, so that a tooth of the transmission ring 12 can jump over several teeth of the outer ring 11 during a so-called engagement fault 62 (indicated by the arrow 62). While in normal operation a strict relationship between the respective angles of rotation is maintained by the toothing between the rings 11, 12, such a disruption in engagement results in an uncontrolled relative rotation and a resulting angular offset 64 (see 6 ).

In 3 ist die dynamische Verformung des Übertragungsrings 12 in verschiedenen Phasen der Eingriffsstörung schematisch abgebildet. Der Übertragungsring 12 ist dabei als zylinderhutförmige Buchse („silk-hat“) ausgebildet (siehe Abbildung links), deren oberer Rand die Außenverzahnung 2 aufweist, die wiederum mit der Innenverzahnung 1 des Außenrings 11 in Eingriff gebracht wird. Der Verformungsgrad der zylinderförmigen Wand des Übertragungsrings 12 ist zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zusammen mit dem zugehörigen Zustand der Verzahnungen 1, 2 dargestellt. Die Position des Außenrings 11 ist jeweils durch einen Bezugspunkt 34 am oberen Rand des Übertragungsrings 12 markiert, während die Linien 36, 37, 38 die zugehörige Verdrillung des Übertragungsrings 12 wiedergeben. In der ersten Phase ist der Eingriff zwischen den Ringen 1, 2 noch intakt, wobei sich jedoch durch die elastische Verdrillung 36 des Übertragungsrings 12 ein immer stärker werdendes Drehmoment aufbaut. Mit steigender Verdrillung erhöht sich die Torsionssteifigkeit des Übertragungsrings 12, so dass das Drehmoment steil ansteigt und schließlich bei der Verformung 37 seinen Maximalwert erreicht. Beim Erreichen dieses kritischen Werts wird eine Eingriffsstörung 62 ausgelöst, bei der der Eingriff der Verzahnungen 1, 2 zumindest teilweise aufgehoben wird, die Verdrillung zurückschnellt und die Außenverzahnung 2 gegenüber der Innenverzahnung 1 springt. Die Linie 38 endet nach dem Sprung nicht mehr, wie vorher, an dem Bezugspunkt 34, sondern weist zu diesem einen Winkelversatz auf, der dem entstandenen Offset zwischen den Drehwinkeln der beiden Ringe 2, 3 entspricht. Anhand dieser Verdrehung kann mittels eines Drehmomentsensors 15, beispielsweise ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen, ein Drehmoment gemessen werden und in Form eines Drehmomentverlaufs 60 (siehe 6) über die Zeit nutzbar gemacht werden.In 3 the dynamic deformation of the transmission ring 12 is shown schematically in different phases of the engagement failure. The transmission ring 12 is designed as a cylinder hat-shaped bushing (“silk-hat”) (see illustration on the left), the upper edge of which has the external toothing 2, which in turn is brought into engagement with the internal toothing 1 of the outer ring 11. The degree of deformation of the cylindrical wall of the transmission ring 12 is shown at three consecutive times together with the associated state of the toothings 1, 2. The position of the outer ring 11 is marked by a reference point 34 on the upper edge of the transmission ring 12, while the lines 36, 37, 38 represent the associated twisting of the transmission ring 12. In the first phase, the engagement between the rings 1, 2 is still intact, but the elastic twist 36 of the transmission ring 12 builds up an ever-increasing torque. As the twist increases, the torsional rigidity of the transmission ring 12 increases, so that the torque rises steeply and finally reaches its maximum value at the deformation 37. When this critical value is reached, an engagement fault 62 is triggered, in which the engagement of the toothings 1, 2 is at least partially canceled, the twisting snaps back and the external toothing 2 jumps relative to the internal toothing 1. After the jump, the line 38 no longer ends at the reference point 34, as before, but has an angular offset from this, which corresponds to the resulting offset between the angles of rotation of the two rings 2, 3. Based on this rotation, a torque can be measured using a torque sensor 15, for example one or more strain gauges, and in the form of a torque curve 60 (see 6 ) can be made usable over time.

In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsmoduls 100 zum Bewegen eines Armsegments 201 eines Industrieroboters 200 dargestellt, das bei dem Industrieroboter 200 gemäß 1 Verwendung finden kann. Das Antriebsmodul 100 umfasst ein als Spannungswellengetriebe 10 ausgebildetes Getriebe, einen Elektromotor 20 und eine Bremseinrichtung 30. Ein weiterer Bestandteil des Antriebsmoduls 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist eine Elektronikeinheit 40. Der Wellengenerator 13 wird durch eine ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen.In the 4 an embodiment of a drive module 100 for moving an arm segment 201 of an industrial robot 200 is shown, which is in the industrial robot 200 according to 1 can be used. The drive module 100 comprises a gear designed as a voltage wave gear 10, an electric motor 20 and a braking device 30. Another component of the drive module 100 according to the exemplary embodiment is an electronics unit 40. The wave generator 13 is formed by an oval disk, on the circumference of which several rolling elements 14 are arranged are that roll on the inside of the transmission ring 12.

Der Wellengenerator 13 des Spannungswellengetriebes 10 ist mit dem Elektromotor 20 gekoppelt, hier mit der Rotorwelle 21 des Elektromotors 20. Der Elektromotor 20 kann als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgestaltet sein.The wave generator 13 of the voltage wave gear 10 is coupled to the electric motor 20, here with the rotor shaft 21 of the electric motor 20. The electric motor 20 can be designed as an axial flux machine or as a radial flux machine.

Die Rotorwelle 21 und damit auch der Wellengenerator 13 sind ferner mit der Bremseinrichtung 30 gekoppelt, mittels welcher die Rotorwelle 21 verzögert und/oder festgelegt werden kann. Die Rotorwelle 21 ist zudem mit einem Positionssensor 50 gekoppelt, über welchen eine Position, hier eine Winkelstellung der Rotorwelle 21 ermittelt werden kann. Der Positionssensor 50 ist bevorzugt als optischer oder magnetischer Drehgeber bzw. Drehwinkelgeber ausgestaltet. Aus der Kombination aus dem Drehmomentsensor 15 und dem Positionssensor 50 kann der Betrag des Drehmomentes zwischen den Ringen 11, 12 und die Drehrichtung des Wellengenerators erfasst werden.The rotor shaft 21 and thus also the wave generator 13 are further coupled to the braking device 30, by means of which the rotor shaft 21 can be delayed and/or fixed. The rotor shaft 21 is also coupled to a position sensor 50, via which a position, here an angular position, of the rotor shaft 21 can be determined. The position sensor 50 is preferably designed as an optical or magnetic rotary encoder or rotary angle encoder. From the combination of the torque sensor 15 and the position sensor 50, the amount of torque between the rings 11, 12 and the direction of rotation of the shaft generator can be detected.

5 zeigt ein Detail des Spannungswellengetriebes 10 des Antriebsmoduls 100 nach 4. Es ist erkennbar, dass an dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 ein Drehmomentsensor 15 angeordnet ist, mittels dem das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment gemessen wird. Der Drehmomentsensor 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings 12 messen lässt. Der Drehmomentsensor 15 ist mit einer Auswerteeinheit 41 des Antriebsmoduls 100 verbunden, welche kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich Messwerte des Drehmomentsensors 15 empfängt. Die Auswerteeinheit 41 ist bei dem Ausführungsbeispiel als Teil der Elektronikeinheit 40 ausgestaltet, vgl. 4. 5 shows a detail of the voltage shaft gear 10 of the drive module 100 4 . It can be seen that a torque sensor 15 is arranged on the elastically deformable transmission ring 12, by means of which the torque exerted on the transmission ring 12 is measured. The torque sensor 15 according to the off The exemplary embodiment includes one or more strain gauges with which the applied torque can be measured via the resulting torsion of the transmission ring 12. The torque sensor 15 is connected to an evaluation unit 41 of the drive module 100, which continuously or quasi-continuously receives measured values from the torque sensor 15. In the exemplary embodiment, the evaluation unit 41 is designed as part of the electronics unit 40, cf. 4 .

In 6 ist ein Drehmomentverlauf 50 über die Zeit abgebildet. Die Detektion einer Eingriffsstörung kann einerseits über den Gradienten des Drehmomentverlaufs 60 und/oder durch einen Schwellwert geschehen. Ein erheblicher Anstieg bzw. Abfall eines Drehmomentes und/oder ein steiler Anstieg bzw. Abfall des Gradienten des gemessenen Drehmomentverlaufs 60 erlaubt es die Eingriffsstörung 62 zu erkennen. Während einer Eingriffsstörung 62 können ein oder mehrere Zähne übersprungen werden, wobei die Anzahl an übersprungenen Zähnen im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wird. Aus der Anzahl an übersprungenen Zähnen während einer Eingriffsstörung 62 wird erfindungsgemäß ein Winkelversatz 64, der durch diese Eingriffsstörung erzeugt wurde, errechnet. Der Drehwinkel des Außenringes beschreibt dabei die Differenz zwischen der dem Positionssensor 50 gemessenen Drehstellung und der durch die Eingriffsstörung 62 verursachte wirkliche Drehstellung.In 6 a torque curve 50 is shown over time. The detection of an engagement fault can occur on the one hand via the gradient of the torque curve 60 and/or via a threshold value. A significant increase or decrease in torque and/or a steep increase or decrease in the gradient of the measured torque curve 60 allows the engagement fault 62 to be recognized. During an engagement fault 62, one or more teeth can be skipped, the number of skipped teeth being determined in the method according to the invention. According to the invention, an angular offset 64, which was generated by this engagement disturbance, is calculated from the number of skipped teeth during a meshing disturbance 62. The angle of rotation of the outer ring describes the difference between the rotational position measured by the position sensor 50 and the actual rotational position caused by the engagement fault 62.

Die Notwendigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deutlich durch den in 6 gezeigten Winkelversatz 64. Eine Eingriffsstörung 62 kann auftreten, wenn der kritische Wert des Ratschendrehmomentes 61 überschritten wird. Die Eingriffsstörung 62 weist in diesem Fall drei übersprungene Zähne auf, wobei ein übersprungener Zahn jeweils eine gedämpfte Schwingung 62' in dem Drehmomentverlauf 60 erzeugt. Die durch einen Zahn erzeugten Winkelversatze 63 innerhalb einer Eingriffsstörung 62 ergeben aufsummiert den kompletten Winkelversatz für eine Eingriffsstörung 64, wobei es vom besonderen Interesse ist diese durch die Eingriffsstörung 62 erzeugte Fehlstellung zu kompensieren.The necessity of the method according to the invention is made clear by the in 6 angular offset 64 shown. An engagement fault 62 can occur if the critical value of the ratchet torque 61 is exceeded. In this case, the engagement fault 62 has three skipped teeth, with each skipped tooth generating a damped oscillation 62 'in the torque curve 60. The angular offsets 63 generated by a tooth within a meshing disruption 62 add up to the complete angular offset for a meshing disruption 64, whereby it is of particular interest to compensate for this misalignment generated by the meshing disruption 62.

Basierend auf dem gemessenen Drehmomentverlauf 60 und den bereits erläuterten Kriterien zur Erkennung einer Eingriffsstörung 62 wird aus den durch die übersprungenen Zähne erzeugten gedämpften Schwingungen 62' eine Eingriffsstörung 62 detektiert. Die Eingriffsstörung 62 kann dabei eine oder mehrere gedämpfte Schwingungen 62' aufweisen, wobei aus diesen wiederum die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt wird. Diese Anzahl wird bei der Berechnung des Winkelversatzes des Außenringes 11 relativ zum Übertragungsring 12 benötigt, welcher dem Winkelversatz 64 zwischen Eingang und Ausgang des Spannungswellengetriebes entspricht. Die Anzahl an übersprungenen Zähnen wird in der Auswerteeinheit 41 bestimmt und mit der Formel Δ θ = ( 360 ° Δ z c Δ z s ) / i ,

Figure DE102022128423B3_0002
wobei Δzs die Anzahl übersprungener Zähne Δzc die Anzahl Zähne der Innenverzahnung 1 des Außenrings 11 und i das Übersetzungsverhältnis ist, der Drehwinkel des Außenringes 11 berechnet. Eine Pluralität von gedämpften Schwingungen 62' zählt lediglich als eine Eingriffsstörung 62 sofern die übersprungenen Zähne, welche die gedämpften Schwingungen 62' erzeugen, nebeneinander angeordnet sind.Based on the measured torque curve 60 and the criteria already explained for detecting a meshing fault 62, a meshing fault 62 is detected from the damped vibrations 62' generated by the skipped teeth. The engagement fault 62 can have one or more damped vibrations 62 ', from which the number of skipped teeth is determined. This number is required when calculating the angular offset of the outer ring 11 relative to the transmission ring 12, which corresponds to the angular offset 64 between the input and output of the voltage wave gear. The number of skipped teeth is determined in the evaluation unit 41 and using the formula Δ θ = ( 360 ° Δ e.g c Δ e.g s ) / i ,
Figure DE102022128423B3_0002
where Δzs is the number of skipped teeth, Δzc is the number of teeth of the internal toothing 1 of the outer ring 11 and i is the transmission ratio, the angle of rotation of the outer ring 11 is calculated. A plurality of damped vibrations 62' only counts as a meshing interference 62 if the skipped teeth that generate the damped vibrations 62' are arranged next to one another.

7 zeigt ein Sensorsystem 300, welches eine Auswerteeinheit 41 und ein Drehmomentsensor 15 aufweist. Dieses System 300 wird ferner durch Daten aus dem Positionssensor 50 unterstützt. Die im System 300 angeordnete Auswerteeinheit 41 umfasst dabei einen Filter und Verstärker 301, einen Analog/Digital-Wandler 302, einen Mikroprozessor 303 und eine interne Speichereinheit 304. Die interne Speichereinheit 304 ermöglicht das Speichern von während einer Eingriffsstörung 62 gemessenen Drehmomenten und den dazu gemessenen Positionen. Anhand der Position können die Beträge von Drehmomenten bei an gleichen Positionen auftretenden Eingriffsstörungen verglichen werden. Die Daten des Positionssensors 50 stellen die Drehstellung des Übertragungsringes 12 bereit. Die Detektion und Quantifikation des Winkelversatzes des Außenringens 12 relativ zum Übertragungsring ermöglicht den „Reset“ des Drehgebers bzw. Positionssensors 50, sodass der Auswerteeinheit 41 die wirkliche Stellung des Außenringes 12 bekannt ist. Die Kompensation des Winkelversatzes 64 erhöht die Robustheit des Antriebsmoduls gegenüber Fehlstellung und kann somit die Lebensdauer eines solchen Moduls steigern. Sogar mit progressiver Lebensdauer und stark fortgeschrittenem Verschleiß im Spannungswellengetriebe 10 könnte ein genaues Ansteuern des Außenringes 11 bzw. eines Armsegments 201 eines beispielhaften Roboters 200 möglich sein. 7 shows a sensor system 300, which has an evaluation unit 41 and a torque sensor 15. This system 300 is further supported by data from the position sensor 50. The evaluation unit 41 arranged in the system 300 comprises a filter and amplifier 301, an analog/digital converter 302, a microprocessor 303 and an internal storage unit 304. The internal storage unit 304 enables the storage of torques measured during an engagement fault 62 and the torques measured therefor positions. Based on the position, the amounts of torque can be compared in the event of interference faults occurring at the same positions. The data from the position sensor 50 provides the rotational position of the transmission ring 12. The detection and quantification of the angular offset of the outer ring 12 relative to the transmission ring enables the “reset” of the rotary encoder or position sensor 50, so that the real position of the outer ring 12 is known to the evaluation unit 41. The compensation of the angular offset 64 increases the robustness of the drive module against misalignment and can thus increase the service life of such a module. Even with a progressive service life and highly advanced wear in the tension shaft gear 10, precise control of the outer ring 11 or an arm segment 201 of an exemplary robot 200 could be possible.

Die interne Speichereinheit 304, innerhalb der Auswerteeinheit 41, speichert die Drehstellung bei der eine Eingriffsstörung 62 aufgetreten ist zusammen mit dem ermittelten Drehmomentwert beim Auftreten der Eingriffsstörung 62, und optional die Anzahl, während der detektierten Eingriffsstörung 62, übersprungener Zähne. Die interne Speichereinheit 304 kann im Mikroprozessor 303 umfasst sein. Die Auswerteeinheit 40 kann ferner zwei oder mehrere Analog/Digital-Wandler 302, sowie Filter und Verstärker 301 aufweisen, wobei die Anzahl dieser Elemente abhängig von der Anzahl an Eingangsgrößen sein kann. So wäre es beispielsweise denkbar, dass der Positionssensor 50 und der Drehmomentsensor 15 jeweils ein eigenen Signalwandler 302 und einen Filter und Verstärker 301 innerhalb der Auswerteeinheit 41 aufweisen. Darüber hinaus könnte eine bevorzugte Ausgestaltungsform weitere physikalische Größen als Eingangsgrößen aufweisen, wobei diese besonders zum Vergleich der Drehmomentverläufe 60 während der Eingriffsstörungen 62 genutzt werden. Beispielsweise könnte das System 300 ein Temperatursensor und einen Drucksensor aufweisen. Die Temperatur ist insbesondere für die Betrachtung des Drehmomentverlaufs 60 relevant, da die bevorzugt genutzten Dehnungsmesstreifen (als Drehmomentsensor 15) sehr temperaturanfällig sind. Der Einfluss der Temperatur könnte dabei bei der Vergleichbarkeit der Daten ein erheblicher Faktor sein. Der durch den Mikroprozessor 303 berechnete Drehwinkel des Außenringes wird in der Ausführungsform aus 7 an den eingangsseitig positionierten Elektromotor 20 weitergegeben, wobei dieser gezielt, unter Berücksichtigung des zu kompensierenden Drehwinkels, angesteuert wird.The internal storage unit 304, within the evaluation unit 41, stores the rotational position at which a meshing fault 62 occurred together with the determined torque value when the meshing fault 62 occurred, and optionally the number of teeth skipped during the detected meshing fault 62. The internal storage unit 304 may be included in the microprocessor 303. The evaluation unit 40 can also have two or more analog/digital converters 302, as well as filters and amplifiers 301, whereby the number of these elements can depend on the number of input variables. For example, it would be conceivable that the position sensor 50 and the torque sensor 15 each have their own signal converter 302 and a filter and amplifier 301 within the evaluation unit 41. In addition, a preferred embodiment could have further physical variables as input variables, these being used in particular to compare the torque curves 60 during the engagement disturbances 62. For example, the system 300 could include a temperature sensor and a pressure sensor. The temperature is particularly relevant for the consideration of the torque curve 60, since the strain gauges that are preferably used (as a torque sensor 15) are very sensitive to temperature. The influence of temperature could be a significant factor in the comparability of the data. The rotation angle of the outer ring calculated by the microprocessor 303 is in the embodiment 7 passed on to the electric motor 20 positioned on the input side, which is controlled specifically, taking into account the angle of rotation to be compensated.

Eine Aufgabe der in 7 gezeigten Auswerteeinheit 41 liegt darin, die Messdaten des Drehmomentsensor auszuwerten und festzustellen, wieviele Zähne während einer Eingriffsstörung übersprungen wurden.A task of the in 7 The evaluation unit 41 shown is to evaluate the measurement data from the torque sensor and determine how many teeth were skipped during a meshing fault.

Anhand des Ablaufdiagramms in 8 soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Kompensation des Winkelversatzes 400 erläutert werden. In einem ersten Verfahrensschritt 401 wird eine Eingriffsstörung 62 erkannt. Anschließend wird anhand des erläuterten Verfahrens zur Detektion und Quantifizierung in einem zweiten Verfahrensschritt 402 die Drehrichtung detektiert und die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt. Die Drehrichtung des Elektromotors 20 kann entweder über den Positionssensor 50 oder über ein Drehzahlsensor am Elektromotor 20 bestimmt werden. Im dritten Verfahrensschritt 403 wird der Drehwinkel des Außenringes 11 bestimmt. Der Kompensationswinkel bzw. der Winkelversatz wird durch die bereits weiter oben erläuterte Formel bestimmt.Using the flowchart in 8th An exemplary embodiment of a method for compensating the angular offset 400 will be explained below. In a first method step 401, an intervention fault 62 is detected. The direction of rotation is then detected and the number of skipped teeth is determined in a second method step 402 using the described method for detection and quantification. The direction of rotation of the electric motor 20 can be determined either via the position sensor 50 or via a speed sensor on the electric motor 20. In the third method step 403, the angle of rotation of the outer ring 11 is determined. The compensation angle or the angular offset is determined by the formula already explained above.

Sofern diese Verfahrensschritte durchlaufen wurden, wird durch die erste Abfrage 404 festgestellt, inwiefern an der gleichen Position am Außenring 11 bereits vormals eine Eingriffsstörung 62 aufgetreten ist. Bei einer negativen ersten Abfrage 405' springt das Verfahren zum vierten Verfahrensschritt 408 und gibt den errechneten Drehwinkel an den Elektromotor 20 weiter und/oder führt ein „Reset“ des Positionssensors 50 durch. Bei einer positiven ersten Abfrage 405 wird zu einer zweiten Abfrage 406 fortgeschritten. In der zweiten Abfrage 406 wird festgestellt ob das Ratschendrehmoment in der jetzigen Eingriffsstörung 62 sich gegenüber dem Ratschendrehmoment der vorherigen Eingriffsstörung 62 an der gleichen Position verringert hat, wobei in dieser Ausführungsform der Betrag des Drehmomentverlaufs 60 genutzt wird. Alternative wären auch die Betrachtung der Maxima der ersten gedämpften Schwingung 62' einer Eingriffsstörung oder die Betrachtung eines Mittelwertes aus einer Pluralität von gedämpften Schwingungen innerhalb einer Eingriffsstörung 62 möglich. Dieser Vergleich der Ratschendrehmomente von Eingriffsstörungen 62 die an gleichen Positionen aufgetreten sind, wird über die interne Speichereinheit 304 gestützt. Der Vergleich dieser Ratschendrehmomente ermöglicht es der Auswerteeinheit 41 den Verschleiß des Spannungswellengetriebes 10 und die potentielle Lebensdauer einzuschätzen. Ferner kann über diesen Vergleich ein Schaden an den Zähnen im Spannungswellengetriebe 10 festgestellt werden. Es wäre denkbar, dass die Auswerteeinheit 41 auf Basis des Vergleichs der Drehmomente dem Nutzer eine Einschätzung über den Zustand, den Verschleiß und/oder der geschätzten restlichen Lebensdauer des Spannungswellengetriebes 10 ausgibt.If these procedural steps have been completed, the first query 404 determines to what extent an engagement fault 62 has already occurred at the same position on the outer ring 11. If the first query 405′ is negative, the method jumps to the fourth method step 408 and passes on the calculated angle of rotation to the electric motor 20 and/or carries out a “reset” of the position sensor 50. If the first query 405 is positive, a second query 406 is advanced. In the second query 406 it is determined whether the ratchet torque in the current engagement fault 62 has reduced compared to the ratchet torque in the previous engagement fault 62 at the same position, with the amount of the torque curve 60 being used in this embodiment. Alternatively, it would also be possible to consider the maxima of the first damped oscillation 62' of an engagement disturbance or to consider an average value from a plurality of damped oscillations within an engagement disturbance 62. This comparison of the ratchet torques of engagement faults 62 that occurred at the same positions is supported via the internal storage unit 304. The comparison of these ratchet torques enables the evaluation unit 41 to estimate the wear of the tension shaft gear 10 and the potential service life. Furthermore, damage to the teeth in the tension wave gear 10 can be determined using this comparison. It would be conceivable for the evaluation unit 41 to give the user an assessment of the condition, wear and/or the estimated remaining service life of the tension shaft gear 10 based on the comparison of the torques.

Bei einer negativen zweiten Abfrage 407' kann von einem Schadensfall im Spannungswellengetriebe 10 ausgegangen werden, sodass zu einem alternativen vierten Verfahrensschritt 409 fortgeschritten wird. In diesem 409 wird eine Fehlermeldung für den Nutzer angezeigt. Weiterhin ist es denkbar mehrere Stufen einzubauen, sodass ein System 300 bei einem geringen Anstieg des Ratschendrehmomentes bei einer späteren Eingriffsstörung 62 gegenüber der vorherigen Eingriffsstörung 62 an einer gleichen Position von einem kleinen Schadensfall ausgehen könnte und lediglich eine Fehlermeldung ausgibt. Auf der anderen Seite, wenn das Ratschendrehmoment erheblich ansteigt, kann das System 300 in ein Notaus gesteuert werden, sodass keine weitere Schädigung innerhalb des Spannungswellengetriebes 10 entstehen kann.If the second query 407' is negative, it can be assumed that there is damage in the voltage wave transmission 10, so that an alternative fourth method step 409 is proceeded to. In this 409, an error message is displayed for the user. Furthermore, it is conceivable to install several stages, so that a system 300 could assume a small case of damage in the event of a small increase in the ratchet torque in the event of a later engagement fault 62 compared to the previous engagement fault 62 at the same position and only output an error message. On the other hand, if the ratchet torque increases significantly, the system 300 can be controlled into an emergency stop so that no further damage can occur within the tension shaft gear 10.

Bei einer positiven zweiten Abfrage 407 wird zum vierten Verfahrensschritt 408 fortgeschritten und wie bereits erläutert fortgefahren. Alternativ könnte in einer bevorzugten Ausführungsform trotz einer positiven zweiten Abfrage 407 eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn das Ratschendrehmoment erheblich geringer ist als das vorherige Ratschendrehmoment. Hierfür würde dann eine dritte Abfrage benötigt, welche den genauen Abfall bzw. Anstieg des Ratschendrehmomentes einordnen kann. Ein starker Abfall könnte auch auf einen Schadensfall bzw. auf einen erheblichen Verschleiß an den Zähnen des Spannungswellengetriebes 10 hinweisen. If the second query 407 is positive, the fourth method step 408 is advanced and continued as already explained. Alternatively, in a preferred embodiment, an error message could be issued despite a positive second query 407 if the ratchet torque is significantly lower than the previous ratchet torque. A third query would then be required for this, which can classify the exact decrease or increase in the ratchet torque. A sharp drop could also indicate damage or significant wear on the teeth of the tension shaft gear 10.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11
InnenverzahnungInternal gearing
22
AußenverzahnungExternal gearing
33
Bewegung eines Zahnes der AußenverzahnungMovement of a tooth in the external toothing
44
AusschnittDetail
1010
SpannungswellengetriebeTension wave gear
1111
AußenringOuter ring
1212
Übertragungsringtransmission ring
1313
WellengeneratorWave generator
1414
Wälzkörperrolling elements
1515
DrehmomentsensorTorque sensor
2020
ElektromotorElectric motor
2121
RotorwelleRotor shaft
3030
BremseinrichtungBraking device
3434
Bezugspunktreference point
36,37, 3836,37, 38
VerfomrungslinienDeformation lines
4040
ElektrikeinheitElectrical unit
4141
AuswerteeinheitEvaluation unit
5050
PositionssensorPosition sensor
6060
DrehmomentverlaufTorque curve
6161
RatschendrehmomentRatchet torque
6262
EingriffsstörungIntervention interference
62'62'
gedämpfte Schwingungdampened vibration
6363
Winkelversatz in Abhängigkeit eines übersprungenen ZahnesAngular offset depending on a skipped tooth
6464
Winkelversatz durch eine EingriffsstörungAngular misalignment due to an engagement fault
100100
AntriebsmodulDrive module
200200
Roboterrobot
201201
Armsegmentarm segment
300300
SensorsystemSensor system
301301
Filter und VerstärkerFilters and amplifiers
302302
Analog/Digital-WandlerAnalog/digital converter
303303
Mikroprozessormicroprocessor
304304
interne Speichereinheitinternal storage unit
400400
Verfahren zur Kompensation eines WinkelversatzesMethod for compensating an angular misalignment
401401
erster Verfahrensschrittfirst step of the process
402402
zweiter Verfahrensschrittsecond procedural step
403403
dritter Verfahrensschrittthird step of the process
404404
erste Abfragefirst query
405405
ositive erste Abfragepositive first query
405'405'
negative erste Abfragenegative first query
406406
zweite Abfragesecond query
407407
positive zweite Abfragepositive second query
407'407'
negative zweite Abfragenegative second query
408408
vierter Verfahrensschrittfourth step of the process
409409
alternativer vierter Verfahrensschrittalternative fourth process step

Claims (10)

Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung (62) eines Spannungswellengetriebes (10), das einen eingangsseitigen Wellengenerator (13), einen ausgangsseitigen, starren Außenring (11) mit einer Innenverzahnung (1) und einen elastisch verformbaren Übertragungsring (12) mit einer Außenverzahnung (2) umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung (1) des Außenrings (11) steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs (60) an dem verformbaren Übertragungsring (12), - Detektieren einer Eingriffsstörung (62) anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs (60), - Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung (62) übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments, - Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring (12) und dem Außenring (11), welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.Method for detecting and quantifying a meshing fault (62) of a voltage wave transmission (10), which has an input-side shaft generator (13), an output-side, rigid outer ring (11) with internal teeth (1) and an elastically deformable transmission ring (12) with external teeth ( 2), which is in engagement with the internal toothing (1) of the outer ring (11), the method comprising the following method steps: - Measuring a temporal torque curve (60) on the deformable transmission ring (12), - Detecting an engagement fault (62) based on the measured torque curve (60), - Determining a number of teeth skipped during the detected engagement fault (62) based on the measurement of the torque, - Calculating an angular offset between the transmission ring (12) and the outer ring (11), which corresponds to the determined number of teeth. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Drehmomentverlauf (60) mittels eines an dem verformbaren Übertragungsring (12) angeordneten Drehmomentsensors (15) erfolgt, der bevorzugt einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen aufweist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the torque curve (60) over time takes place by means of a torque sensor (15) arranged on the deformable transmission ring (12), which preferably has one or more strain gauges. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des zeitlichen Drehmomentverlaufs (60) das Messen einer Drehrichtung des Wellengenerators (13) und/oder eines Betrags des Drehmoments umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that measuring the temporal torque curve (60) comprises measuring a direction of rotation of the wave generator (13) and/or an amount of the torque. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Detektieren der Eingriffsstörung (62) in dem gemessenen Drehmomentverlauf (60) ein Ereignis einer gedämpften Schwingung (62') erkannt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an event of a damped oscillation (62') is recognized in the measured torque curve (60) in order to detect the engagement disturbance (62). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung (62) übersprungener Zähne eine Anzahl an aufeinanderfolgenden gedämpften Schwingungen (62') in dem gemessenen Drehmomentverlauf (60) ermittelt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that in order to determine the number of teeth skipped during the detected engagement disturbance (62), a number of successive damped oscillations (62 ') in the measured torque curve (60) is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz berechnet wird als Δ θ = ( 360 ° Δ z c Δ z s ) / i ,
Figure DE102022128423B3_0003
wobei Δzs die Anzahl übersprungener Zähne Δzc die Anzahl Zähne der Innenverzahnung (1) des Außenrings (11) und i das Übersetzungsverhältnis ist.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angular offset is calculated as Δ θ = ( 360 ° Δ e.g c Δ e.g s ) / i ,
Figure DE102022128423B3_0003
where Δzs is the number of skipped teeth, Δzc is the number of teeth of the internal toothing (1) of the outer ring (11) and i is the transmission ratio.
Verfahren zum Kompensieren einer Eingriffsstörung (62) eines Spannungswellengetriebes (10) in einem Antriebssystem, insbesondere eines Roboters (200), wobei das Spannungswellengetriebe (10) einen eingangsseitigen Wellengenerator (13), einen ausgangsseitigen, starren Außenring (11) mit einer Innenverzahnung (1) und einen elastisch verformbaren Übertragungsring (12) mit einer Außenverzahnung (2) umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung (1) des Außenrings (11) steht, wobei das Antriebssystem einen Drehgeber zur Messung der Drehstellung des Wellengenerators (13) des Spannungswellengetriebes (10) aufweist, wobei ein Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung (62) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird und der berechnete Winkelversatz an eine mit dem Drehgeber verbundene Auswerteeinheit (41) übermittelt wird, welche die Eingriffsstörung (62) anhand des berechneten Winkelversatzes kompensiert.Method for compensating for a meshing fault (62) of a tension shaft gear (10) in a drive system, in particular a robot (200), wherein the tension wave gear (10) has an input-side shaft generator (13), an output-side, rigid outer ring (11) with an internal toothing (1 ) and an elastically deformable transmission ring (12) with external teeth (2) which engage with the internal teeth (1) of the outer ring (11), the drive system comprising a rotary encoder for measuring the rotational position of the wave generator (13) of the voltage wave gear ( 10), wherein a method for detecting and quantifying an engagement fault (62) is carried out according to one of the preceding claims and the calculated angular offset is transmitted to an evaluation unit (41) connected to the rotary encoder, which detects the engagement fault (62) based on the calculated angular offset compensated. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Drehstellung des Wellengenerators (13) eine Drehstellung des Außenrings (11) ermittelt wird, an welcher die Eingriffsstörung (62) aufgetreten ist, wobei die Drehstellung zusammen mit dem ermittelten Drehmomentwert beim Auftreten der Eingriffsstörung (62), und optional zusammen mit der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung (62) übersprungener Zähne für einen späteren Vergleich gespeichert wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that a rotational position of the outer ring (11) at which the engagement fault (62) occurred is determined based on the rotational position of the shaft generator (13), the rotational position together with the determined torque value when the engagement fault (62) occurs, and optionally stored together with the number of teeth skipped during the detected engagement fault (62) for later comparison. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird, ob ein Drehmoment beim Auftreten der Eingriffsstörung (62) kleiner ist als ein gespeichertes Drehmoment an derselben Drehstellung des Außenrings (11) bei einer vormals detektierten Eingriffsstörung (62).Procedure according to Claim 8 , characterized in that it is checked whether a torque when the engagement fault (62) occurs is smaller than a stored torque at the same rotational position of the outer ring (11) in the event of a previously detected engagement fault (62). Antriebsmodul (100) mit einem Spannungswellengetriebe (10), das einen eingangsseitigen Wellengenerator (13), einen ausgangsseitigen, starren Außenring (11) mit einer Innenverzahnung (1) und einen elastisch verformbaren Übertragungsring (12) mit einer Außenverzahnung (2) umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung (1) des Außenrings (11) steht, wobei das Antriebsmodul (100) dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen: - Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring (12), - Detektieren einer Eingriffsstörung (62) anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs (60), - Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung (62) übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments und - Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring (12) und dem Außenring (11), welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.Drive module (100) with a voltage wave gear (10), which comprises an input-side wave generator (13), an output-side, rigid outer ring (11) with internal teeth (1) and an elastically deformable transmission ring (12) with external teeth (2), which is in engagement with the internal toothing (1) of the outer ring (11), the drive module (100) being configured to carry out the following method steps: - Measuring a torque curve over time on the deformable transmission ring (12), - Detecting an engagement fault (62) based on the measured torque curve (60), - Determining a number of teeth skipped during the detected engagement fault (62) based on the measurement of the torque and - Calculating an angular offset between the transmission ring (12) and the outer ring (11), which corresponds to the determined number of teeth.
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