DE102012006564B3

DE102012006564B3 - Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012006564B3
Application number: DE201210006564
Authority: DE
Inventors: Johannes Volzer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2032-03-31

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung (1) vorgeschlagen, die über eine Antriebseinheit (2) verfügt, die zwei zueinander beabstandete Kopfstücke (3, 4) und eine sich zwischen den Kopfstücken erstreckende, zumindest partiell axial elastisch verformbar ausgebildete Seitenwand (7) aufweist. Die Seitenwand (7) umgrenzt eine Antriebskammer (5), die gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbar ist, um eine relative Antriebsbewegung (12) zwischen den beiden Kopfstücken (3, 4) hervorzurufen. Zur Erfassung der Relativposition der beiden Kopfstücke (3, 4) befinden sich in der Antriebskammer (5) zwei relativ zueinander bewegliche Sensormittel (25, 26) einer Positionserfassungseinrichtung (22), die über biegeflexible Eigenschaften verfügen und die durch Abstützmittel (28) an der Seitenwand (7) abgestützt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, mit mindestens einer Antriebseinheit, die zwei in Achsrichtung einer Hauptachse beabstandet zueinander angeordnet Kopfstücke und eine sich zwischen den beiden Kopfstücken erstreckende, gemeinsam mit den Kopfstücken eine gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbare Antriebskammer begrenzende Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwand zur Ermöglichung einer im Rahmen einer relativen Antriebsbewegung erfolgenden Veränderung des zwischen den beide Kopfstücken vorhandenen Abstandes und/oder Neigungswinkels zumindest partiell axial elastisch verformbar ausgebildet ist, und mit einer Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung mindestens einer zwischen den beiden Kopfstücken eingenommenen Relativposition, die ein ortsfest an dem einen Kopfstück angeordnetes erstes Sensormittel und ein ortsfest an dem anderen Kopfstück angeordnetes zweites Sensormittel aufweist, wobei die relative Antriebsbewegung zwischen den beiden Kopfstücken eine zur Erfassung deren Relativposition nutzbare relative Messbewegung zwischen den beiden Sensormitteln zur Folge hat, wobei die beiden Sensormittel im Innern der Antriebskammer angeordnet sind und über biegeflexible Eigenschaften verfügen.
Gemäß EP 2 335 884 A1 ist eine Antriebsvorrichtung Bestandteil eines fluidisch betreibbaren Manipulators, wobei mehrere Antriebseinheiten in Reihe geschaltet sind und die Segmente einer rüsselähnlichen Manipulatorstruktur bilden. Jede Antriebseinheit enthält zwei stirnseitige Kopfstücke, die gemeinsam mit einer sie verbindenden, nach Art eines Faltenbalges strukturierten Seitenwand eine Antriebskammer begrenzen, die gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbar ist, um eine relative Antriebsbewegung zwischen den beiden Kopfstücken hervorzurufen, im Rahmen derer die Kopfstücke ihren Abstand und auch ihren Neigungswinkel relativ zueinander verändern können. Die sich in der Längsrichtung der Antriebseinheit erstreckende Hauptachse kann dabei einen mehr oder weniger stark gekrümmten Verlauf einnehmen. Eine Positionserfassungseinrichtung liefert die für die fluidische Ansteuerung erforderlichen Positionsinformationen und enthält zwei Sensormittel, die mit jeweils einem der Kopfstücke bewegungsgekoppelt sind und die derart miteinander kooperieren, dass anhand einer zwischen ihnen stattfindenden relativen Messbewegung Rückschlüsse auf die momentane Relativposition zwischen den beiden Kopfstücken möglich sind und in einer elektronischen Steuereinrichtung verarbeitet werden können. Die beiden Sensormittel sind außerhalb der Antriebskammer angeordnet und enthalten einen an dem einen Kopfstück angeordneten Wegmesssensor und einen mit dem Wegmesssensor kooperierenden Seilzug, der sich entlang der Seitenwand bis hin zu dem anderen Kopfstück erstreckt. Zwar können diese Sensormittel relativ genaue Daten liefern. Ihre exponierte Lage an der Außenseite der Seitenwand macht sie jedoch anfällig für externe Störeinflüsse.
Aus der DE 103 37 599 A1 ist eine als Kontraktionseinheit mit Positionserfassungseinrichtung ausgebildete Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die im Innern einer Antriebskammer angeordnete Sensormittel aufweist, die über biegeflexible Eigenschaften verfügen und in relativ zueinander verschiebbarer Weise ineinander eingreifen, sodass sie sich gegenseitig abstützen.
Aus der EP 2 161 460 A1 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, bei der in einem starren Gehäuse ein mittels einer Membran aufgehängter Kolben linear verstellbar gelagert ist, dessen bezüglich dem Gehäuse eingenommene Relativposition durch einen am Gehäuse fixierten Sensor erfasst wird, der von einem Magnet betätigt wird, der an einem in einem Kopfstück des Gehäuses linear verschiebbar gelagerten Betätigungsstößel angeordnet ist. Der Betätigungsstößel ist durch eine Kopplungseinrichtung mit dem Kolben bewegungsgekoppelt, wobei die Kopplungseinrichtung mehrere Kugelgelenke aufweist, um zwischen dem Kolben und dem Betätigungsstößel auftretende Winkeländerungen kompensieren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, bei der sich die Relativposition zwischen den Kopfstücken einer Antriebseinheit selbst bei nicht linearen Bewegungen sehr präzise und mit geringer Störungsanfälligkeit ermitteln lässt.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, dass die beiden Sensormittel bezüglich der Seitenwand zur Beibehaltung eines diesbezüglich unabhängig von der Relativposition der Kopfstücke konstanten Abstandes durch Abstützmittel radial abgestützt sind, die mehrere in der Achsrichtung der Hauptachse mit Abstand zueinander angeordnete Abstützstellen definieren, an denen die Sensormittel lokal radial abgestützt und zugleich verschiebbar geführt sind und deren in Achsrichtung der Hauptachse gemessener Abstand in Abhängigkeit von der axialen Verformung der Seitenwand veränderlich ist.
Die Unterbringung der Sensormittel im Innern der Antriebskammer bewirkt eine zuverlässige Abschirmung zur Umgebung hin, ohne auf zusätzliche Abschirmmittel zurückgreifen zu müssen. Die Kopfstücke und die Seitenwand definieren nicht nur die Antriebskammer, sondern nehmen auch die beiden Sensormittel vor Umgebungseinflüssen geschützt auf. Dadurch, dass die beiden Sensormittel über biegeflexible Eigenschaften verfügen, können sie die Relativposition zwischen den beiden Kopfstücken nicht nur bei einer linearen, sondern auch bei einer nicht linearen Antriebsbewegung der Kopfstücke präzise erfassen. Wenn während des Betriebes der Antriebseinheit die Hauptachse eine Krümmung erfährt, sind auch die Sensormittel aufgrund ihrer Biebeflexibilität in der Lage, einen entsprechenden Kurvenverlauf einzunehmen. Unterstützt werden die Sensormittel dabei durch die im Innern der Antriebskammer angeordneten Abstützmittel, die zwischen den Sensormitteln und der Seitenwand wirksam sind und dafür sorgen, dass der radiale Abstand zwischen den Sensormitteln und der Seitenwand auch im Falle einer Krümmung der Seitenwand konstant bleibt und dadurch ein präzises Positionssignal mit hoher Wiederholgenauigkeit zur Verfügung gestellt wird. Dadurch, dass die Abstützmittel nicht mit den Kopfstücken, sondern mit der Seitenwand kooperieren, stellt sich bei den Sensormitteln, was ihre Krümmung anbelangt, der gleiche Verformungszustand wie bei der Balgwand ein, so dass exakte Messungen möglich sind. Beide Sensormittel sind so gestaltet, dass sie flexibel kurvenförmig gebogen werden können, ohne eine Plastifizierung zu erfahren und ohne Schaden zu nehmen. Die auftretenden Biegespannungen bleiben stets auf einem dauerfesten Niveau.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die beiden Sensormittel sind an den Abstützmitteln zweckmäßigerweise unabhängig voneinander verschiebbar geführt, so dass sie eine von der Abstützung unbeeinflusste relative Messbewegung ausführen können. Die durch die Abstützmittel bewirkte radiale Abstützung beeinträchtigt somit die zur Positionserfassung gewünschte Relativbewegung zwischen den beiden Sensormitteln nicht, obgleich die Seitenwand zumindest bereichsweise eine axiale Verformung erfährt. Die verschiebbare Lagerung der Sensormittel an dem Abstützmittel bewirkt eine bewegungsmäßige Entkopplung in der Längsrichtung der Antriebseinheit, und zwar unabhängig davon, welche Relativposition in der Achsrichtung der Hauptachse momentan zwischen den Sensormitteln und den Abstützmitteln vorliegt.
Besonders zweckmäßig ist eine dahingehende Ausgestaltung, dass jedes der beiden Sensormittel stabförmig ausgebildet ist und sich im Innern der Antriebskammer erstreckt. Jedes stabförmige Sensormittel ist an einem der beiden Kopfstücke ortsfest fixiert und erstreckt sich ausgehend von diesem Kopfstück in der Antriebskammer in Richtung zum anderen Kopfstück, wobei sich beide stabförmigen Sensormittel in Achsrichtung der Hauptachse überlappen. Der Grad der axialen Überlappung hängt von der axialen Relativposition zwischen den beiden Kopfstücken ab. Daraus generiert die Positionserfassungseinrichtung die notwendigen Messwerte.
Die Abstützmittel enthalten zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von einzelnen Abstützeinheiten, die in der Achsrichtung der Hauptachse mit Abstand zueinander in der Antriebskammer angeordnet sind. Sämtliche Abstützeinheiten sind unabhängig voneinander innen an der zumindest partiell axial verformbar ausgebildeten Seitenwand befestigt, wobei sie insbesondere einstückig mit der Seitenwand ausgebildet sind. Jedes Sensormittel ist zweckmäßigerweise an jeder Abstützeinheit unter bezüglich der Hauptachse radialer Abstützung insbesondere linear verschiebbar geführt.
Vorzugsweise enthält jede Abstützeinheit mindestens eine ausgehend von der Seitenwand radial nach innen ragende Abstützstrebe, die an ihrem der Seitenwand entgegengesetzten Endbereich ein Führungsauge trägt, an dem die Sensormittel unter bezüglich der Hauptachse radialer Abstützung insbesondere linear verschiebbar geführt sind. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn jedes Führungsauge über mehrere Abstützstreben an der Seitenwand fixiert ist. Die Abstützstreben werden möglichst schmal ausgeführt, so dass zwischen ihnen ein großer Freiraum verbleibt, der den Hindurchtritt des insbesondere von Druckluft gebildeten Antriebsfluides gestattet.
Querschnittsmäßig große Zwischenräume zwischen benachbarten Abstützstreben haben ferner den Vorteil, dass die Antriebskammer erforderlichenfalls problemlos auch von innen her gereinigt werden kann.
Den beiden Sensormitteln steht pro Führungsauge zweckmäßigerweise eine eigene Führungskontur zur Verfügung, die zweckmäßigerweise als Gleitführungskontur ausgebildet ist. Damit die beiden Sensormittel möglichst nahe beieinanderliegen können, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die beiden Führungskonturen derart seitlich offen zu gestalten, dass sie ineinander übergehen, wobei eine Ausgestaltung möglich ist, die sogar eine gleitende Berührung der sich nebeneinander erstreckenden Sensormittel gestattet. Die Führungskonturen sind insbesondere so ausgebildet, dass jedes Sensormittel vom zugeordneten Führungsauge ringsum umschlossen ist.
Mindestens eines und vorzugsweise jedes der beiden stabförmigen Sensormittel verfügt zweckmäßigerweise über ein für die angestrebte Biegeflexibilität verantwortliches federelastisches Stabelement. Dieses Stabelement besteht beispielsweise aus Federstahl, aus einem anderen federelastischen Metall oder auch aus einem federelastischen Kunststoffmaterial, das zur Gewährleistung der gewünschten Stabilität auch faserverstärkt ausgeführt sein kann.
Es ist zweckmäßig, wenn bei mindestens einem und zweckmäßigerweise bei jedem Sensormittel das gegebenenfalls vorhandene federelastische Stabelement einen strangförmigen Kern des betreffenden Sensormittels bildet, der von einem Kunststoffmaterial umhüllt ist, das dem Sensormittel eine hohe Gleitfähigkeit verleiht. Das Stabelement kann beispielsweise von Kunststoffmaterial umspritzt oder in eine ausgehärtete Vergußmasse eingebettet sein.
Die Positionserfassungseinrichtung ist vorzugsweise zur inkrementellen Messung der Relativposition der beiden Kopfstücke ausgebildet.
Bevorzugt ist die Positionserfassungseinrichtung derart ausgebildet, dass eines der Sensormittel eine Erfassungseinheit aufweist und das andere Sensormittel eine durch die Erfassungseinheit erfassbare, sich in der Längsrichtung des Sensormittels erstreckende, auch als Messstrecke bezeichenbare Maßverkörperung enthält. Werden die beiden Sensormittel unter Ausführung ihrer Messbewegung relativ zueinander bewegt, liefert die Erfassungseinheit ein Ausgangssignal, das geeignet ist, den verfahrenen Weg zwischen der Erfassungseinheit und der Maßverkörperung zu verfolgen bzw. zu ermitteln. Das Ausgangssignal der Erfassungseinheit lässt sich zweckmäßigerweise außen an der Antriebseinheit abgreifen, indem integrierte elektrische Leiter des entsprechenden Sensormittels an dem das Sensormittel tragenden Kopfstück herausgeführt sind. Diese elektrischen Leiter können Bestandteil eines Kabels sein. Mittels einer geeigneten Schnittstelle kann dann bequem die Verbindung zu einer elektronischen Steuereinrichtung hergestellt werden.
Für das Funktionsprinzip der miteinander kooperierenden Sensormittel kommen unterschiedliche Varianten in Frage. Besonders zweckmäßig ist eine magnetische Kopplung zwischen der Maßverkörperung und der Erfassungseinheit. Die Maßverkörperung enthält in diesem Fall bevorzugt eine Vielzahl von in ihrer Längsrichtung aufeinanderfolgenden, wechselpolig magnetisierten Detektionszonen, die beim Vorbeibewegen an der Erfassungseinheit entsprechende Messimpulse hervorrufen, anhand derer sich die aktuelle Relativposition der Kopfstücke bestimmen lässt. Die Maßverkörperung kann hier beispielsweise aus einem entsprechend kodierten Metall bestehen, wobei sich unmittelbar das federelastische Stabelement nutzen lässt, mit dem das betreffende Sensormittel ausgestattet ist. Eine weitere Bauform sieht vor, das federelastische Stabelement mit einem entsprechend kodierbaren Kunststoffmaterial zu umhüllen, insbesondere mit einem hartmagnetisch gefüllten Elastomermaterial. Der so gebildete Hüllkörper liefert eine sehr präzise Maßverkörperung, wobei wichtig ist, dass zwischen dem Hüllkörper und dem federelastischen Stabelement eine hochfeste stoffschlüssige Verbindung vorliegt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass der Hüllkörper aus einem um einen metallischen Kern herumvulkanisierten Elastomermaterial besteht.
Selbstverständlich können auch andere Koppelprinzipien zwischen den beiden Sensormitteln zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann auf ein induktives oder sogar auf ein optisches Messprinzip zurückgegriffen werden. Da im Innern der Antriebskammer Verschmutzung so gut wie ausgeschlossen sind, kann eine Maßverkörperung für optische Positionserfassung verwendet werden, die über Hell-Dunkel-Übergänge verfügt.
Wenn die Positionserfassungseinrichtung als Wegmesssystem konzipiert ist, kann nicht nur ein inkrementelles, sondern auch ein absolutes Messsystem zur Anwendung gelangen. Bei einem absoluten Messsystem erspart man sich die bei inkrementellen Systemen in der Regel notwendigen Referenzfahrten.
Die Antriebseinheit ist vorzugsweise als Balgantrieb ausgebildet, wobei ihre Seitenwand zumindest in ihren axial elastisch verformbaren Bereichen aus einem entsprechend elastisch verformbaren Balgkörper besteht. Vorzugsweise ist die Seitenwand des Balgantriebes über ihre gesamte Länge hinweg von einem axial elastisch verformbaren Balgkörper gebildet, so dass Druckänderungen im Innern der Antriebskammer Abstandsänderungen zwischen den beiden Kopfstücken und mithin Längenänderungen der Seitenwand zur Folge haben. Entsprechend den externen Gegebenheiten können Abstandsänderungen der Kopfstücke ohne weiteres zur Folge haben, dass der Balgkörper einen gekrümmten Längsverlauf einnimmt und somit die Hauptachse über einen Kurvenverlauf verfügt. Die Hauptachse kann beispielsweise einfach gekrümmt sein oder auch über einen oder mehrere Krümmungs-Wendepunkte verfügen. In all diesen Fällen ist eine präzise Positionserfassung gewährleistet, weil die Sensormittel aufgrund ihrer radialen Abstützung den jeweiligen Kurvenverlauf abbilden. Die Relativbewegung zwischen den Sensormitteln lässt somit unmittelbar Rückschlüsse auf die Relativbewegung zwischen den beiden Kopfstücken zu.
Der Balgkörper ist bevorzugt so ausgebildet, dass er in Bezüglich der Hauptachse radialer Richtung eine so hohe Steifigkeit aufweist, dass er bei den im Normalbetrieb auftretenden Innendrücken der Antriebskammer keine relevante radiale Verformung erfährt und im Wesentlichen nur axial verformt wird. Dies lässt sich am besten dadurch realisieren, dass als Balgkörper ein Faltenbalgkörper verwendet wird, der über eine Vielzahl von Achsrichtung der Hauptachse aneinandergereihten Faltenabschnitten besteht, so dass sich beispielsweise, im Querschnitt gesehen, eine mäanderförmige Wandstruktur einstellt. In der Achsrichtung der Hauptachse wechseln sich wulstartig nach innen ragende innere Faltenabschnitte mit wulstartig nach außen ragenden äußeren Faltenabschnitten ab, wobei eine axiale Verformung der Seitenwand zur Folge hat, dass die Faltenstrukturen aufgeweitet bzw. auseinandergespreizt werden.
Die Abstützeinheiten sind zweckmäßigerweise an den wulstartig radial nach innen ragenden inneren Faltenabschnitten des Balgkörpers befestigt, so dass die Abstützeinheiten das axiale aneinander Anlegen benachbarter Faltenabschnitte nicht behindern. Wenn die Kopfabschnitte aufgrund einer axialen Verformung der Seitenwand ihren Abstand zueinander verändern, verändern auch die inneren Faltenabschnitte ihren Abstand zueinander und mithin auch die an diesen inneren Faltenabschnitten angeordneten Abstützeinheiten und zugeordneten Führungsaugen. Da die Abstützeinheiten jedoch untereinander entkoppelt sind, beeinträchtigt dies nicht die Führung der Sensormittel.
Als optimal wird angesehen, wenn jeder auch als Balginnenwulst bezeichenbare innere Faltenabschnitt eine Abstützeinheit aufweist, so dass die Anzahl der Abstützeinheiten der Anzahl der inneren Faltenabschnitte entspricht. Dadurch ergibt sich eine optimal enge Verteilung der Abstützstellen bezüglich der Sensormittel in der Achsrichtung der Hauptachse, was ein bestmögliches Krümmungsverhalten der Sensormittel im Falle eines einem Kurvenverlauf folgenden Balgkörpers gewährleistet.
Die beiden stabförmig ausgebildeten Sensormittel verfügen zweckmäßigerweise über jeweils ein freies Ende in demjenigen Bereich, der dem sie tragenden Kopfkörper entgegengesetzt ist. Beide stabförmigen Sensormittel sind an diesen freien Endbereichen zweckmäßigerweise angeschrägt oder angefast, so dass sie beim Ausführen ihrer Messbewegung problemlos in die Führungskonturen der Führungsaugen einfädeln können. Auch die Führungsaugen sind zweckmäßigerweise mit Einführschrägen versehen, die ein sanftes Fangen und Zentrieren der beiden stabförmigen Sensormittel ermöglichen. In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Kopfstücke ergibt sich ein Eintauchen der Sensormittel in die Führungsaugen oder ein Herausfahren der Sensormittel aus den Führungsaugen. Zwar ändert sich dabei der gegenseitige Abstand der Führungsaugen in der Achsrichtung der Hauptachse, was jedoch die Abstützung und Führung der Sensormittel insgesamt nicht beeinträchtigt.
Es ist von Vorteil, wenn die beiden Sensormittel querschnittsmittig in der Antriebskammer angeordnet sind. Auf diese Weise findet praktisch eine Wegmessung in der neutralen Faser der Antriebseinheit statt. Eine andere Unterbringung in der Antriebskammer ist allerdings ebenfalls möglich. Im Übrigen besteht auch die Möglichkeit, die Positionserfassungseinrichtung in ein und derselben Antriebskammer mit mehreren funktionellen parallel geschalteten Sensorsystemen auszustatten, die jeweils über zwei miteinander kooperierende erste und zweite Sensormittel verfügen.
Die oben erwähnte Erfassungseinheit des einen Sensormittels befindet sich bei stabförmiger Ausgestaltung des Sensormittels zweckmäßigerweise im Bereich dessen freien Endes. Allerdings sollte die Erfassungseinheit so platziert sein, dass unabhängig von der zwischen den Sensormitteln eingenommenen axialen Relativposition der radiale Abstand zu dem die zugeordnete Maßverkörperung aufweisenden Sensormittel zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Das freie Ende jedes Sensormittels wird bei bestimmten Relativpositionen der Kopfstücke zwischen zwei bevorzugt vorhandenen Führungsaugen angeordnet sein und kann dann bei einem gekrümmten Längsverlauf der Antriebseinheit eine von der Krümmung der Hauptachse abweichende Ausrichtung haben. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die Erfassungseinheit mit einem derartigen Mindestabstand vom freien Ende des zugeordneten Sensormittels zu platzieren, dass sie stets zwischen zwei Längenabschnitten des zugeordneten Sensormittels liegt, die jeweils von einer Abstützeinheit abgestützt sind. Entsprechendes gilt zweckmäßigerweise für den Endbereich der Maßverkörperung. Beide Sensormittel werden hier also vorzugsweise mit derartiger Überlänge ausgeführt, dass nie ein ungeführter Endbereich abgetastet wird.
Eine alternative Möglichkeit zur Gewährleistung eines stets konstanten Querabstandes zwischen den beiden Sensormitteln im Bereich einer Erfassungseinheit besteht darin, einen magnetischen Zusammenhalt vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist diese Maßnahme dann realisierbar, wenn zur Positionserfassung von Hause aus auf Permanentmagnete oder auf magnetische Werkstoffe zurückgegriffen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Längsschnitt der Antriebseinheit dieser Antriebsvorrichtung,
2 in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt der Antriebseinheit aus 1 entsprechend des in 1 strichpunktiert umrahmten Ausschnittes II,
3 einen Teilquerschnitt der Antriebseinheit aus 1 gemäß Schnittlinie III-III aus 1,
4 in perspektivischer Darstellung einen Teilbereich der Antriebseinheit aus 1 mit Blickrichtung gemäß Pfeil IV, wobei im Wesentlichen eine Mehrzahl von Abstützeinheiten sowie Ausschnitte der beiden Sensormittel ersichtlich sind,
5 die gleiche Anordnung wie in 4, jedoch mit einem Blickwinkel gemäß Pfeil V aus 1, und
6 eine isolierte Darstellung der im Innern der Antriebskammer der Antriebseinheit vorhandenen Vielzahl von Abstützeinheiten sowie der beiden von diesen Abstützeinheiten geführten stabförmigen Sensormittel.
Die aus der Zeichnung ersichtliche, insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Antriebsvorrichtung enthält eine mittels Fluidkraft betätigbare Antriebseinheit 2. Die Antriebseinheit 2 verfügt über zwei in der Achsrichtung einer Hauptachse 8 mit Abstand zueinander angeordnete erste und zweite Kopfstücke 3, 4, die beispielsweise plattenförmig ausgebildet sind. Die beiden Kopfstücke 3, 4 sind Bestandteile einer eine Antriebskammer 5 hermetisch dicht umschließenden Aktorstruktur 6, zu der auch noch eine einen Hohlkörper mit ringförmigem Querschnitt bildende Seitenwand 7 gehört, die sich in der Achsrichtung der Hauptachse 8 zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 erstreckt und die mit ihren beiden stirnseitigen Endbereichen jeweils unter Abdichtung an einem der beiden Kopfstücke 3, 4 befestigt ist.
Die beiden Kopfstücke 3, 4 und die Seitenwand 7 sind vorzugsweise einstückig miteinander ausgebildet. Die Aktorstruktur 6, ist insbesondere mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt, beispielsweise durch selektives Lasersintern.
Die Antriebskammer 5 ist gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbar, um eine durch einen Doppelpfeil angedeutete relative Antriebsbewegung 12 zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 hervorzurufen, die mit einer axialen, das heißt in Achsrichtung der Hauptachse 8 orientierten elastischen Verformung der Seitenwand 7 einhergeht. Im Rahmen der Antriebsbewegung 12 ist der zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 vorhandene Abstand veränderbar, wobei entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten die räumliche Ausrichtung der beiden Kopfstücken 3, 4 konstant bleiben oder sich auch verändern kann. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass sich bei der Antriebsbewegung 12 der Neigungswinkel zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 ändert. Letzteres geht insbesondere einher mit einer Krümmung der Längserstreckung der Aktorstruktur 6, so dass die Hauptachse 8 einen Kurvenverlauf einnimmt. Die Hauptachse 8 kann im mindestens einem Betriebszustand der Antriebseinheit 2 insbesondere einen bogenförmig gekrümmten Verlauf haben.
Als Antriebsfluid kommt beim Ausführungsbeispiel Druckluft zum Einsatz. Ein anderes gasförmiges Medium aber auch flüssige Medien sind jedoch ebenfalls geeignet. Die gesteuerte Fluidbeaufschlagung erfolgt durch einen das erste Kopfstück 3 durchsetzenden und in die Antriebskammer 5 einmündenden Steuerkanal 13 hindurch, dem nicht weiter abgebildete Anschlussmittel zugeordnet sind, mit denen er an eine nur schematisch angedeutete Steuerventileinrichtung 14 angeschlossen werden kann. Mit Hilfe der Steuerventileinrichtung 14 kann das Antriebsfluid in die Antriebskammer eingespeist oder aus der Antriebskammer 5 abgeführt werden.
Die relative Antriebsbewegung 12 zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 ist dadurch ermöglicht, dass die Seitenwand 7 zumindest partiell axial elastisch verformbar ausgebildet ist. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Bauform einer über ihre gesamte sich zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 erstreckenden Länge hinweg axial verformbaren Seitenwand 7. Diese Eigenschaft ergibt sich exemplarisch dadurch, dass die Antriebseinheit in vorteilhafter Weise als Balgantrieb 2a ausgebildet ist, bei dem die Seitenwand 7 in Form eines Balgkörpers 7a realisiert ist, der in axialer Richtung, also in Achsrichtung der Hauptachse 8 elastisch reversibel dehnbar ist. In radialer Richtung, also in der Richtung rechtwinkelig zur Hauptachse 8, hat der Balgkörper 7a vorzugsweise eine relativ steife Struktur, so dass er bei den im Betrieb der Antriebsvorrichtung in der Antriebskammer 5 auftretenden Innendrücken keine relevante radiale Verformung erfährt.
Der Balgkörper 7a könnte beispielsweise ein in radialer Richtung versteiftes Membranelement sein.
Beim Ausführungsbeispiel ist der sich über die gesamte Länge zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 erstreckende Balgkörper 7a in vorteilhafter Weise als Faltenbalgkörper 15 ausgebildet. Er setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von sich in Achsrichtung der Hauptachse 8 abwechselnd aneinander anreihenden äußeren und inneren Faltenabschnitten 16, 17, die jeweils bezogen auf die Hauptachse 8 U-förmig strukturiert sind und insbesondere einstückig ineinander übergehen. Die äußeren Faltenabschnitte 16 haben einen größeren Durchmesser als die inneren Faltenabschnitte 17 und haben die Gestalt von radial nach außen ragenden ringförmigen Wulsten, während die inneren Faltenabschnitte 17 die Form von nach radial innen in Richtung zur Hauptachse 8 ragenden Wulsten haben. Im Längsschnitt gesehen ergibt sich dadurch insbesondere eine mäanderförmige Struktur der Seitenwand 18 mit einer Vielzahl bevorzugt ringscheibenförmiger Wandabschnitte 18, die die Verbindung zwischen jeweils aufeinanderfolgend äußeren und inneren Faltenabschnitten 16, 17 herstellen.
Im drucklosen Zustand der Antriebskammer 5 nehmen die beiden Kopfstücke 3, 4 die aus 1 ersichtliche relative Grundstellung ein, in der der Faltenbalgkörper 15 spannungsneutral ist. Wird ausgehend hiervon der Innendruck in der Antriebskammer 5 erhöht, entfernen sich die beiden Kopfstücken 3, 4 im Rahmen der Antriebsbewegung 12 voneinander, wobei der Faltenbalgkörper 15 an seinen Faltenabschnitten 16, 17 axial auseinandergespreizt und dadurch insgesamt axial gedehnt wird. Bei Wegnahme des Innendruckes oder bei Evakuierung der Antriebskammer 5 findet eine entgegengesetzt gerichtete Annäherung zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 statt.
Die beiden Kopfstücke 3, 4 können jeweils mit mindestens einer nicht abgebildeten Befestigungsschnittstelle ausgestattet sein, die die Befestigung an einer weiteren Komponente ermöglicht, um die Antriebsvorrichtung 1 beispielsweise in eine Maschine zu integrieren, die ausgebildet ist, um wenigstens zwei Maschinenkomponenten relativ zueinander bewegen zu können.
Besonders prädestiniert ist die Antriebsvorrichtung 1 zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Manipulator und hierbei als Bestandteil insbesondere eine Manipulatorarmes, der in seiner Länge und in seiner Ausrichtung variierbar sein soll, um irgendwelche Handhabungsaufgaben zu erfüllen, beispielsweise ein Umpositionieren von Werkstücken oder sonstige Objekten.
Die Antriebsvorrichtung 1 kann ohne weiteres über eine Mehrzahl von Antriebseinheiten 2 verfügen. Hierbei besteht insbesondere die Möglichkeit, mehrere Antriebseinheiten 2 in Achsrichtung der Hauptachse 8 seriell zu verketten, um eine mehrgliedrige, vielfach variabel verformbare Antriebsstruktur zu schaffen. Es besteht ferner die Möglichkeit, mehrere Antriebseinheiten 2 zusätzlich oder alternativ parallel zu verketten, insbesondere derart, dass mehrere axial verformbare Seitenwände 7 in Parallelschaltung zwischen zwei Kopfstücken 3, 4 angeordnet sind. Bei einer seriellen Verkettung können die aufeinanderfolgend angeordneten Antriebseinheiten 2 mit einander zugewandten Kopfstücken 3, 4 aneinander befestigt werden oder es ist eine Ausgestaltung möglich, bei der die jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Antriebseinheiten 2 über ein gemeinsam zugeordnetes und gemeinsam genutztes Kopfstück verfügen.
Die Antriebseinheit 2 ist mit einer insgesamt mit Bezugsziffer 22 bezeichneten Positionserfassungseinrichtung ausgestattet, die die Möglichkeit schafft, mindestens eine und vorzugsweise jede beliebige zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 eingenommene Relativposition zu erfassen. Mit den auf diese Weise gewonnenen Positionsdaten ist eine präzise fluidische Ansteuerung der Antriebseinheit 2 möglich. Die gewonnenen Positionsdaten werden in einer elektronischen Steuereinrichtung 23 verarbeitet und können insbesondere zur Ansteuerung der Steuerventileinrichtung 14 genutzt werden.
Unter „Positionsdaten” im vorgenannten Sinne sind insbesondere nicht nur Abstandsinformationen sondern auch Bewegungsinformationen zu verstehen. Beispielsweise kann mittels der Positionserfassungseinrichtung 22 das Bewegungsverhalten, beispielsweise das Ansprechverhalten und die Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit der zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 auftretenden relativen Antriebsbewegung 12 ermittelt werden.
Exemplarisch ist die Positionserfassungseinrichtung 22 als Wegmesssystem ausgebildet.
Die Positionserfassungseinrichtung 22 enthält ein im Innern der Antriebskammer 5 geschützt untergebrachtes und von der Aktorstruktur 6 gegen äußere Einflüsse abgeschirmtes Sensorsystem 24, das über zwei Sensormittel 25, 26 verfügt, die im Folgenden als erstes und zweites Sensormittel 25, 26 bezeichnet werden sollen. Die beiden Sensormittel 25, 26 sind jeweils bevorzugt stabförmig ausgebildet. Das erste Sensormittel 25 ist mit einem ersten axialen Endbereich 25a ortsfest an dem ersten Kopfstück 3 befestigt und erstreckt sich ausgehend von dem ersten Kopfstück 3 mit allseitigem radialem Abstand zu der Seitenwand 7 in zu der Hauptachse 8 paralleler Orientierung in Richtung zu dem zweiten Kopfstück 4. Mit seinem dem ersten axialen Endabschnitt 25a entgegengesetzten zweiten axialen Endabschnitt 25b endet das erste Sensormittel 25 mit Abstand vor dem zweiten Kopfstück 4, so dass man ihn als freien axialen Endbereich bezeichnen kann.
In vergleichbarer Weise ist das zweite Sensormittel 26 mit einem ersten axialen Endbereich 26a am zweiten Kopfstück 4 ortsfest fixiert und erstreckt sich ausgehend von dort in zu der Hauptachse 8 paralleler Orientierung in Richtung zum ersten Kopfstück 3, wobei es mit einem zweiten axialen Endbereich 26b mit Abstand vor dem ersten Kopfstück 3 endet. Auch der zweite axiale Endbereich 26b des zweiten Sensormittels 26 kann mithin als freier Endbereich bezeichnet werden.
Das sich aus den beiden Sensormitteln 25, 26 zusammensetzende Sensorsystem 24 erstreckt sich zweckmäßigerweise in der Mitte des Querschnittes der Antriebskammer 5, die man auch als neutrale Faser des Balgantriebes 2 bezeichnen kann. Prinzipiell wäre es jedoch ohne weiteres möglich, das Sensorsystem 24 außermittig der Antriebskammer 5 zu platzieren.
Die axiale Länge der beiden Sensormittel 25, 26 ist so aufeinander abgestimmt, dass sich die beiden Sensormittel 25, 26 in jeder während des Betriebes der Antriebsvorrichtung 1 möglichen Relativposition der beiden Kopfstücke 3, 4 in der Achsrichtung der Hauptachse 8, das heißt axial überlappen.
Dadurch, dass die beiden Sensormittel 25, 26 an unterschiedlichen Kopfstücken 3, 4 befestigt sind, führen sie bei der relativen Antriebsbewegung 12 der beiden Kopfstücke 3, 4 ihrerseits eine Relativbewegung zueinander in der Achsrichtung der Hauptachse 8 aus, die im Folgenden als relative Messbewegung 27 bezeichnet sei und die in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustriert ist. Bei der relativen Messbewegung 27 verändert sich der Grad der axialen Überlappung zwischen den beiden Sensormitteln 25, 26.
Aus der relativen Messbewegung 27 kann die Positionserfassungseinrichtung 22 Positionsmesswerte generieren, die Rückschlüsse auf die Relativposition zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 ermöglichen und für die Ansteuerung der Antriebseinheit 2 benutzt werden können.
Eine relevante Besonderheit der Antriebseinheit 2 besteht darin, dass das im Innern der Antriebskammer 5 angeordnete, aus den beiden Sensormitteln 25, 26 bestehende Sensorsystem 24 über biegeflexible und insbesondere biegeelastische Eigenschaften verfügt, so dass es in der Lage ist, während der Betriebes der Antriebsvorrichtung 1 auftretende Krümmungen im Längsverlauf der Hauptachse 8 mitzumachen und selbst bei einer nicht linearen Relativbewegung zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 zuverlässige Positionsmesswerte zu liefern. Hierbei wirkt sich auf die Messpräzision besonders günstig aus, dass die beiden Sensormittel 25, 26 bezüglich der sie umgebenden Seitenwand 7 durch Abstützmittel 28 derart in bezüglich der Hauptachse 8 radialer Richtung abgestützt sind, dass sie unabhängig von der zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 vorhandenen Relativposition einen zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Seitenwand 7 beibehalten.
Ist das Sensorsystem 24 beispielsweise querschnittsmittig, das heißt in der neutralen Faser der Antriebseinheit 2 angeordnet, entspricht seine Krümmung stets derjenigen der Hauptachse 8.
Dadurch, dass die Abstützmittel 28 nicht an dem Kopfstück 4 angebracht sind, sondern ausschließlich an der Seitenwand 7, sind sie in der Lage, axiale Längenveränderungen der Seitenwand 7 mitzumachen und das Sensorsystem 24 unabhängig vom momentan zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 vorhandenen Abstand bestmöglich zur Hauptachse 8 abzustützen. Beim Ausführungsbespiel kommt vorteilhaft zum Tragen, dass die Abstützmittel 28 nur an der Seitenwand 7, nicht jedoch an den Sensormitteln 25, 26 ortsfest fixiert sind. Das Zusammenwirken zwischen den Abstützmitteln 28 und den Sensormitteln 25, 26 ist so gestaltet, dass die Sensormittel 25, 26 zwar radial, also quer zu der Hauptachse 8 bezüglich der Seitenwand 7 abgestützt werden, gleichwohl jedoch in der Achsrichtung der Hauptachse 8, unabhängig voneinander, relativ zu den Abstützmitteln 28 verschiebbar sind. Die Abstützmittel 28 bewirken also nicht nur eine radiale Abstützung, sondern auch eine Verschiebeführung der beiden Sensormittel 25, 26. Mithin sind die beiden Sensormittel 25, 26 in der Lage, eine von der Abstützung durch die Abstützmittel 28 unbeeinflusste relative Messbewegung 27 auszuführen.
Durch die Abstützmittel 28 werden die beiden Sensormittel 25, 26 an mehreren in Achsrichtung der Hauptachse 8 zueinander beabstandeten Abstützstellen 31 unter gleichzeitiger Verschiebelagerung radial abgestützt. Ein Eigenschaft der Abstützmittel 28 besteht darin, dass sich der axiale Abstand der Abstützstellen 31 bei der relativen Antriebsbewegung 12 der beiden Kopfstücken 3, 4 aufgrund der axialen Deformation der Seitenwand 7 verändert. Die Abstandsveränderung ist darauf zurückzuführen, dass jede Abstützstelle 31 vom Zusammenwirken des betreffenden Sensormittels 25, 26 mit einer von mehreren individuellen Abstützeinheiten 32 herrührt, die in ihrer Gesamtheit die Abstützmittel 28 bilden. Eine Mehrzahl solcher Abstützeinheiten 32 ist im Innern der Antriebskammer 5 in Achsrichtung der Hauptachse 8 mit Abstand zueinander angeordnet, wobei jede Abstützeinheit 32 unabhängig von jeder anderen Abstützeinheit 32 innen an der Seitenwand 7 befestigt ist. Vorzugsweise ist jede Abstützeinheit 32 an einem der einen engsten Querschnitt der Antriebskammer 5 definierenden inneren Faltenabschnitt 17 der Seitenwand 7 befestigt. Vorzugsweise ergibt sich die Befestigung durch eine einstückige Ausgestaltung der Abstützeinheiten 32 mit der Seitenwand 7, was sich bei Herstellung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens verhältnismäßig einfach realisieren lässt. Andere Arten der Befestigung, insbesondere eine stoffschlüssige Befestigung, sind aber ebenfalls möglich.
Wenn der Balgkörper 7a aufgrund eines sich voneinander Entfernens der beiden Kopfstücke 3, 4 axial gedehnt wird, ändert sich auch der axiale Abstand zwischen den inneren Faltenabschnitten 17 und mithin ebenso der axiale Abstand zwischen den jeweils benachbarten Abstützeinheiten 32. Dementsprechend ergibt sich auch eine Abstandsveränderung der durch den Kontakt zwischen den Abstützeinheiten 32 mit den Sensormitteln 25, 26 definierten Abstützstellen 31.
Mithin ist unabhängig vom gegenseitigen Abstand der Kopfstücke 3, 4 eine radiale Abstützung der Sensormittel 25, 26 über ihre gesamte Länge gewährleistbar, es ändert sich lediglich der gegenseitige Abstand zwischen den Abstützstellen 31.
Bei dem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist pro innerem Faltenabschnitt 17 eine eigene Abstützeinheit 32 vorhanden, so dass sich eine eng verteilte Anordnung der Abstützstellen ergibt.
Die Abstützeinheiten 32 sind insbesondere so ausgebildet, dass sie in der Lage sind, die beiden Sensormittel 25, 26 unabhängig vom jeweils anderen Sensormittel 26, 25 abzustützen und verschiebbar zu führen. Im axialen Überlappungsbereich der beiden Sensormittel 25, 26 stützt und führt jede Abstützeinheit 32 beide Sensormittel 25, 26 gleichzeitig. In den sich an die Kopfstücke 3, 4 anschließenden Bereichen der Antriebskammer 5, in denen keine axiale Überlappung der beiden Sensormittel 25, 26 vorliegt, stützt und führt jede dort befindliche Abstützeinheit 32 jeweils nur dasjenige Sensormittel 25, 26, das am benachbarten Kopfstück 3, 4 angebracht ist.
Die Abstützeinheiten 32 der Abstützmittel 28 sind vorzugsweise untereinander identisch ausgebildet. Die beim Ausführungsbeispiel realisierte vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jede Abstützeinheit 32 ein in der Antriebskammer 5 angeordnetes Führungsauge 33 aufweist, an dem jedes der beiden Sensormittel 25, 26 unabhängig vom jeweils anderen Sensormittel 26, 25 unter bezüglich der Hauptachse 8 radialer Abstützung linear verschiebbar geführt ist und das mittels bevorzugt mehreren Abstützstreben 34 an ausschließlich der Seitenwand 7 befestigt ist. Exemplarisch enthält jede Abstützeinheit 32 insgesamt vier Abstützstreben 34, die über eine bezüglich der Hauptachse 8 radiale Erstreckung verfügen und die in bevorzugt gleichmäßigen Abständen rings um die Hauptachse 8 herum verteilt angeordnet sind. Jede Abstützstrebe 34 ist an ihrem inneren Ende einstückig oder stoffschlüssig am Führungsauge 33 befestigt und mit ihrem anderen, äußeren Ende, in der weiter oben schon geschilderten Weise, an der Seitenwand 7 und dort insbesondere an einem inneren Faltenabschnitt 17 fixiert. Die zur gleichen Abstützeinheit 32 gehörenden Abstützstreben 34 sind jeweils am gleichen inneren Faltenabschnitt 17 befestigt.
Die Abstützstreben 34 haben zweckmäßigerweise eine stabförmige Struktur und erstrecken sich nach Art von Speichen zwischen der Seitenwand 7 und dem bevorzugt im Zentrum der Antriebskammer 5 angeordneten Führungsauge 33. Zwischen in der Umfangsrichtung der Hauptachse 8 beabstandet zueinander angeordneten Abstützstreben 34 der einzelnen Abstützeinheiten 32 ist genügend Freiraum vorhanden, um dem in die Antriebskammer 5 eingespeisten Antriebsfluid eine gleichmäßige Verteilung in der Antriebskammer 5 zu ermöglichen.
Wie insbesondere die 3 bis 5 gut illustrieren, weist jedes Führungsauge 33, das zweckmäßigerweise scheibenförmig ausgebildet ist, eine zur Abstützung und Führung des ersten Sensormittels 25 dienende erste Führungskontur 35 und eine zur Führung und Abstützung des zweiten Sensormittels 26 dienende zweite Führungskontur 36 auf. Jede Führungskontur 35 ist insbesondere in Form einer das Führungsauge 33 in axialer Richtung durchsetzenden Durchbrechung ausgebildet und ist derart konturiert, dass es das durch die betreffende Führungskontur 35, 36 hindurchtretende Sensormittel 25, 26 entlang zumindest eines Abschnittes seines Umfanges gleitverschieblich umschließt.
Jede Führungskontur 35, 36 kann in Form einer individuellen Durchbrechung des Führungsauges 33 ausgebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel wird ein anderer Weg beschritten, der darin besteht, eine einzige, das Führungsauge 33 axial durchsetzende Führungsdurchbrechung 37 vorzusehen, deren Querschnitt in zwei Querschnittsabschnitte unterteilt ist, die jeweils eine der beiden Führungskonturen 35, 36 bilden.
Die Führungskonturen 35, 36 sind insbesondere so ausgebildete, dass zumindest eines der Sensormittel 25, 26 um seine Längsachse unverdrehbar geführt ist. Die Notwendigkeit für eine Verdrehsicherung hängt vom Funktionsprinzip des Sensorsystems 24 ab. Das beim Ausführungsbeispiel realisierte inkrementelle Wegmesssysteme setzt insbesondere voraus, dass lediglich das erste Sensormittel 25 unverdrehbar an dem Führungsauge 33 abgestützt und geführt ist, so dass es stets mit gleicher Orientierung neben dem zweiten Sensormittel 26 angeordnet ist. Die Verdrehsicherung ist exemplarisch dadurch realisiert, dass das erste Sensormittel 25 entsprechend der sie führenden ersten Führungskontur 35 unrund und insbesondere mehreckig profiliert ist.
Im Folgenden soll ein vorteilhafter Aufbau des Sensorsystem 24 beschrieben werden.
Beide stabförmigen Sensormittel 25, 26 sind quer zu ihrer Längsrichtung biegbar bzw. flexibel, so dass sie sich entsprechend eines im Betrieb der Antriebsvorrichtung 1 auftretenden, nicht linearen Längsverlaufes der Hauptachse 8 verbiegen können. Erreicht wird das biegbare Verhalten insbesondere durch eine insgesamt federelastische Struktur jedes Sensormittels 25, 26.
Exemplarisch weist jedes Sensormittel 25, 26 ein für die Biegeflexibilität hauptsächlich verantwortliches federelastisches Stabelement auf, das im Falle der ersten Sensormittel 25 als erstes Stabelement 42 und im Falle der zweiten Sensormittel 26 als zweites Stabelement 43 bezeichnet sei. Jedes biegeelastische Stabelement 42, 43 besteht beim Ausführungsbeispiel aus einem federelastischen Metall, insbesondere aus Federstahl. Jedes Stabelement 42, 43 könnte auch als Federqstab bezeichnet werden.
Jedes Stabelement 42, 43 erstreckt sich zweckmäßigerweise zumindest annähernd über die gesamte Länge des entsprechenden Sensormittels 25, 26. Insbesondere ist vorgesehen, dass jedes Stabelement 42, 43 an dem das betreffende Sensormittel 25, 26 tragenden Kopfstück 3, 4 fest angebracht und insbesondere fest eingespannt ist.
Das erste Sensormittel 25 verfügt über eine bevorzugt in der Nähe des frei endenden, zweiten axialen Endbereiches 25b angeordnete Erfassungseinheit 44. Exemplarisch ist diese Erfassungseinheit 44 mit einem gewissen Abstand zur Stirnseite des zweiten axialen Endbereiches 25b angeordnet, so dass das erste Sensormittel 25 ein Stück weit axial über die Erfassungseinheit 44 hinausragt.
Die Erfassungseinheit 44 ist zweckmäßigerweise in einem Hüllkörper der ersten Sensormittel 25 eingebettet, der zur besseren Unterscheidung im Folgenden als erster Hüllkörper 45 bezeichnet sei. Dieser erste Hüllkörper 45 besteht zweckmäßigerweise aus einem Kunststoffmaterial und bildet eine Umhüllung des ersten Stabelementes 42, das sich mithin als umhüllter Kern im Innern des ersten Hüllkörpers 45 erstreckt. Der erste Hüllkörper 45 verleiht dem ersten Sensormittel 25 im Bereich seines Außenumfanges sehr gute Gleiteigenschaften. Dies ist vorteilhaft, weil der erste Hüllkörper 45 die Außenkontur des ersten Sensormittels 25 definiert, die mit der ersten Führungskontur 35 des Führungsauges 33 in dynamischem Kontakt steht.
Der erste Hüllkörper 45 umhüllt zweckmäßigerweise zumindest partiell auch die Erfassungseinheit 44.
Ausgehend von der Erfassungseinheit 44 erstreckt sich im Innern des ersten Sensormittels 25 eine biegeflexible elektrische Leiteranordnung 46, die in der Zeichnung durch zwei einzelne elektrische Leiter illustriert ist und die zweckmäßigerweise in den ersten Hüllkörper 45 eingebettet ist. Die elektrische Leiteranordnung 46 tritt an dem das erste Sensormittel 25 tragenden ersten Kopfstück 3 aus der Aktorstruktur 6 aus und ermöglicht die schon erwähnte elektrische Verbindung mit einer elektronischen Steuereinrichtung 23. Die elektrische Leiteranordnung 46 überträgt die von der Erfassungseinheit 44 ermittelten Positionsmesswerte zu der elektronischen Steuereinrichtung 43.
Dadurch, dass die Erfassungseinheit 44 dem freien Endbereich des stabförmigen ersten Sensormittels 25 zugeordnet ist, kann man dieses erste Sensormittel 25 auch als „Sensorlanze” bezeichnen.
Zur Generierung der Positionsmesswerte kooperiert die Erfassungseinheit 44 mit einer auch als Messstrecke bezeichenbaren Maßverkörperung 47 des zweiten Sensormittels 26. Diese Maßverkörperung 47 erstreckt sich in der Längsrichtung des zweiten Sensormittels 26 und ist zweckmäßigerweise in einer im Folgenden als zweiter Hüllkörper 48 bezeichneten Umhüllung des zweiten Stabelementes 43 implementiert. Auch der zweite Hüllkörper 48 besteht zweckmäßigerweise zumindest hauptsächlich aus einem Kunststoffmaterial. Der zweite Hüllkörper 48 verleiht dem zweiten Sensormittel 26 gute Gleiteigenschaften, was von Vorteil ist, da er exemplarisch die Außenkontur des zweiten Sensormittels 26 definiert, die mit der zweiten Führungskontur 36 des Führungsauges 33 in dynamischem Kontakt steht.
Das beim Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommende Sensorsystem 24 arbeitet auf der Basis inkrementeller magnetischer Abtastung. Hierzu ist als Maßverkörperung 47 eine wechselpolig magnetisierte dauermagnetische Magnetstruktur vorgesehen, die aus nicht weiter abgebildeten hartmagnetischen Komponenten besteht, die in den zweiten Hüllkörper 48 eingebettet sind. Die Magnetstruktur besteht aus einer Vielzahl einzelner, in der Längsrichtung aufeinanderfolgender Magnetzonen mit einander entgegengesetzter Polarisierung. Diese Magnetstruktur erstreckt sich zumindest über die gesamte Längserstreckung des zweiten Sensormittels 26, der entlang sich die Erfassungseinheit 44 im Rahmen der relativen Messbewegung 27 verlagern kann.
Die Erfassungseinheit 44 trägt zweckmäßigerweise mehrere Hallelemente oder magnetoresistive Elemente, die so miteinander verschaltet sind, dass bei der Messbewegung 27 entsprechend der Teilung der Magnetstruktur im Verlauf einer jeden Polteilung ein Sinussignal und ein Cosinussignal ausgegeben wird, die die Positionsmesswerte bilden oder als Basis für diese Positionsmesswerte herangezogen werden können.
Anstatt die Maßverkörperung 47 in den Hüllkörper des zweiten Sensormittels 26 zu integrieren, könnte auch unmittelbar ein wechselpolig magnetisierbarer Metallstab die Maßverkörperung 47 bilden, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, unmittelbar das federelastische zweite Stabelement 43 als Maßverkörperung 47 zu verwenden.
Es versteht sich, dass abweichend vom Ausführungsbeispiel auch ein auf einem anderen Funktionsprinzip basierendes Sensorsystem 24 zur Bestimmung der Positionsmesswerte verwendbar ist, beispielsweise ein optisches System oder ein auf der Nutzung von Schleifkontakten basierendes elektromechanisches System.
Vorzugsweise ragt das ersten Sensormittel 25 im Bereich des zweiten axialen Endbereiches 25b so weit über die Erfassungseinheit 44 hinaus, dass die Erfassungseinheit 44 unabhängig von der zwischen den beiden Kopfstücken 3, 4 vorhandenen Relativposition stets zwischen zwei Längenabschnitten des ersten Sensormittels 25 liegt, die durch eine Abstützeinheit 32 abgestützt sind. Auf diese Weise gelangt die Erfassungseinheit 44 zu keiner Zeit in einen nicht geführten Bereich.
Die beiden Sensormittel 25, 26 können sich in ihrem sich axial überlappenden Bereich, und insbesondere im Bereich der Erfassungseinheit 44, ohne weiteres verschieblich berühren. Zur Minimierung des Verschleißes empfiehlt sich allerdings die Einhaltung eines zumindest geringfügigen Querabstandes.

Claims

Antriebsvorrichtung (1), mit mindestens einer Antriebseinheit (2), die zwei in Achsrichtung einer Hauptachse (8) beabstandet zueinander angeordnete Kopfstücke (3, 4) und eine sich zwischen den beiden Kopfstücken (3, 4) erstreckende, gemeinsam mit den Kopfstücken (3, 4) eine gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbare Antriebskammer (5) begrenzende Seitenwand (7) aufweist, wobei die Seitenwand (7) zur Ermöglichung einer im Rahmen einer relativen Antriebsbewegung (12) erfolgenden Veränderung des zwischen den beiden Kopfstücken (3, 4) vorhandenen Abstandes und/oder Neigungswinkels zumindest partiell axial elastisch verformbar ausgebildet ist, und einer Positionserfassungseinrichtung (22) zur Erfassung mindestens einer zwischen den beiden Kopfstücken (3, 4) eingenommen Relativposition, die ein ortsfest an dem einen Kopfstück (3) angeordnetes erstes Sensormittel (25) und ein ortsfest an dem anderen Kopfstück (4) angeordnetes zweites Sensormittel (26) aufweist, wobei die relative Antriebsbewegung (12) zwischen den beiden Kopfstücken (3, 4) eine zur Erfassung deren Relativposition nutzbare relative Messbewegung (27) zwischen den beiden Sensormitteln (25, 26) zur Folge hat, wobei die beiden Sensormittel (25, 26) im Innern der Antriebskammer (5) angeordnet sind und über biegeflexible Eigenschaften verfügen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensormittel (25, 26) bezüglich der Seitenwand (7) zur Beibehaltung eines diesbezüglich unabhängig von der Relativposition der Kopfstücke (3, 4) konstanten Abstandes durch Abstützmittel (28) radial abgestützt sind, die mehrere in der Achsrichtung der Hauptachse (8) mit Abstand zueinander angeordnete Abstützstellen (31) definieren, an denen die Sensormittel (25, 26) lokal radial abgestützt und zugleich verschiebbar geführt sind und deren in Achsrichtung der Hauptachse (8) gemessener Abstand in Abhängigkeit von der axialen Verformung der Seitenwand (7) veränderlich ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensormittel (25, 26) an den Abstützmitteln (28) zur Ermöglichung einer von der Abstützung unbeeinflussten relativen Messbewegung (27) unabhängig voneinander verschiebbar geführt sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Sensormittel (25, 26) stabförmig ausgebildet ist und sich im Innern der Antriebskammer (5) ausgehend von dem ortsfest bezüglich ihm angeordneten Kopfstück (3, 4) in Richtung zum jeweils anderen Kopfstück (4, 3) erstreckt, wobei sich die beiden Sensormittel (25, 26) in Abhängigkeit von der Relativposition der beiden Kopfstücke (3, 4) unterschiedlich weit axial überlappen.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützmittel (28) über mehrere in der Achsrichtung der Hauptachse (8) mit Abstand zueinander angeordnete und jeweils eine der Abstützstellen (31) definierende Abstützeinheiten (32) verfügen, die unabhängig voneinander innen an der Seitenwand (7) befestigt sind und an denen beide Sensormittel (25, 26) jeweils unter radialer Abstützung verschiebbar geführt sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinheiten (32) einstückig innen an der Seitenwand (7) befestigt sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstützeinheit (32) über eine oder mehrere Abstützstreben (34) verfügt, die ausgehend von der Seitenwand (7) radial nach innen in Richtung zu den Sensormitteln (25, 26) in die Antriebskammer (5) hineinragen.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstützeinheit (32) ein in der Antriebskammer (5) angeordnetes Führungsauge (33) aufweist, an dem jedes Sensormittel (25, 26) unter radialer Abstützung verschiebbar geführt ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstützeinheit (32) ein von einer oder mehreren an der Seitenwand (7) befestigten Abstützstreben (34) gehaltenes Führungsauge (33) aufweist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder beide der stabförmigen Sensormittel (25, 26) ein für seine Biegeflexibilität verantwortliches federelastisches Stabelement (42, 43) aufweisen, das einen von einem Kunststoffmaterial umhüllten Kern des betreffenden Sensormittels (25, 26) bildet.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Sensormittel (25) eine Erfassungseinheit (44) aufweist und das andere Sensormittel (26) eine durch die Erfassungseinheit (44) erfassbare, sich in der Längsrichtung des betreffenden Sensormittels (26) erstreckende Maßverkörperung (47) aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (44) im Bereich eines in die Antriebskammer (5) hineinragenden freien Endbereiches des zugeordneten Sensormittels (25) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (47) von der aus einem Kunststoffmaterial bestehenden Umhüllung eines federelastischen Stabelementes (43) des Sensormittels (26) gebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (2) als Balgantrieb (2a) ausgebildet ist, wobei die Seitenwand (7) zumindest in ihren axial elastisch verformbaren Bereichen von einem elastisch verformbaren Balgkörper (7a) gebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Seitenwand (7) aus einem elastisch verformbaren Balgkörper (7a) besteht.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Balgkörper (7a) ein eine Mehrzahl axial aufeinanderfolgend angeordneter Faltenabschnitte (16, 17) aufweisender Faltenbalgkörper (15) ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstützeinheit (32) unabhängig von den anderen Abstützeinheiten (32) an einem anderen Faltenabschnitt (17) befestigt ist als die anderen Abstützeinheiten (32).
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (25, 26) querschnittsmittig in der Antriebskammer (5) angeordnet sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (2) mindestens einen Betriebszustand einnimmt oder einnehmen kann, bei dem die Hauptachse (8) und die Sensormittel (25, 26) einen gebogenen Verlauf haben.