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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem elektrischen Motor und einem Getriebe.
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Wenn die Drehzahl eines Motors für den vorgesehenen Einsatzzweck zu hoch ist, wird die Ausgangs- oder Antriebswelle häufig mit einem Getriebe gekoppelt, in dem die Motordrehzahl auf die gewünschte Drehzahl heruntergestuft wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Motordrehzahl elektrisch oder elektronisch zu steuern.
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Für hohe Übersetzungsverhältnisse in einer Motor-Getriebe-Einheit sind mehrstufige Getriebe erforderlich. Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung eines hohen Übersetzungsverhältnisses besteht in der Verwendung eines Wellen-Getriebes, wie es z.B. von der Firma Harmonie Drive AG in D-65555 Limburg vertrieben wird, das im Wesentlichen aus drei Elementen besteht, nämlich einem mit der Motorwelle verbundenen elliptischen Wave Generator, der in einem als flexible Hülse ausgebildeten Flexspline umläuft und diese bei der Drehung verformt. Die Außenseite des Flexsplines enthält eine Außenverzahnung, die bei der Auslenkung des Flexsplines wandernd in die Innenverzahnung eines Circular Splines eingreift, wobei die Zahl der Zähne der Außenverzahnung sich von der Zahl der Zähne der Innenverzahnung um wenige Zähne unterscheidet. Damit sind Übersetzungsverhältnisse von über 200:1 möglich. Entsprechend finden sich derartige Getriebe häufig in Motor-Getriebe-Einheiten, bei denen Drehbewegungen nur in kleinen Winkelgraden erforderlich sind, wie in Servoantrieben und Robotern mit starken Drehzahl und Drehmomentänderungen.
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Vielfach ist es erforderlich, sowohl Drehzahl als auch Drehmoment einer Antriebseinheit zu erfassen, um diese Größen je nach Bedarf geeignet einstellen oder regeln zu können. Dies ist vor allem bei Robotern erforderlich, um die erzeugten Kräfte gezielt einsetzen zu können. Während die Erfassung der Drehzahl keine Probleme hervorruft, gestaltet sich die Erfassung des Drehmoments als aufwändig. Bekannte Mittel bestehen in der Verwendung von Dehnungsmesstreifen oder Positionssensoren, die an geeigneten Stellen in der Kraftkette zwischen Motor und Verbraucher eingesetzt sind und der Antriebswelle zugeordnet sind.
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Bei Robotern und anderen Automatisierungseinrichtungen ist es häufig erforderlich, Kraftstöße bei einem Kontakt eines Werkzeugs mit einem Hindernis aufzufangen. Hierzu ist es bekannt, Federsysteme einzusetzen, die bei Überlast des Antriebs oder Kraftstößen kurzzeitig Energie aufnehmen. Derartige Federsysteme können auch zur Drehmomenterfassung verwendet werden.
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Aus der
EP 2239479 A1 ist ein Roboterantrieb mit einem derartigen Federsystem bekannt, bei dem die Ausgangswelle eines Motors mit einer Kupplung in Verbindung steht, bei der in Umfangsrichtung in einem Gehäuse aufgenommene Federn über Arme auslenkbar sind, die mit der Antriebswelle des Motors verbunden sind, wobei das Gehäuse mit der Motorausgangswelle in Verbindung steht. Ein in der Kupplung auftretendes Drehmoment führt dabei zur Auslenkung der Federn entsprechend der verwendeten Federkennlinie. Mit diesem System ergibt sich eine Kupplung mit Elastizitätseigenschaften, bei der die Torsionskraft durch Federn aufgefangen wird. Federn sind im Langzeitbetrieb aber störanfällige Konstruktionselemente.
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Es ist auch bekannt, Torsionskräfte an Motoren über Torsionsstäbe aufzufangen. Aus der
DE 11 2010 001389 T5 ist ein Motor mit Torsionsisolationsmitteln bekannt, bei dem ein Torsionsstab, der axial durch den Motor geführt ist, an einer Seite an dem Motoranker befestigt ist und an der anderen Seite des Motors mit dem Verbraucher verbunden ist. Auch auf diese Weise können Kraftstöße im Antriebssystem durch Torsion des Torsionsstabs ausgeglichen werden.
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Die vorstehenden Elastizitätssysteme befinden sich im Motor selbst oder sind unmittelbar mit der Motorwelle verbunden, d.h. sie agieren bei der jeweiligen Motordrehzahl, so dass ihre Wirkung bei Verwendung eines nachfolgenden Getriebes mit hohem Übersetzungsverhältnis sehr begrenzt ist.
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Zu der vorliegenden Thematik ist weiterer einschlägiger Stand der Technik aus folgenden Druckschriften bekannt. Aus der
US 5,650,704 A ist ein elastischer Aktuator mit präziser Kraftkontrolle, aus der
DE 29 25 904 A1 ist ein Rotationsviskometer, aus der
AT 007 835 U1 ist eine elektrische Vorrichtung mit Drehmomentmesseinrichtung, aus der
DE 24 44 035 A1 ist ein Drehmoment-Messgerät, aus der
US 4,909,087 A ist ein Drehmomentsensor, aus der
US 5,327,790 A ist ein Drehmomentaktuator mit Drehmomentsensor, aus der
DE 35 00 134 A1 ist eine Drehmomentmesseinrichtung, und aus der
US 2010/0005907 A1 ist eine Drehmomentmessvorrichtung und ein Kontrollsystem für einen Drehmomentaktuator bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung mit einem elektrischen Motor und einem Getriebe anzugeben, die auch bei geringen Drehzahlen und hoher Steifheit einen weiten Bereich der Flexibilität aufweist, räumlich kompakt aufgebaut ist und störunanfällig ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einer Antriebsvorrichtung in einem Gelenk eines Roboters zum Antrieb eines durch eine feststehende Basis gebildeten ersten Konstruktionselements gegenüber einem einen Verbraucher bildenden zweiten Konstruktionselement des Roboters, mit einem elektrischen Motor mit einem in einem Motorgehäuse befestigten Stator und einem radial zum Stator drehbar gelagerten Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments an einer Antriebswelle, die mit der Eingangsstufe eines Getriebes verbunden ist, das am Ausgangsende des Motorgehäuses zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt ist, wobei ein Teil der Motor-Getriebe-Einheit über ein elastisches Element an der Basis befestigt ist, und die Ausgangsstufe des Getriebes mit dem Verbraucher gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist das elastische Element als Torsionsstabeinheit ausgebildet. Weiterhin erfindungsgemäß ist der Torsionsstabeinheit ein Positionssensor zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit übertragenen Drehmoments durch Feststellung der Position des Positionssensors relativ zur Basis zugeordnet, um die Antriebskraft zum Verbraucher zu erfassen und durch Regelung des Motormoments zu beeinflussen.
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Somit ist ein Teil der Motor-Getriebe-Einheit über die Torsionsstabeinheit an einer feststehenden Basis befestigt. Der Torsionsstabeinheit ist ein Drehmomentsensor in Form eines Positionssensors zugeordnet, um die Antriebskraft zum Verbraucher zu erfassen und insbesondere durch Regelung der Motorleistung zu steuern.
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Unter einer Torsionsstabeinheit wird hier eine Einheit verstanden, die insgesamt auf Torsion belastbar ist, deren aktive Einzelelemente, wie die darin befindlichen Stäbe, aber lediglich als Biegeelemente wirken. Die als Torsionsstäbe bezeichneten Elemente werden bei ihrer Verwendung in der Torsionsstabeinheit daher im Wesentlichen nur auf Biegung beansprucht.
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Der Verbraucher kann jede Art von Kraftaufnehmer sein, wie reale Energieverbraucher, aber auch Energiespeicher, wie z.B. Federsysteme und Schwungmassen.
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Anders als im genannten Stand der Technik ist die Torsionsstabeinheit nicht in der Linie des Antriebsstrangs angeordnet, sondern befindet sich zwischen einer feststehenden Basis, wie einem Chassis eines Gerätes oder einem relativ zu einem drehbaren Teil ruhenden Teil eines Gerätes, wie z. B. einem Roboterarm, an dem ein weiteres Armteil drehbar gelagert ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung ergibt sich eine starre Kopplung (über das Getriebe) nur zwischen Motor und Verbraucher, wobei die Motor- bzw. Getriebebefestigung Torsionsmomente aufnimmt und Stöße abfängt. Die nicht drehende Ausbildung der Torsionsstabeinheit erleichtert die Erfassung des Drehmomentes über Positionssensoren und die Weiterleitung daraus abgeleiteter Stell- oder Regelgrößen.
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Vorzugsweise wird als Getriebe ein Wellen-Getriebe verwendet. Ein solches Getriebe zeichnet sich durch einfachen Aufbau, Schlupffreiheit und ein hohes Übersetzungsverhältnis aus. Insbesondere ist die Ausgangswelle des Motors dabei mit dessen elliptischem Wave Generator und das Flexspline mit dem Verbraucher gekoppelt. Wenn das Circular Spline an dem Motorgehäuse befestigt ist und die Torsionsstabeinheit zwischen der Motor-Getriebe-Einheit und einer Basis angeordnet ist, ergibt sich eine quasi elastische Aufhängung der Motor-Getriebe-Einheit, wobei Torsionskräfte über die Torsionsstabeinheit aufgefangen und ausgewertet werden können, so dass sich damit auch eine Sicherheit gegen Stöße von außen auf die Motor-Getriebe-Einheit ergibt und damit die Sicherheit eines Antriebs erhöht wird, wie es besonders im Roboterbau wichtig ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Motor-Getriebe-Einheit mit einem axial zur Antriebswelle des Motors angeordneten ersten Haltering versehen. Mit axialem Abstand zum ersten Haltering ist ein zweiter Haltering an der Basis befestigt. Die beiden Halteringe sind über in Axialrichtung und parallel zur Motorwelle verlaufende an dem Umfang der Halteringe ringförmig verteilt angeordnete Torsionsstäbe miteinander verbunden.
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Die Halteringe und Torsionsstäbe bilden damit eine Einheit mit der Wirkung eines Torsionsstabes, aber in Form eines Korbes mit freiem Innenraum. Diese Ausbildung erlaubt es in besonderes vorteilhafter Weise, den Motor in den Innenraum des Korbes zu verlagern, so dass die gesamte Axiallänge der Motor-Getriebe-Einheit einschließlich Torsionsstabeinheit äußerst kompakt gehalten werden kann, was besondere Vorteile im Roboterbau liefert. Mit der Erfindung lassen sich insbesondere Gelenkantriebe sehr klein bei gleichzeitig hoher Flexibilität und Regelbarkeit ausbilden.
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Die Torsionsstäbe zwischen den Halteringen sind insbesondere in umlaufend in den Halteringen ausgebildete Bohrungen fest eingesetzt. Die Torsionsstäbe bestehen vorzugsweise aus Vollmetall in Form von Rund- oder Rechteckstäben oder aus Metallröhren. Einige oder mehrere Torsionsstäbe können auch aus geeigneten Kunststoffen oder allgemein Polymeren gebildet sein, wobei diese elastisch, elastoplastisch oder viskoelastisch sein können. Durch Verwendung eines entsprechenden Kunststoff-Materials kann die Torsionsstabeinheit daher gleichzeitig ein Dämpfungsverhalten erhalten.
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Zur Ermittlung des an der Torsionsstabeinheit auftretenden Drehmoments kann ein Positionssensor, z.B. als optischer, kapazitiver oder induktiver Sensor zwischen erstem verdrehbarem Haltering und der Basis angeordnet sein, durch den jede sich aufgrund der Torsion ergebende Verdrehung des ersten Halterings gegenüber dem zweiten Haltering, bzw. der Basis, wenn der zweite Haltering fest an der Basis befestigt ist, erfasst wird und sich damit ein Drehmomentsignal errechnen lässt. Zusätzlich können für eine erhöhte Sicherheit der Torsionsstabeinheit Dehnungsmessstreifen oder andere zusätzliche Drehmoment- oder Positionssensoren zugeordnet werden, um eine Redundanz der Messung zu erreichen.
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Das erfasste Signal kann auf bekannte Weise zur Steuerung oder Regelung des Motors oder anderer Elemente einer anzutreibenden Einrichtung verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Robotergelenken.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Gesamtansicht einer Motor-Getriebe-Einheit mit einer Torsionsstabeinheit,
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2 eine Torsionsstabeinheit an einem Wellen-Getriebe,
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3 eine Darstellung einer Torsionsstabeinheit im belasteten Zustand, und
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4 eine schematische Seitenansicht auf ein Wellen-Getriebe.
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Die in 1 dargestellte Ansicht zeigt einen elektrischen Motor 2, z. B. einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Motorwelle 10, die in den Wave Generator 7 eines an sich bekannten Wellen-Getriebes 3 eingreift. Das Getriebe 3 ist fest am Gehäuse des Motors 2 zur Bildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt. In Radialrichtung ist das Getriebe größer als der Durchmesser des Motors.
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Der Wave Generator 7 des Getriebes lenkt beim Umlauf aufgrund seiner elliptischen Form das als Hülse ausgebildete Flexspline 6 des Getriebes aus. Der auf der radialen Aussenseite des Flexsplines 6 angeordnete Zahnkranz greift dabei jeweils punktförmig in die Innenverzahnung des das Flexspline 6 umgebenden Circular Splines 5 ein. Aufgrund einer unterschiedlichen Zahl von Zähnen von Flexspline 6 und Circular Spline 5 ergibt sich eine starke Drehzahlherabstufung an dem Flexspline 6 gegenüber der Motorwelle 10 des Motors 2.
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An dem Circular Spline ist ein erster Haltering 4 befestigt, der radial zur Motorwelle 10 angeordnet ist. Circular Spline und erster Haltering können auch als Einheit ausgebildet sein. In Achsrichtung der Motorwelle 10 ist an der Rückseite des Motors ein zweiter Haltering 5 ebenfalls radial zur Motorwelle 10 angeordnet, der an einer Basis 1 befestigt ist. Die Basis 1 kann ein Chassis eines Gehäuses sein oder jegliches anderes Konstruktionselement, gegenüber dem eine Drehung der Motorwelle vorgesehen ist. Bei einem Roboter kann die Basis 1 ein erstes Körperteil sein, gegenüber dem ein zweites Körperteil über die Motor-Getriebe-Einheit drehbar sein soll. Der zweite Haltering 5 kann auch als Scheibe oder in anderer Gestalt ausgebildet sein und sogar durch die Basis selbst gebildet sein, sofern diese eine ausreichende Stabilität aufweist.
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Die beiden Halteringe 4 und 5 sind miteinander über Torsionsstäbe 9 verbunden. Diese verlaufen in Radialrichtung parallel zur Motorwelle 10 und in Umfangsrichtung parallel zueinander. Sie sind auf einem Kreisumfang verteilt angeordnet und bilden zusammen mit den Halteringen 4 und 5 eine Art von Torsionskorb, in dem der Motor aufgenommen ist, wobei dieser allein an dem Getriebe 3 befestigt ist. Die Torsionsstäbe können rund, rechteckig, blattförmig oder rohrförmig ausgebildet sein. Sie sind fest in ringförmig umlaufende Bohrungen 12 der Halteringe durch Klemmkraft eingesetzt oder eingeschraubt. Sie können mit den Halteringen auch verschweißt oder verklebt sein. Optional ist es auch möglich, wenigstens einen Teil der Torsionsstäbe aus Polymeren auszubilden. Es können auch Torsionsstäbe verwendet werden, die plastisch verformbar sind. Dadurch lässt sich ein Torsionskorb herstellen, der unerwünschte Schwingungen reduzieren kann.
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Das Flexspline 6 des Getriebes 3 weist einen Anschluss für eine Abgangswelle 11 auf, die zu einem Verbraucher führt. Eine Eingangswelle eines Verbrauchers kann auch unmittelbar mit dem Flexspline verbunden sein.
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2 zeigt den Torsionskorb von 1 unter Weglassung des Motors in einer 3D-Ansicht. Der zweite Haltering 5 ist flanschartig ausgebildet und lässt sich über Schraubbefestigungen an einer Basis anbringen. Die Torsionsstäbe 9 sind in Bohrungen 12 der Halteringe 4 und 5 eingesetzt, wobei der erste Haltering 4 an dem Circular Spline des Getriebes 3 befestigt ist.
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3 zeigt eine FEM-Simulation der Auslenkung der Torsionsstäbe im belasteten Zustand des Torsionskorbes bei nicht dargestellter Motor-Getriebe-Einheit. Es ist zu erkennen, dass die Torsionsstäbe sich bei Verdrehung der Halteringe S-förmig verformen.
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4 zeigt eine schematische Seitenansicht des Getriebes 3 mit Motorwelle 10, Wave Generator 7, Flexspline 6 und Circular Spline 8, an dem der erste Haltering befestigt wird. An dem Circular Spline ist auch das Gehäuse des Motors befestigt.
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In einem ausgeführten Beispiel, in dem ein Drehmoment von 60 Nm erfasst werden sollte, wurden Halteringe mit einem Ringdurchmesser in der Ebene der Torsionsstäbe von 50 mm verwendet. Auf dem Umfang waren 17 Edelstahlstäbe mit einem jeweiligen Durchmesser von 2,1 mm angeordnet, die eine Länge von jeweils 60 mm zwischen den Halteringen aufwiesen. Bei dem Drehmoment von 60 Nm zeigte sind eine Auslenkung des ersten Halterings gegenüber dem zweiten Haltering von 3 Grad.
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Die Drehwinkelerfassung kann über an sich bekannte Sensoren, wie optische, kapazitive oder induktive Sensoren 13 zwischen der Basis und dem ersten Haltering 4 angeordnet sein. Das Sensorsignal kann auf eine Rechen-, Auswerte- und Regelschaltung gegeben werden, um den Motor zu steuern oder weitere vom erzeugten Drehmoment abhängige Parameter zu erfassen, einzustellen oder zu regeln.
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Ein Vorteil des Einsatzes der Erfindung liegt auch darin, dass durch die elastischen Eigenschaften der Torsionsstab-Einheit ein erhöhter Schutz gegen Stöße von außen auf die Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden kann. Die Torsionsstab-Einheit schützt auch sowohl gegen axiale als auch gegen radiale Schläge auf die Motor-Getriebe-Einheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Basis
- 2
- Motor
- 3
- Getriebe
- 4
- Erster Haltering
- 5
- Zweiter Haltering
- 6
- Flexspline
- 7
- Wave Generator
- 8
- Circular Spline
- 9
- Torsionsstäbe
- 10
- Motorwelle
- 11
- Abgangswelle
- 12
- Bohrungen
- 13
- Sensor
