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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Spreizbandmechanik mit einer verbesserten
Führung
des Spreizbandes. Spreizbandmechaniken werden als Maschinenelement
in der Antriebstechnik genutzt.
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Eine
Spreizbandmechanik ermöglicht
eine Übertragung
von Zug- und Druckkräften
sowie Biegemomenten in begrenztem Umfang durch profilierte Metallbänder. Dabei
wird die Steifigkeitseigenschaft eines quer zur Wickelrichtung gewölbten Metallbandes
ausgenutzt, sodass damit im Unterschied zu den bekannten Zugmittelgetrieben
mit Metallbändern
sowohl Zug- als auch Druckkräfte
in Längsrichtung
des Bandes übertragen
werden können.
Um diese Kräfte auf
die Antriebsrollen zu übertragen,
wird die Eigenschaft der Breitenänderung
eines gewölbten
Bandes benutzt, das im aufgewickelten Zustand seine gesamte Breite
einnimmt, während
es im ausgewickelten und dann im Querschnitt gewölbten Zustand schmaler ist.
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Diese Änderung
in der Breite wird dazu verwendet, das Band zwischen die Seitenscheiben
(Borde) der Antriebsrolle zu klemmen, womit eine kraft- und gegebenenfalls
formschlüssige
Verbindung hergestellt wird.
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In
seiner Grundstruktur besteht ein Spreizbandmodul aus einer Rolle
und einem Band und verfügt
bei einer rotatorisch gelagerten, angetriebenen Rolle über zwei
Bewegungsfreiheiten in einer Ebene. Kräfte können über diese Grundstruktur lediglich
in Längsrichtung
des Bandes, Momente ausschließlich senkrecht
zur Längsrichtung
des Bandes und zur Achsrichtung der Rolle übertragen werden. Durch die Kombination
mehrerer Spreizbandmodule, die als Gelenk-Glied-Kombination Antriebs-
und Führungsglied
vereinigen, zu Parallelkinematiken können sehr kompakte Roboter
aufgebaut werden. Diese zeichnen sich durch ein sehr gutes Verhältnis von
Arbeitsraum zu Bauraum sowie einen vergleichsweise einfachen mechanischen
Aufbau aus.
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Nachteilig
an Spreizbandmechaniken ist die hohe Belastung, der das Metallband
während
des Überganges
vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand ausgesetzt
ist. Dies ist insbesondere durch die notwendige Einklemmung des Spreizbandes
zwischen die beiden Seitenscheiben der Antriebsrolle gegeben.
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Es
sind Spreizbandmechaniken bekannt, bei denen die Seitenscheiben
der Antriebsrolle in Umfangsrichtung eine Profilierung aufweisen
und gezielt vorgespannt sind. Hierdurch sollen die Belastungen des
Spreizbandes reduziert werden und die Kraftübertragung effizienter und
genauer ermöglicht
werden. Jedoch sind auch bei dieser Lösung die Belastungen des Spreizbandes
sehr hoch. Das Verschleißverhalten
einer solchen Lösung
ist bislang nicht bekannt. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht darin,
dass eine sehr genaue Fertigung der Seitenflächen des Spreizbandes erforderlich
ist, um eine verbesserte Kraftübertragung
zu ermöglichen.
Eine erhöhte
Positioniergenauigkeit kann nur durch aufwändige Regelungstechnik erzielt
werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte
Spreizbandmechanik zur Verfügung
zu stellen, bei welcher die Beanspruchung des Spreizbandes insbesondere
beim Übergang
vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand deutlich
gesenkt ist und gleichzeitig eine effizientere und genauere Kraftübertragung
ermöglicht
ist. Die verbesserte Spreizbandmechanik soll sich durch eine hohe
Zuverlässigkeit,
eine hohe Langlebigkeit und einen gesenkten Fertigungs- und Wartungsaufwand
auszeichnen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Spreizbandmechanik gemäß dem beigefügten Anspruch
1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik umfasst
zunächst
ein Spreizband, welches von einem gestreckten Zustand reversibel
in einen Wickelzustand überführt werden
kann. Im gestreckten Zustand weist das Spreizband ein Profil im
Querschnitt auf. Hierdurch ist das Spreizband zur Aufnahme von Biegemomenten
geeignet. Ist ein Teil des Spreizbandes jedoch in den Wickelzustand überführt worden, so
hat dieser Teil des Spreizbandes sein Profil im Wesentlichen verloren.
Dieser Teil des Spreizbandes ist daher im Querschnitt flach ausgebildet.
Diese Überführung kann
fortlaufend erfolgen, sodass das Spreizband bezogen auf seine Längsrichtung
stetig in den Wickelzustand überführt werden
kann. Diese Überführung ist
reversibel, sodass das Spreizband jederzeit wieder zurück in den
gestreckten Zustand überführbar ist,
in welchem es wieder das Querschnittsprofil aufweist. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik
weist weiterhin eine an sich bekannte Aufwickelrolle zum Aufrollen
und Abrollen des Spreizbandes auf. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes,
welcher sich zwischen der Aufwickelrolle und dem gestreckten Teil
des Spreizbandes befindet, erfährt
ein Biegemoment, durch welches das Spreizband an dieser Position
von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt wird.
Hierdurch verliert es sein Profil und wird im Querschnitt flach. Das
flache Spreizband ist nun elastisch genug, um auf der Aufwickelrolle
aufgerollt zu werden.
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Diese Überführung erfolgt
in umgekehrter Richtung, wenn das Spreizband von der Aufwickelrolle
abgerollt wird. Auf der Aufwickelrolle können große Längen des Spreizbandes auf einem
kleinen Raum vorgehalten werden. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik
weist schließlich
mindestens einen Gleitschuh zur Zwangsführung des Spreizbandes auf,
welcher zumindest abschnittsweise umfänglich um das auf der Aufwickelrolle
aufgewickelte Spreizband angeordnet ist.
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Durch
die Verwendung von Gleitschuhen werden definierte Auf- und Abwickelabläufe ermöglicht.
Beim Abwickelvorgang wird das Spreizband durch die Gleitschuhführung am „Durchrutschen" gehindert und somit
die Bewegung in Schubrichtung ermöglicht. Beim Aufwickelvorgang
dient der Gleitschuh lediglich als Führungselement, da es dort keine
Probleme mit der Kraftübertragung
gibt. Durch die Gleitschuhführung
kommt es zu einer geringeren Belastung des Spreizbandes und damit
auch zu einem geringerem Verschleiß, was sich nicht zu letzt
in deutlich gesenkten Wartungskosten widerspiegelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik
weist diese mehrere Gleitschuhe auf. Die Gleitschuhe umschließen das
auf der Aufwickelrolle aufgerollte Spreizband umfänglich in
mehreren Abschnitten, insgesamt aber in einem Winkelbereich von
mehr als 180°,
wobei jedoch mindestens eine Einfädelöffnung freigehalten bleibt.
Durch die Gleitschuhe ist die Führung
des Spreizbandes im gesamten Bereich der Aufwickelrolle festgelegt.
Das Spreizband ist durch die Einfädelöffnung durchgeführt und
kann auf die Aufwickelrolle aufgewickelt und von der Aufwickelrolle
abgewickelt werden. Die Gleitschuhe sind im Wesentlichen kreisförmig angeordnet,
da sie die Aufwickelrolle umfänglich
umschließen.
Die Verwendung mehrerer Gleitschuhe anstatt eines einzelnen Gleitschuhs
kann sich aus fertigungstechnischen Gründen als günstiger erweisen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind
in die dem aufgewickelten Spreizband zugewandten Gleitflächen der
Gleitschuhe Nuten eingebracht, die quer bzw. längs zur Umfangsrichtung verlaufen.
Durch diese Ausführung
kann die zwischen Gleitschuh und Spreizband auftretende Gleitreibung reduziert
werden. Die verminderte Reibung führt zu einem geringeren Verschleiß und somit
auch zu einer erhöhten
Zuverlässigkeit
und einer Langlebigkeit der Spreizbandführung. Eine Reduzierung der
Reibung ist insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des Spreizbandes
wichtig, da es dann meist zu erhöhten Kräften zwischen
dem Spreizband und seiner Führung
kommt. Erhöhte
Reibungskräfte
könnten
zu einer Überhitzung
des Spreizbandes und einem daraus resultierenden Verschleiß führen.
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Im
Zusammenhang mit der Reibungsminimierung hat es sich weiterhin als
zweckmäßig erwiesen,
wenn die Gleitschuhe auf ihrer dem aufgewickelten Spreizband zugewandten
Oberfläche
eine reibungsarme Beschichtung aufweisen. Auf diese Weise kann die
Gleitreibung zwischen Gleitschuh und Spreizband weiter reduziert
werden. Es soll keine Einschränkung
auf die genannte Möglichkeiten
zur Reduzierung der Gleitreibung erfolgen. Eine Anwendung anderer
Methoden zur Reibungsminimierung ist durchaus denkbar und soll nicht
ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn
bei der Verwendung mehrere Gleitschuhe diese wahlweise in Kontakt
mit der Oberfläche
des Spreizbandes gebracht werden können. Je nach Auf- bzw. Abwickelgeschwindigkeit
und ggf. in Abhängigkeit
vom aktuellen Durchmesser der mit Spreizband gefüllten Aufwickelrolle können mehrere
oder ggf. nur ein einziger der Gleitschuhe in Kontakt mit dem Spreizband
gebracht werden, um die resultierenden Reibungswerte an die Betriebssituation
anzupassen.
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Die
Gleitschuhe werden vorzugsweise kraftbelastet auf das auf der Aufwickelrolle
aufgewickelte Spreizband gedrängt.
Folglich können
sich die Gleitschuhe hinsichtlich ihres Abstandes von der Aufwickelrolle
der Menge des auf der Aufwickelrolle aufgerollten Spreizbandes anpassen.
Die Gleitschuhe können
beispielsweise durch Federn oder Aktuatoren auf das auf der Aufwickelrolle
aufgerollte Spreizband gedrängt
werden. Befindet sich eine größere Menge Spreizband
auf der Aufwickelrolle, so ist der Radius einer durch das aufgewickelte
Spreizband gebildeten Spreizbandrolle deutlich größer als
der Radius der Aufwickelrolle. Befindet sich hingegen nur wenig Spreizband
auf der Aufwickelrolle, so ist der Radius der Spreizbandrolle kaum
größer als
der Radius der Aufwickelrolle. Die Anordnung der Gleitschuhe ist
an den sich ständig ändernden
Radius der durch das aufgewickelte Spreizband gebildeten Spreizbandrolle
angepasst. Bei dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik
ist gewährleistet,
dass das Spreizband im Bereich zwischen den Gleitschuhen und dem
bereits aufgewickelten Spreizband definiert geführt wird. Ansonsten könnte es
in diesem Bereich zu einer unkontrollierten Überführung vom gestreckten Zustand
in den Wickelzustand kommen, wodurch das Spreizband unnötig beansprucht
würde.
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Die
Aufwickelrolle ist bevorzugt antreibbar. Das antreibende Drehmoment
der Aufwickelrolle wird beim Abwickeln des Spreizbandes aufgrund
der Führung
durch die Gleitschuhe verlustarm und präzise als Schubkraft auf den
gestreckten Teil des Spreizbandes übertragen. Die Aufwickelrolle
kann aber auch gebremst oder freilaufend betrieben werden.
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Das
Profil des Spreizbandes ist bevorzugt durch eine einfache Wölbung des
Spreizbandes gebildet. Diese Profilform eines Spreizbandes hat sich bislang
als die für
die meisten Anwendungen geeignetste Form erwiesen. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik
ist aber grundsätzlich
auch für andere
Profile des Spreizbandes geeignet. Beispielsweise sind auch wellenförmige oder
dreieckförmige Profile
verwendbar. Das Spreizband kann auch ein Profil im Längsschnitt
aufweisen, beispielsweise in Form von Löchern oder Zacken.
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Das
Spreizband besteht vorzugsweise aus einem elastischen Metall oder
einem elastischen Kunststoff. Aufgrund der Elastizität des Spreizbandes
kann dieses reversibel von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt werden.
Das Spreizband ist aufgrund innerer Kräfte bestrebt, das Profil einzunehmen
und so den gestreckten Zustand anzunehmen. Wirkt ein Biegemoment
auf das Spreizband, so kann das Spreizband aufgrund des Querprofils
dem Biegemoment zunächst
widerstehen. Ist das Biegemoment jedoch größer als ein Überführungsbiegemoment,
so knickt das Spreizband schlagartig an der Einwirkungsstelle des
Biegemomentes ein und verliert dort sein Profil. Die profillosen
Abschnitte des Spreizbandes lassen sich jedoch mit geringeren Biegemomenten
verformen, sodass das Spreizband aufgewickelt werden kann. Wird
das auf das Spreizband wirkende Biegemoment kleiner als ein Rückführungsbiegemoment,
nimmt das Spreizband wieder sein Profil an und schnellt in den gestreckten
Zustand.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Spreizbandmechanik ist das Spreizband im Wickelzustand breiter
als im gestreckten Zustand. Durch den Verlust des Profils im Wickelzustand
ist das Spreizband flach und dadurch breiter. Diese Eigenschaft
kann beispielsweise für
eine zusätzliche
Führung
in der Aufwickelrolle ausgenutzt werden.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;
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2 eine
Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;
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3 eine
Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden
Kräfte;
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4 eine
Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwickeln wirkenden
Kräfte.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik.
Die Spreizbandmechanik umfasst ein Spreizband 01, welches
beispielsweise als Aktuator zur Positionierung dienen kann. Über das
Spreizband 01 sind Zug- und Druckkräfte, aber auch Biegemomente
in einem begrenzten Umfang übertragbar.
An seinem proximalen Ende ist das Spreizband 01 auf einer
Aufwickelrolle 02 aufgewickelt. Am distalen Ende kann beispielsweise
ein Werkzeug angebracht sein, welches durch das Spreizband positioniert
werden soll.
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Das
Spreizband 01 ist in zwei Zuständen gezeigt. Derjenige Abschnitt
des Spreizbandes 01, der auf der Aufwickelrolle 02 aufgewickelt
ist, befindet sich in einem Wickelzustand. Der andere gezeigte Abschnitt
des Spreizbandes 01 befindet sich in einem gestreckten
Zustand. Das Spreizband 01 ist im gestreckten Zustand im
Wesentlichen geradlinig ausgestreckt und weist ein gewölbtes Profil
im Querschnitt auf.
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Im
Wickelzustand ist das Spreizband 01 im Querschnitt flach
und damit geringfügig
breiter als im gestreckten Zustand. Es weist eine Wölbung gegebenenfalls
nur noch ansatzweise auf. Das im Wickelzustand befindliche Spreizband 01 verändert bei
auftretenden Biegemomenten seine Form in Längsrichtung, sodass es auf
die Aufwickelrolle 02 aufgewickelt werden kann. Der Übergang
vom gestreckten Zustand in den Wickelzustand bzw. umgekehrt erfolgt
während
des Auf- bzw. Abwickelns fortlaufend in Längsrichtung des Spreizbandes 01.
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Wie
insbesondere auch 2 zu entnehmen ist, sind auf
dem Umfang einer durch das aufgerollte Spreizband 01 gebildeten
Spreizbandrolle 03 zwei Gleitschuhe 04 angeordnet.
Es könnten
jedoch auch mehr als zwei Gleitschuhe bzw. lediglich ein Gleitschuh
verwendet werden. Die Spreizbandrolle 03 ist nahezu über ihren
gesamten Umfang durch die Gleitschuhe 04 eingefasst. Die
Spreizbandrolle 03 ist jedoch nicht in einem Bereich einer
Einfädelöffnung 06 durch
die Gleitschuhe 04 eingefasst. Die Einfädelöffnung 06 dient der
Durchführung
des Spreizbandes 01, sodass dieses auf die Aufwickelrolle 02 aufgewickelt
bzw. abgewickelt werden kann. Jeder der beiden Gleitschuhe 04 ist
in einem Drehpunkt 08 drehbar gelagert, sodass die Gleitschuhe 04 in
Richtung der Aufwickelrolle 02 geschwenkt werden können. Weiterhin
wirkt auf jeden der beiden Gleitschuhe 04 jeweils eine
Feder 09, ein, welche die Gleitschuhe 04 in Richtung
der Aufwickelrolle 02 drängt. Hierdurch ist gewährleistet,
dass auch dann ein großer
Anteil der Gleitschuhe 04 mit der Oberfläche der
Spreizbandrolle 03 in Kontakt steht, wenn die Spreizbandrolle 03 weitgehend
abgewickelt ist und folglich einen verkleinerten Radius aufweist.
Die Feder 09 ist bevorzugt als Druckfeder ausgeführt.
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Wird
das Spreizband 01 in Richtung der Aufwickelrolle 02 bewegt,
so wird es in die durch die Gleitschuhe 04 gebildete kreisförmige Bahn
geschoben, sodass ein Biegemoment auf den Übergangsbereich zwischen dem
gestreckten Abschnitt und dem Abschnitt im Wickelzustand wirkt.
Durch das Biegemoment wird das Spreizband 01 fortlaufend
in den Wickelzustand überführt, wodurch
das Biegemoment gleichzeitig abgebaut wird. Diese Überführung erfolgt
stetig und fortlaufend. Durch die kreisförmige Führung wickelt sich das Spreizband 01 auf
die Aufwickelrolle 02 auf, unabhängig davon, ob die Aufwickelrolle 02 angetrieben
wird und dadurch eine Zugkraft auf das Spreizband 01 ausübt, oder
ob die Aufwickelrolle 02 freilaufend ist.
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3 zeigt
eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln
wirkenden Kräfte.
Diese Prinzipdarstellung ist auf die in den 1 und 2 gezeigte
Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der Übersicht lichkeit auf die Darstellung
einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt
ein Drehmoment M1, sodass das Spreizband 01 in
eine Richtung 11 bewegt wird (Aufwickeln). Das Drehmoment
M1 wirkt entgegen einer Zugkraft FZ auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle 03 ausgehend
wirken radial nach außen
Einzelkräfte
FRx, die aus dem Bestreben des Spreizbands
zur Einnahme des im Querschnitt gewölbten Zustands resultieren.
Dem entgegen müssen
von den Gleitschuhen 04 aus Einzelkräfte FPx auf die
Oberfläche
der Spreizbandrolle 03 einwirken, um das Spreizband an
der Einnahme des gewölbten
Zustands zu hindern. Die Einzelkräfte FPx ergeben
in ihrer Summe eine Kraft FP, welche einer
Normalkraft FN entspricht. Die Reibung des
Gleitschuhs 04 gegenüber
dem Spreizband 01 weist einen Reibungskoeffizienten μ auf. Die
Spreizbandrolle 03 weist einen Radius r auf. Folglich gilt: M1 = Fz·r + (μ·FN),wobei der erste Summand dem Antriebsmoment
entspricht und der zweite Summand dem Reibmoment der Gleitschuhe 04 entspricht.
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4 zeigt
eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwickeln
wirkenden Kräfte.
Diese Prinzipdarstellung ist wiederum auf die in den 1 und 2 gezeigte
Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung
einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt
jetzt ein Drehmoment M1 mit gegenüber der
Darstellung in 3 entgegen gesetztem Richtungssinn,
sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 12 bewegt
wird (Abwickeln). Das Drehmoment M1 wirkt
entgegen einer Schubkraft FS auf das Spreizband 01.
Von der Spreizbandrolle 03 wirken Einzelkräfte FRy auf die Gleitschuhe 04. Von den
Gleitschuhen 04 wirken Einzelkräfte FDx auf
die Oberfläche
der Spreizbandrolle 03. Die Reibung der Gleitschuhe 04 gegenüber dem Spreizband 01 weist
einen Reibungskoeffizienten μ auf.
Die Spreizbandrolle 03 weist einen Radius r auf. Folglich
gilt: M1 = FS·r + [(μ·FN) + (μ·FRy)].
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- 01
- Spreizband
- 02
- Aufwickelrolle
- 03
- Spreizbandrolle
- 04
- Gleitschuh
- 05
-
- 06
- Einfädelöffnung
- 07
-
- 08
- Drehpunkt
- 09
- Feder
- 10
-
- 11
- Richtung
des Zugbandes beim Aufwickeln
- 12
- Richtung
des Zugbandes beim Abwickeln