-
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, mit mindestens einer Antriebseinheit, deren zu einer Abtriebsbewegung antreibbares Abtriebsteil über eine zwei zueinander parallele Koppelstäbe enthaltende Kopplungseinrichtung mit einem Endeffektor verbunden oder verbindbar sind, wobei die beiden jeweils gleich orientierten Endabschnitte der Koppelstäbe über je ein Kugelgelenk derart an einer Querstrebe gelagert sind, dass die vier Kugelgelenke in den Eckpunkten eines Parallelogramms liegen, und wobei die Kugelgelenke je eine am einen der zu lagernden Teile angeordnete Lagerpfanne und eine in entnehmbarer Weise in die Lagerpfanne eingreifende, am anderen der zu lagernden Teile angeordnete Lagerkugel enthalten und die Koppelstäbe durch Federmittel in ihrer Querrichtung zusammengespannt sind, um die Kugelgelenkkomponenten in gegenseitigem Eingriff zu halten.
-
Ein im Wesentlichen mit den vorgenannten Merkmalen ausgestattetes Antriebssystem ist aus der
EP 1 125 693 A1 bekannt und dort als parallelkinematisches System ausgebildet, bei dem an einem Endeffektor parallel mehrere Antriebseinheiten unter Vermittlung je eines Paares von zueinander parallelen Koppelstäben angreifen. Die Antriebseinheiten sind in diesem Fall als Linearantriebe ausgebildet. Die
US 4,976,582 zeigt ein parallelkinematisches Antriebssystem, bei dem als Antriebseinheiten auch Drehantriebe einsetzbar sind, wobei die Antriebskraft wiederum über mehrere Koppelstabpaare auf den Endeffektor übertragen werden. Um die erforderliche Beweglichkeit zu gewährleisten, sind die Koppelstäbe mit ihren Endabschnitten über Kugelgelenke an Querstreben gelagert, sodass ein Gelenkparallelogramm aufgespannt wird.
-
Die Koppelstäbe sind sehr empfindliche Bauteile. Gleichzeitig ist ihre exakte Maßhaltigkeit zwingende Voraussetzung für einen präzisen Betrieb des Antriebssystems. Aus Sicherheitsgründen werden daher die Kugelgelenke in der Regel so ausgelegt dass die Lagerkugel und die Lagerpfanne leicht voneinander trennbar sind, wobei zur Gewährleistung des für den Betrieb erforderlichen gegenseitigen Eingriffes Zugfedern zwischen den Koppelstäben gespannt sind, die die Koppelstäbe in Querrichtung zusammenspannen und dadurch gleichzeitig die Lagerkugeln in die Lagerpfannen drücken. Im Falle einer Überbelastung können die Zugfedern nachgeben und dadurch die Kugelgelenke aufgetrennt und die Koppelstäbe ausgeklinkt werden. Dies verhindert Beschädigungen an den Koppelstäben. Nachteilig ist allerdings, dass bei einem fortgesetzten Betrieb des Antriebssystems auf Grund der zum Teil nicht mehr korrekt sitzenden Koppelstäbe unkontrollierte Bewegungen der Systemkomponenten hervorgerufen werden können, die wiederum Ursache für Beschädigungen am Antriebssystem selbst oder an einem zu bearbeitenden Werkstück sein können.
-
Die
DE 10 2007 004 166 A1 und
EP 2 116 339 B1 offenbaren jeweils ein Antriebssystem der eingangs genannten Art, das mit Detektionsmitteln ausgestattet ist, um im Falle eines außer Eingriff Gelangens der Kugelgelenkkomponenten eines Kugelgelenkes ein elektrisches Warnsignal hervorzurufen. Das hierbei zur Anwendung kommende Detektionsprinzip beruht auf der Detektion des Vorhandenseins oder Nichtvorhandseins eines geschlossenen Stromkreises. Die Kugelgelenkkomponenten sind in einen Stromkreis integriert und arbeiten quasi nach Art eines Schalters zusammen. Gelangen die Kugelgelenkkomponenten außer Eingriff miteinander, ist der Stromkreis unterbrochen, so dass ein Warnsignal erzeugt wird.
-
Aus der
DE 101 34 259 A1 geht ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug hervor, das einen elektromechanischen Winkelsensor aufweist, der in der Lage ist, die relative Winkelstellung zwischen zwei ineinander eingreifenden Kugelgelenkkomponenten zu detektieren.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen zu treffen, durch die aus einer Trennung der Koppelstäbe von den Querstreben resultierende Beschädigungen vermieden werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale sowohl des Patenanspruches 1 als auch des Patentanspruches 9 gelöst.
-
Auf diese Weise wird ein elektrisches Warnsignal generiert, wenn ein oder mehrere Koppelstäbe auf Grund einer beliebigen Ursache von einer oder beiden zugeordneten Querstreben getrennt werden. Eine solche Ursache kann beispielsweise die Kollision des Endeffektors mit einem unzulässig im Arbeitsbereich des Antriebssystems platzierten Fremdkörper sein. Im Falle einer solchen Kollision tritt die Sicherheitsfunktion der die Koppelstäbe fixierenden Federmittel in Kraft, indem Letztere nachgeben und dadurch die betroffenen Koppelstäbe außer Eingriff mit den Querstreben gelangen. Die Detektionsmittel sprechen auf das Aufheben des gegenseitigen Eingriffes der zugeordneten Kugelgelenkkomponenten an und generieren darauf aufbauend ein elektrisches Warnsignal, auf dessen Grundlage es beispielsweise einer angeschlossenen elektronischen Steuereinrichtung möglich ist, den Betrieb des Antriebssystems umgehend zu unterbrechen und dadurch Folgeschäden zu verhindern. Das elektrische Warnsignal kann alternativ oder zusätzlich auch zur Generierung eines optischen und/oder akustischen Warnhinweises herangezogen werden.
-
Bei dem Antriebssystem gemäß Patentanspruch 1 erfolgt eine Detektion des außer gegenseitigen Eingriff Gelangens der Kugelgelenkkomponenten auf der Grundlage einer auftretenden Fluiddruckänderung.
-
Bei dem Antriebssystem gemäß Patentanspruch 9 erfolgt eine Detektion des außer gegenseitigen Eingriff Gelangens der Kugelgelenkkomponenten auf elektromagnetischer Grundlage.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
-
Auf eine Druckänderung ansprechende Detektionsmittel sind insbesondere so ausgebildet, dass sie auf einen Druckabfall in einem pneumatischen System ansprechen, das durch das Trennen der Kugelgelenkkomponenten geöffnet und mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt wird.
-
Besonders einfach und kompakt lässt sich dies dadurch realisieren, dass man die Lagerschale und die Lagerkugel so ausbildet, dass sie gemeinsam ein Absperrventil bilden, das in den Verlauf eines fluidischen Detektionskanals eingeschaltet ist. Im Betrieb des Antriebssystems ist der Detektionskanal mit einem Druckfluid beaufschlagt, insbesondere mit Druckluft, das bei Trennung der Kugelgelenkkomponenten entweichen kann. Vorhandene Erfassungsmittel sprechen auf die fluidischen Auswirkungen des Öffnens des Detektionskanals an und rufen das elektrische Warnsignal hervor. Bei den Erfassungsmitteln handelt es sich insbesondere um einen Drucksensor, der auf einen durch das Öffnen des Detektionskanals auftretenden Druckabfall anspricht.
-
Um ein Absperrventil zu realisieren, kann der Detektionskanal so ausgebildet sein, dass er an einer Stelle der Außenfläche der Lagerkugel ausmündet, die bei regulärer Funktion des Kugelgelenks unabhängig von der zwischen Koppelstab und Querstrebe eingenommenen Relativposition von der Innenfläche der Lagerpfanne überdeckt und abgesperrt ist. Eine umgekehrte Anordnung ist ebenfalls möglich, bei der sich die Kanalmündung an der Innenfläche der Lagerpfanne befindet und von der Außenfläche der Lagerkugel abgedeckt wird. Bei einer Trennung der Komponenten hebt die verschließende Fläche von der Kanalmündung ab und verbindet dadurch den Detektionskanal mit der Atmosphäre.
-
Es ist ohne weiteres möglich, mehrere Kugelgelenke an ein und denselben Detektionskanal anzuschließen. Die hierzu erforderliche fluidische Vernetzung lässt sich beispielsweise sehr einfach dadurch realisieren, dass entgegengesetzten Endbereichen eines Koppelstabes zugeordnete Kugelgelenke über einen oder mehrere Detektionskanäle verbunden sind, die im Innern einer Koppelstange verlaufen. Die Koppelstange kann hierzu beispielsweise als Rohrkörper ausgeführt sein.
-
Bei elektromagnetischer Detektion enthalten die Detektionsmittel zweckmäßigerweise mindestens ein permanentmagnetisches Aktivierungselement, das an einem der aneinander zu lagernden Teile angeordnet ist, sowie mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensor am anderen der zu lagernden Teile. Der Sensor arbeitet mit einer Auswerteeinrichtung zusammen, die ein elektrisches Warnsignal erzeugt, wenn sich die Relativlage zwischen dem Aktivierungselement und dem Sensor gegenüber vorgegebenen Sollwerten verändert. Die Sollwerte sind solche Werte, die bei Veränderung der Relativposition zwischen einem Koppelstab und einer Querstrebe auftreten können, wenn die Kugelgelenklagerung korrekt ist. Fallen die ermittelten Ist-Werte aus diesem Rahmen, der mit einem gewissen Toleranzfenster ausgestattet sein kann, wird ein elektrisches Warnsignal erzeugt.
-
Für eine derartige Auswertung ist es von Vorteil, wenn der Sensor ein dreidimensional ansprechender Hall-Sensor ist.
-
Die Detektionsmittel können ausgebildet sein, um nur eines oder einige der Kugelgelenke zu überwachen. Dies kann ausreichend sein, da bei einem Verlust des Zusammenhaltes der beiden Koppelstäbe in der Regel beide Koppelstäbe von den Querstreben abfallen. Zu Gunsten einer optimalen Sicherheit ist es jedoch vorteilhaft, wenn sämtliche Kugelgelenke der Kopplungseinrichtung in die Überwachung durch die Detektionsmittel einbezogen sind.
-
Bei dem Antriebssystem handelt es sich vorzugsweise um ein parallelkinematisches System, das mehrere über je eine eigene Kopplungseinrichtung auf den Endeffektor einwirkende Antriebseinheiten aufweist. In diesem Fall sind alle vorhandenen Kopplungseinrichtungen in die Überwachung durch die Detektionsmittel einbezogen, und zwar jeweils hinsichtlich mindestens eines und vorzugsweise hinsichtlich sämtlicher Kugelgelenke.
-
Die die Koppelstäbe zusammenhaltenden Federmittel umfassen zweckmäßigerweise zwei Zugfedereinrichtungen, von denen sich je eine zwischen den in die gleiche Richtung orientierten Endabschnitten der nebeneinander angeordneten Koppelstäbe erstrecken.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
-
1 eine Seitenansicht eines bevorzugten Aufbaues des erfindungsgemäßen Antriebssystems
-
2 den in 1 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt II in einer vergrößerten Darstellung,
-
3 den Ausschnitt II bei einer alternativen Ausführungsform und
-
4 den Ausschnitt II bei einer weiteren alternativen Ausführungsform.
-
Das beispielhaft gezeigte Antriebssystem 1 enthält an seiner Oberseite einen bevorzugt plattenförmigen oder rahmenförmigen Grundträger 2, über den es an einer geeigneten Tragstruktur festlegbar ist, beispielsweise an einem Maschinengestell.
-
An dem Grundträger 2 sind, mit Abstand nebeneinander, mehrere elektrisch und/oder mit Fluidkraft betätigbare Antriebseinheiten 3 angeordnet. Bei den Antriebseinheiten 3 handelt es sich exemplarisch um Linearantriebe, wenngleich auch eine Ausstattung mit Drehantrieben möglich wäre.
-
Die Antriebseinheiten 3 enthalten jeweils einen eine Längserstreckung aufweisenden Stator 4, an dem ein Abtriebsteil 5 in seiner Längsrichtung bewegbar geführt angeordnet ist. Die Abtriebsbewegungen der Abtriebsteile 5 sind bei 7 durch Doppelpfeile angedeutet.
-
Die Statoren 4 sind mit ihren in 1 oben liegenden Endabschnitten an drei in den Eckpunkten eines Dreieckes liegenden Lagerstellen 8 des Grundträgers 2 befestigt. Die Ebene des aus den Lagerstellen 8 aufgespannten Dreieckes erstreckt sich rechtwinkelig zur Zeichenebene der 1.
-
Ausgehend von den Lagerstellen 8 ragen die Statoren 4 in die gleiche Richtung, vorliegend nach unten, wobei sie einen schrägen Verlauf haben und mit ihren nach unten weisenden End abschnitten über einen Lagerkopf 12 fest miteinander verbunden sind. Die drei Statoren 4 bilden somit ein Dreibein und zusammen mit dem Grundträger 2 eine starre Grundstruktur.
-
Die Statoren 4 sind zweckmäßigerweise als Gehäuse ausgebildet. Sie enthalten ein zu einer Linearbewegung antreibbares Antriebsteil, das mit dem zugeordneten Abtriebsteil 5 bewegungsgekoppelt ist. Letztes ist beim Ausführungsbeispiel als längs des Stators 4 verschiebbarer Schlittenkörper realisiert.
-
Eine elektronische Steuereinrichtung 13 kann die Antriebseinheiten 3 in anwendungsspezifisch aufeinander abgestimmter Weise individuell ansteuern und betätigen. Folglich führen die Abtriebsteile 5 den Steuerbefehlen entsprechende Linearbewegungen aus und können in gewünschten Positionen auch gestoppt werden.
-
Anstelle der beschriebenen Dreizahl von Antriebseinheiten 3 könnte das Antriebssystem 1 auch eine geringere oder größere Anzahl von Antriebseinheiten 3 umfassen. Bei mehr als einer Antriebseinheit 3 sind die vorhandenen Antriebseinheiten 3 zweckmäßigerweise, wie auch beim Ausführungsbeispiel, zu einem parallelkinematischen System zusammengefasst, bei dem ihre Abtriebsteile 5 in parallelgeschalteter Wirkungsweise auf einen gemeinsam zugeordneten Endeffektor 14 einwirken, der in 1 strichpunktiert angedeutet ist.
-
Der Endeffektor 14 ist beispielsweise ein Greifer oder ein anderes Werkzeug, das durch Ansteuerung der Antriebseinheiten 3 verlagert und positioniert werden soll.
-
Der Endeffektor 14 ist, insbesondere lösbar, an einer Halterung 15 befestigt, die mit jedem Abtriebsteil 5 über eine eigene, individuelle Kopplungseinrichtung 16 antriebsmäßig gekoppelt ist. Die Abtriebsbewegungen 7 der Abtriebsteile 5 werden auf diese Weise auf die Halterung 15 übertragen, sodass der Endeffektor 14 eine von der Art der Betätigung der Abtriebsteile 5 abhängige Arbeitsbewegung ausführt. Eine gleichzeitige und gleichsinnige Betätigung der Abtriebsteile 5 bewirkt eine vertikale Hubbewegung 17. Voneinander abweichende Bewegungsprofile der Abtriebsteile 5 resultieren in einer Querbewegung 18 der Halterung 15 quer zu der vertikalen Hubbewegung 17. Durch entsprechende Ansteuerungen können diese Bewegungen auch überlagert sein.
-
Die den einzelnen Antriebseinheiten 3 zugeordneten Kopplungseinrichtungen 16 sind in ihrem grundsätzlichen Aufbau identisch, sodass sich die weitere Beschreibung auf eine dieser Kopplungsvorrichtungen 16 beschränken kann.
-
Die Kopplungseinrichtung 16 enthält zwei mit Abstand längsseits nebeneinander angeordnete Koppelstäbe 22 mit linearer Erstreckung, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die beiden in die gleiche Richtung orientierten Endabschnitte 22a bzw. 22b der Koppelstäbe 22 sind über jeweils ein Kugelgelenk 23 an einer Querstrebe 24 verschwenkbar gelagert, von denen die eine Bestandteil der Halterung 15 oder unmittelbar des Endeffektors 14 ist und die andere ein Bestandteil des zugeordneten Abtriebsteils 5 ist.
-
Die vier Kugelgelenke 23 sind in den Eckpunkten eines Parallelogramms angeordnet. Die konkrete momentane Form dieses Parallelogramms hängt von der zwischen den einzelnen Abtriebsteilen 5 und ihren zugeordneten Statoren 4 eingenommenen Relativposition ab und ist dementsprechend variabel. Die Kugelgelenke 23 gewährleisten eine allseitige relative Schwenkbeweglichkeit zwischen den Koppelstäben 22 und den Querstreben 24 zur Variation der Parallelogrammstruktur.
-
Wie aus 2 bis 4 näher ersichtlich ist, enthalten die vier Kugelgelenke jeweils eine am zugeordneten Endabschnitt 22a, 22b jedes Koppelstabes 22 angeordnete Lagerpfanne 25 mit einer Innenoberfläche 27, die entsprechend der Außenfläche einer Kugelkappe geformt ist. Die kugelförmig gekrümmte Innenoberfläche erstreckt sich hierbei maximal über diejenige einer Halbkugel hinweg.
-
Jedes Kugelgelenk 23 enthält desweiteren eine an der zugeordneten Lagerstrebe 24 angeordnete Lagerkugel 26. Sie taucht in die zugehörige Lagerpfanne 25 ein, wobei die oben erwähnte Ausgestaltung der Öffnung der Lagerpfanne 25 gewährleistet, dass die Lagerkugel 26 in leicht entnehmbarer Weise in die Lagerpfanne 25 eingreifen kann. Lagerpfanne 25 und Lagerkugel 26 – im Folgenden auch als Kugelgelenkkomponenten bezeichnet – können mit einem einfachen Steckvorgang ineinander eingeführt oder durch eine entgegengesetzte Linearbewegung auch leicht wieder außer gegenseitigen Eingriff gebracht werden.
-
Abweichend vom Ausführungsbeispiel wäre auch eine vertauschte Anordnung der Kugelgelenkkomponenten 25, 26 möglich, sodass sich die Lagerpfanne 25 an der Querstrebe 24 und die Lagerkugel 26 am Koppelstab 22 befindet. Die weiteren Ausführungen gelten sinngemäß auch für eine solche Bauweise.
-
Die an den in die gleiche Richtung orientierten Endabschnitten 22a bzw. 22b der Koppelstäbe angeordneten Kugelgelenkkomponenten – hier die Lagerpfannen 25 – sind einander zugewandt. Die mit ihnen kooperierenden Kugelgelenkkomponenten – hier die Lagerkugeln 26 – stehen also ausgehend von dem zwischen den Koppelstäben 22 angeordneten Zwischenbereich mit den Kugelgelenkkomponenten 25 der Koppelstäbe 22 in Eingriff. Um die einzelnen Kugelgelenke 23 zusammenzuhalten, genügt es daher, Federmittel 32 vorzusehen, die gleichzeitig an den beiden Koppelstäben 22 angreifen und diese aufeinander zu gerichtet federnd beaufschlagen. Mit anderen Worten sind die Koppelstäbe 22 durch die Federmittel 32 in ihrer Querrichtung zusammengespannt, um die Kugelgelenkkomponenten 25, 26 in gegenseitigem Eingriff zu halten.
-
Exemplarisch enthalten die Federmittel 32 pro Kopplungseinrichtung 16 zwei Zugfedereinrichtungen 33, von denen die eine im Bereich der einen Endabschnitte 22a und die andere im Bereich der anderen Endabschnitte 22b angeordnet ist, also relativ nahe bei den Kugelgelenken 23. Eine abweichende Plazierung wäre jedoch ebenfalls möglich. Denkbar wäre beispielsweise auch eine zentrale Anordnung der Federmittel 30 im Bereich der Längsmitte der Koppelstäbe 22.
-
Durch die Federmittel 32 werden die Koppelstäbe 22 mit den Querstreben 24 verspannt und dadurch die Kugelgelenkkomponenten 25, 26 in ihrem gegenseitigen Eingriff fixiert. Auf diese Weise ist die Gelenkfunktion zuverlässig gewährleistet. Gleichzeitig ist aber auf Grund der Nachgiebigkeit der Federmittel 32 den Koppelstäben 22 die Möglichkeit verliehen, unter Auftrennung der Kugelgelenke außer Eingriff mit den Querstreben 24 zu gelangen, falls auf Grund technischer Probleme eine Überlastung der Komponenten der Kopplungseinrichtungen 16 auftreten sollte. Eine solche Überlastung kann beispielsweise daraus resultieren, dass der Endeffektor 14 mit einem Körper kollidiert, der sich unbeabsichtigt in seiner Bewegungsbahn befindet. Im Extremfall können beide Koppelstäbe 22 der betroffenen Kopplungseinrichtung 16 unter vorübergehender Ausdehnung der Federmittel 32 ausklinken und von den zugeordneten Querstreben 24 herabfallen. Damit im Falle einer solchen Betriebsstörung Schäden vermieden werden können, ist das Antriebssystem 1 mit Detektionsmitteln 34 ausgestattet, die ein elektrisches Warnsignal hervorrufen, wenn die Kugelgelenkkomponenten 25, 26 wenigstens eines Kugelgelenkes 23 außer gegenseitigen Eingriff gelangen.
-
Die Detektionsmittel 34 können so ausgelegt sein, dass ein elektrisches Warnsignal erst ausgegeben wird, nachdem die Trennung der Kugelgelenkkomponenten 25, 26 eine vorbestimmte Zeitdauer angehalten hat. Auf diese Weise kann die Ausgabe eines elektrischen Warnsignales in solchen Fällen vermieden werden, in denen die Kugelgelenkkomponenten 25, 26 nur kurzzeitig um ein geringes Maß außer Eingriff gelangt sind, was beispielsweise auf Grund momentan zu hoher Trägheitskräfte auftreten kann. Allerdings kann ein elektrisches Warnsignal auch schon bei einer solchen Beanspruchung ausgegeben werden. Ebenfalls möglich ist eine mehrstufige Signalausgabe dahingehend, dass bei einer nur kurzzeitigen Störung ein anderes Warnsignal ausgegeben wird, als bei einer länger andauernden Störung. Dementsprechend können in Abhängigkeit von der Art des ausgegebenen Warnsignals unterschiedliche Konsequenzen gezogen werden, beispielsweise zunächst nur eine optische oder akustische Warnung bei kurzzeitiger Störung und ein vollständiger Systemstop erst bei einer Störungsdauer, die eine vorgegebene Referenzzeitdauer überschreitet.
-
In allen Fällen kann das elektrische Warnsignal in einer elektronischen Steuereinrichtung 13 – beispielsweise diejenige Steuereinrichtung, die auch die Antriebseinheiten 3 ansteuert – verarbeitet werden, damit automatisch die vom Störungsfall abhängigen Konsequenzen veranlaßt werden.
-
Es ist zweckmäßig, wenn sämtliche Kugelgelenke 23 einer jeweiligen Kopplungseinrichtung 16 in die Überwachung durch die Detektionsmittel 34 einbezogen sind. Prinzipiell kannte allerdings die Überwachung auf eine geringere Anzahl von Kugelgelenken 23 beschränkt werden, weil bei einem gravierenden Störfall in vielen Fällen sämtliche Kugelgelenke 23 gleichermaßen betroffen sein werden. Zweckmäßig ist es allerdings, pro Querstrebe 24 mindestens ein Kugelgelenk 23 zu überwachen.
-
Bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 sind die Detektionsmittel 34 derart ausgebildet, dass sie die Trennung zweier Kugelgelenkkomponenten 25, 26 anhand einer auftretenden Druckänderung eines Fluides erfassen. Bei den Ausführungsbeispielen besteht die detektierte Druckänderung in einem Druckabfall eines pneumatischen Systems, das bis zur Trennung der Kugelgelenkkomponenten 25, 26 zur Atmosphäre hin abgeschlossen ist und auf Grund der Trennung dieser Kugelgelenkkomponenten 25, 26 mit der Atmosphäre in Verbindung tritt.
-
Eine besonders vorteilhafte Bauform sieht vor, dass die Lagerpfanne 25 und Lagerkugel 26 des zu überwachenden Kugelgelenks 23 ein Absperrventil bilden, das in den Verlauf eines fluidischen Detektionskanals 35 eingeschaltet ist, der während des Betriebes des Antriebssystems 1, oder auch nur während eines gezielt gestarteten Überwachungsvorganges, aus einer Druckquelle P mit unter atmosphärischem Überdruck stehendem Druckmedium beaufschlagt ist. Bei diesem Druckmedium handelt es sich insbesondere um Druckluft.
-
Wie aus 2 hervorgeht, kann der Detektionskanal 35 in der Querstrebe 24 ausgebildet sein, wobei ein an der Querstrebe 24 angeordnetes, mit dem Detektionskanal 35 verbundenes Anschlussmittel 36 das insbesondere lösbare Anschließen einer Fluidleitung 37 gestattet, die – insbesondere unter Zwischenschaltung einer elektrisch aktivierbaren Ventileinrichtung 38 – an die Druckquelle P angeschlossen ist. Der Detektionskanal 35 erstreckt sich bis hin zu den Lagerkugeln 26, die er quer durchsetzt, um mit einer Kanalmündung 42 zur Außenoberfläche 28 der Lagerkugel 26 auszumünden. Die Kanalmündung 42 ist hierbei so angeordnet, dass sie während regulärer Relativpositionen zwischen Koppelstab 22 und Querstrebe 24 durch die Innenoberfläche 27 der mit ihr zusammenwirkenden Lagepfanne 25 überdeckt und damit abgesperrt ist. Wenn die Innenoberfläche 27 und Außenoberfläche 28 exakt aufeinander abgestimmt sind, kann auch ohne zusätzliche Abdichtmaßnahmen eine zuverlässige Abdichtung des abgesperrten Zustandes gewährleistet werden. Allerdings können bei Bedarf auch geeignete Abdichtmittel vorgesehen sein, beispielsweise eine Beschichtung mit einem dichtend wirkenden Material. Darüber hinaus kann aber unter Umständen auch eine gewisse Leckage tolerierbar sein.
-
Wie in 3 illustriert ist, kann die Funktionalität von Lagerpfanne 25 und Lagerkugel 26 in ihrer Eigenschaft als Komponenten eines Absperrventils auch vertauscht sein. Gemäß 3 erstreckt sich je ein Detektionskanal 35 in jedem Koppelstab 22 und steht mit einem an diesem Koppelstab 22 angeordneten eigenen Anschlussmittel 36 in Fluidverbindung. An diese Anschlussmittel 36 kann je eine Fluidleitung 37 angeschlossen werden, die – insbesondere über einen gemeinsamen Leitungsstrang – unter Zwischenschaltung der schon erwähnten Ventileinrichtung 38 mit der Druckquelle P verbindbar sind.
-
Der Detektionskanal 35 mündet gemäß 3 über eine Kanalmündung 42 an der Innenoberfläche 27 der Lagerpfanne 25 aus, wobei die Kanalmündung 42 so plaziert ist, dass sie bei im regulären Betrieb auftretenden Relativposition zwischen einem Koppelstab 22 und der zugeordneten Querstrebe 24 von der Außenoberfläche 28 der zugeordneten Lagerkugel 26 dicht verschlossen ist. Hinsichtlich möglicher Abdichtungsmaßnahmen gilt das zu 2 Ausgesagte.
-
Während des ungestörten Betriebes des Antriebssystems 1 herrscht innerhalb des Detektionskanals 35 ein vorbestimmter atmosphärischer Überdruck, im Folgenden als Überwachungsdruck bezeichnet. Geht man davon aus, dass auch im normalen Betrieb über die Kanalmündung 42 eine gewisse minimale Leckage zur Atmosphäre auftritt, liegt der Überwachungsdruck als Staudruck vor.
-
Sobald auf Grund einer Störung die zugeordneten Kugelgelenkkomponenten 25, 26 außer Eingriff gelangen, wird die Kanalmündung 42 von der ihr gegenüberliegenden Fläche der anderen Kugelgelenkkomponente nicht mehr verschlossen und es kann Druckmedium aus dem Detektionskanal 35 zur Atmosphäre auftreten. Dies führt zu einem Druckabfall im Detektionskanal 35, der durch an den Detektionskanal 35 angeschlossene Erfassungsmittel 43 registrierbar ist. Auf der Basis dieses Druckabfalles wird das schon erwähnte elektrische Warnsignal generiert, entweder unmittelbar durch die Erfassungsmittel 43 selbst oder in einer elektronischen Steuereinrichtung 13, an die die Erfassungsmittel 43 angeschlossen sind.
-
Beim Ausführungsbeispiel sind die Erfassungsmittel 43 von einem Drucksensor gebildet. Allerdings können auch andere, auf die fluidischen Auswirkungen des Öffnens des Detektionskanals 34 ansprechende Erfassungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise ein Durchflusssensor, der den dann erhöhten Durchfluss durch den Detektionskanal 35 erfaßt.
-
Die Erfassungsmittel 43 können an den Detektionskanal 35 unmittelbar oder mittelbar angeschlossen sein. In den in 2 und 3 angedeuteten Schaltungen sind sie an die Fluidleitung 37 angeschlossen.
-
Gemäß 2 können mehrere Kugelgelenke 23 an ein und denselben Detektionskanal angeschlossen sein. Hier durchzieht der Detektionskanal 35 die Querstrebe 24 in Längsrichtung und führt zu beiden, dieser Querstrebe 24 zugeordneten Kugelgelenken 23.
-
Es ist darüber hinaus alternativ oder zusätzlich möglich, an ein und denselben Detektionskanal 35 ein oder mehrere Kugelgelenke 23 beider Querstreben 24 der Koppelungseinrichtung 16 anzuschließen. In diesem Fall kann mindestens ein in 3 strichpunktiert angedeuteter Detektionskanal 35 im Innern einer Koppelstange 22 axial zwischen den beiden Endabschnitten 22a, 22b dieser Koppelstange verlaufen.
-
Es ist zweckmäßig, wenn die verschiedenen Kopplungseinrichtungen 16 durch jeweils eigene Detektionsmittel gesondert überwacht werden. Eine gemeinsame Überwachung ist jedoch ebenfalls möglich, indem man einen einzigen Detektionskanal 35 vorsieht, der über geeignete Kanalführungen, beispielsweise unter Verwendung von Fluidschläuchen, an alle Kugelgelenke 23 angeschlossen ist. Zugunsten eines optimalen Ansprechverhaltens ist es allerdings von Vorteil, wenn der Detektionskanal möglichst kurz ausgebildet ist, sodass man in der Regel auf mehrere Detektionskanäle 35 zurückgreifen wird, die mit jeweils eigenen Erfassungsmitteln 43 kooperieren.
-
Anhand der 4 ist gezeigt, dass die Detektionsmittel 34 auch derart ausgebildet sein können, dass sie die Trennung der Kugelgelenkkomponenten 25, 26 eines Kugelgelenks 23 auf elektromagnetischer Basis detektieren.
-
Gemäß 4 enthalten die Detektionsmittel 34 pro zu überwachendem Kugelgelenk 23 ein an dem diesem Kugelgelenk 23 zugeordneten Endabschnitt 22a des Koppelstabes 22 angeordnetes permanentmagnetisches Aktivierungselement 44. Außerdem ist pro zu überwachendem Kugelgelenk 23 an der zugeordneten Querstrebe 24 ein magnetfeldempfindlicher Sensor 45 angeordnet. Der Sensor 45 ist durch das Zusammenwirken mit dem Aktivierungselement 44 in der Lage, die Relativposition zwischen Querstrebe 24 und Koppelstab 22 zu überwachen und überträgt die ermittelten Werte an eine elektronische Auswerteeinrichtung 46.
-
Die Auswerteeinrichtung 46 enthält eine Speichereinrichtung 47, in der ein Kennfeld für die zulässigen Relativpositionen zwischen dem Sensor 45 und dem Aktivierungselement 44 abgespeichert sind. Diese zulässigen Relativpositionen fungieren als Soll-Werte, die in einer Vergleichereinrichtung 48 der Auswerteeinrichtung 46 mit den vom Sensor 45 aktuell ermittelten Relativpositionsdaten verglichen werden. Kommt es zu Abweichungen von den zugelassenen Soll-Werten, generiert die Auswerteeinrichtung 46 ein elektrisches Warnsignal, das über eine elektromechanische Schnittstelle 52 oder auch drahtlos an die elektronische Steuereinrichtung 13 ausgegeben wird.
-
Vorzugsweise sitzt die Auswerteeinrichtung 46 unmittelbar an derjenigen Komponente der Kopplungseinrichtung 16, an der auch der Sensor 45 angeordnet ist. Ein oder mehrere Sensoren 45 können in diesem Zusammenhang mit der Auswerteeinrichtung 46 zu einer eigenständigen Auswerteeinheit 53 zusammengefasst sein, die an die Querstrebe 24 angebaut ist.
-
Die Anbringungsorte von Aktivierungselement 44 und Sensor 45 können selbstverständlich auch vertauscht sein, sodass der Sensor 45 an einem Koppelstab 22 und das Aktivierungselement 44 an einer Querstrebe 24 sitzt.
-
Optimale Auswerteergebnisse verspricht eine Ausgestaltung des Sensors in Form eines dreidimensional ansprechenden Hall-Sensors. Dieser ist in der Lage, die Relativpositionen in mehreren Dimensionen zu ermitteln, insbesondere durch Bestimmung von zwei Winkeln zwischen Koppelstab 22 und Querstrebe 24 sowie einem Abstand zwischen Sensor 45 und Aktivierungselement 44. Der eine Drehwinkel hat insbesondere die die beiden Kugelgelenke 23 ein und derselben Querstrebe 24 verbindende Längsachse zum Zentrum, der andere Drehwinkel die Längsachse des zugeordneten Koppelstabes 22.
-
Im Normalbetrieb sind die beiden Werte für die Rotation und der Wert für den Abstand, die der 3D-Hall-Sensor laufend ermittelt, in einem erlaubten Bereich. Bei einem Ausklinken der Koppelstäbe 22 vergrößert sich der Abstand beträchtlich. Auch kommt es zu Winkelwerten, die außerhalb des erlaubten Bereiches liegen. Somit kann über den 3D-Hall-Sensor zwischen einer ordnungsgemäßen Position der Koppelstäbe 22 und einem Fehlerfall unterschieden werden.
