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Die Erfindung betrifft eine Aktuatoreinheit mit einem harmonischen Getriebe, insbesondere für den Betrieb eines Roboters.
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Getriebemotoren stellen in der heutigen Automatisierungstechnik einen entscheidenden Anteil dar. Häufig werden Lorenzkraft-Aktuatoren mit Getrieben zusammen als kompakte Einheiten angeboten bzw. benötigt. In Hochleistungsantrieben kommen vermehrt bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz, wobei auch bürstenbehaftete Aktuatoren weiterhin noch verwendet werden. Im Allgemeinen besteht eine Aktuatoreinheit grundsätzlich aus einem Energiewandler, in diesem Fall aus einem elektromagnetischen Energiewandler, einer Elektronik, einer Rotorlagerung und durch die Verwendung von Getrieben bzw. Getriebestufen aus mindestens einer Abtriebslagerung.
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Üblicherweise wird insbesondere in der Robotik als Getriebe bzw. Getriebestufe ein harmonisches Getriebe verwendet. Bekannte harmonische Getriebe weisen ein von einem Motor angetriebenes elliptisches Scheibenelement auf. Wobei das elliptische Scheibenelement von einer flexiblen Hülse umgeben ist. Die flexible Hülse weist dabei eine Außenverzahnung auf. Weiterhin weist das harmonische Getriebe einen die flexible Hülse umgebenden Außenring auf, mit einer Innenverzahnung, welche in die Außenverzahnung der flexiblen Hülse eingreift. Dabei weist die Außenverzahnung der flexiblen Hülse weniger Zähne auf als die Innenverzahnung des Außenrings.
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Das harmonische Getriebe wird auch bezeichnet als Gleitkeilgetriebe, Spannungswellengetriebe oder Wellgetriebe. Auch hat sich die Bezeichnung als Harmonic-Drive-Getriebe® durchgesetzt, wobei es sich bei dieser Bezeichnung um eine Marke der Harmonic Drive AG handelt. Alle diese Bezeichnungen werden im Nachfolgenden synonym verwendet und bezeichnen allesamt das harmonische Getriebe der nachstehenden Beschreibung.
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Das harmonische Getriebe ist ein formschlüssiges Getriebe mit sehr wenig Spiel, einer relativ hohen Untersetzung (1:30 ... 1:160) und einer hohen Momentenübertragungsfähigkeit bei vergleichsweise sehr geringem Gewicht und Bauraum. Aus diesem Grund sind Aktuatoreinheiten, insbesondere in der Robotik, häufig mit diesen Getrieben ausgestattet.
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Ein harmonisches Getriebe stellt besondere Anforderungen an die Präzision der Rundlauf- und Planlaufgenauigkeit der Welle, welche am Eingang des Getriebes am elliptischen Scheibenelement angeschlossen ist. In einer bekannten Ausführung eines harmonischen Getriebes wird hier sogar noch eine Kopplung vorgesehen, die möglichen radialen Versatz ausgleichen kann. Bei der Kupplung kann es sich bspw. um eine sogenannte Oldham Kopplung handeln.
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Bei bekannten Aktuatoreinheiten mit einem harmonischen Getriebe wird der Rotor mit einer separaten Lagerung versehen (Fest-Los-Lagerung), welche den Rotor fixiert und diesen wiederum fest mit dem elliptischen Scheibenelement des harmonischen Getriebes verbindet. Das wird zwangsläufig zu Spannungen führen, da das elliptische Scheibenelement des Getriebes eine Walgbewegung vollzieht, um einen Zahnfortlauf in der Untersetzung auszuführen. Auch ist es hierbei typischerweise erforderlich ein separates Lager für das elliptische Scheibenelement vorzusehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aktuatoreinheit mit einem harmonischen Getriebe zu schaffen, bei welchem der Aufbau vereinfacht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Aktoratoreinheit nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Aktuatoreinheit, insbesondere für den Betrieb eines Roboters, weist einen Motor auf, mit einem Rotor und einem Stator. Bei dem Motor handelt es sich insbesondere um einen bürstenlosen Motor. Weiter weist die Aktuatoreinheit erfindungsgemäß ein harmonisches Getriebe auf mit einem vom Motor angetriebenen elliptischen Scheibenelement. Das elliptische Scheibenelement ist dabei von einer flexiblen Hülse umgeben, welche eine Außenverzahnung aufweist. In die Außenverzahnung der flexiblen Hülse greift eine Innenverzahnung eines die flexible Hülse umgebenden Außenrings ein. Durch die Drehung des elliptischen Scheibenelements erfolgt eine Übersetzungsbewegung der flexiblen Hülse, welche als Antrieb genutzt werden kann. Hierzu weist das Scheibenelement ein Lager auf, welches insbesondere am Außenumfang des Scheibenelements angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist dabei das Scheibenelement unmittelbar mit dem Rotor verbunden. Somit wird keine zusätzliche Kupplung zwischen dem Rotor des Motors und dem Scheibenelement vorgesehen. Hierdurch wird der Aufbau vereinfacht. Die Verbindung des Scheibenelements mit dem Rotor ist insbesondere fest, so dass eine Kraftübertragung vom Motor auf das Scheibenelement möglich ist. Vorzugsweise ist die Verbindung des Scheibenelements und des Rotors darüber hinaus spielfrei, so dass eine Kraftübertragung vom Motor auf das Scheibenelement insbesondere ohne Schlupf erfolgen kann auch bei Lastwechseln. Die Verbindung des Scheibenelements mit dem Rotor kann dabei mehrteilig ausgebildet sein, bspw. als spielfreie, in axialer Richtung lösbare Steckverbindung. Vorzugsweise ist jedoch das Scheibenelement mit dem Rotor einstückig ausgebildet und besonders bevorzugt werden der Rotor und das Scheibenelement in einer Aufspannung gefertigt, um eine möglichst präzise Ausgestaltung von Rotor- und Scheibenelement zu ermöglichen. Durch diesen Aufbau wird die Konstruktion der Aktuatoreinheit weiter vereinfacht ohne die Vorteile des harmonischen Getriebes wie bspw. das geringe Spiel und die hohe Momentübertragungsfähigkeit zu reduzieren.
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Insbesondere ist der Rotor genau durch ein Lager gelagert. Vorzugsweise erfolgt diese Lagerung unmittelbar, so dass das Lager unmittelbar mit dem Rotor verbunden ist. Somit weist die Aktuatoreinheit genau ein Lager im Bereich des Motors auf. Vorzugsweise weist die gesamte Aktuatoreinheit insgesamt genau zwei Lager auf, nämlich ein Lager für das Scheibenelement und genau ein Lager für den Rotor. Somit kann hierdurch ein zweites Lager für den Rotor vermieden werden, da für die Lagerung des Rotors das Lager des Scheibenelements mitgenutzt wird. Dies wird ermöglicht durch die unmittelbare Verbindung des Scheibenelements mit dem Rotor und insbesondere da diese Verbindung fest und spielfrei erfolgt. Hierbei wird also das Lager, welches sich sowieso am Scheibenelement des harmonischen Getriebes befindet, verwendet, um das Loslager der Rotorlagerung zu bilden. Das genau eine Lager des Rotors ist dabei insbesondere als Festlager ausgeführt. Dies ist erforderlich, da das Scheibenelement drehrichtungsabhängige axiale Kräfte aufbringt. Mit dieser Lagerung ist der Rotor auf der einen Seite fest gelagert und auf der anderen Seite lose über das Scheibenelement gelagert.
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Vorzugsweise ist das genau eine Lager im Wesentlichen mittig am Rotor angeordnet bzw. gelagert. Das Loslager des Scheibenelements vollzieht eine leichte ellipsenförmige Bewegung, welche jedoch den Motor nicht negativ beeinflusst, sofern dafür Sorge getragen ist, dass die Taumelbewegung des Rotors nicht groß ist. Dieses erreicht man dadurch, dass die Lagerung des Rotors nach Möglichkeit im Zentrum des Motors liegt, bzw. nur einen geringen Versatz aufweist. Hierbei kann somit von dem exakten Zentrum bzw. der exakten mittigen Anordnung des Lagers am Rotor abgewichen werden, um die Taumelbewegung des Rotors zu reduzieren falls dies erforderlich ist. Insbesondere kann das Lager am Massemittelpunkt des Rotors angeordnet werden, welcher nicht zwingend bei einer entsprechenden Ausformung des Rotors mit der geometrischen Mitte zusammenfällt.
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Vorzugsweise weist der Rotor an seinem dem harmonischen Getriebe zuweisenden Ende kein Lager auf. Diese Lager wird wie oben beschrieben durch das Lager des Scheibenelements ersetzt, so dass ein separates Lager an dem dem harmonischen Getriebe zuweisenden Ende nicht mehr erforderlich ist, wodurch ein Lager eingespart werden kann.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Lagern um Kugellager. Diese sind weit verbreitet und weisen einen einfachen Aufbau auf, wodurch ebenfalls der Aufbau der Aktuatoreinheit weiter vereinfacht werden kann. Insbesondere kann es sich dabei um Doppellager handeln.
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Vorzugsweise weist die Aktuatoreinheit ein das harmonische Getriebe und den Motor zumindest teilweise umgebendes gemeinsames Gehäuse auf. Hierdurch wird eine optimale Kraftübertragung gewährleistet, durch die gemeinsame Fixierung des Stators von dem Motor und des Außenrings von dem harmonischen Getriebe. Vorzugsweise wird das gemeinsame Gehäuse in einer Aufspannung gefertigt, um den Achsversatz zwischen dem Außenring des harmonischen Getriebes und dem Motorstator möglichst gering zu halten.
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Vorzugsweise weist der Außenring Vertiefungen auf, die formschlüssig in Erhebungen des Gehäuses aufgreifen. Alternativ hierzu weist der Außenring Erhebungen auf, die in entsprechende Vertiefungen im Gehäuse formschlüssig eingreifen. Somit wird ein Mitdrehen des Außenrings im Gehäuse durch die entsprechenden Vertiefungen und Erhebungen verhindert, wobei auf ein anfälliges Verkleben oder ein Verschrauben, welches das Gewicht der Aktuatoreinheit wesentlich erhöhen würde, verzichtet werden kann. Insbesondere ist die Aktuatoreinheit weitergebildet wie beschrieben in der Anmeldung desselben Anmelders mit demselben Anmeldetag, welche den Titel "harmonisches Getriebe" trägt. Alternativ oder zusätzlich ist die Aktuatoreinheit weitergebildete entsprechend der Anmeldung desselben Anmelders mit demselben Anmeldetag, welche den Titel "bürstenloser Gleichstrommotor" trägt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die anliegenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform und
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2 eine geschnittene Seitenansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Erfindungsgemäß weist die Aktuatoreinheit einen Motor 10 mit einem Stator 12 und einem Rotor 14 auf. Mit dem Rotor 14 ist unmittelbar ein harmonisches Getriebe 16 verbunden. Harmonisches Getriebe 16 und Motor 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 18 als Aktuatoreineit zusammengefasst.
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Das harmonische Getriebe 16 weist ein elliptisches Scheibenelement 20 auf, mit einem Doppellager 22, welche als Kugellager ausgebildet sind. Das elliptische Scheibenelement 20 ist von einer flexiblen Hülse 24 umgeben. Die flexible Hülse 24 weist eine Außenverzahnung (nicht dargestellt) auf und ist von einem Außenring 26 umgeben. Dabei weist der Außenring 26 eine Innenverzahnung auf (nicht dargestellt), die in die Außenverzahnung der flexiblen Hülse 24 eingreift. Das elliptische Scheibenelement 20 wird über den Motor 10 in Rotation versetzt, so dass eine Übersetzungsbewegung auf die flexible Hülse 24 erzeugt wird.
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Der Rotor ist unmittelbar genau durch ein Lager 28 gelagert. An dem zum harmonischen Getriebe weisenden Ende des Rotors 14 ist kein weiteres Lager vorgesehen. Hier erfolgt die Lagerung des Rotors 14 über die Lager 22 des elliptischen Scheibenelements 20. Somit weist die Aktuatoreinheit lediglich ein Lager 28 für den Rotor 14 sowie die Lager 22 für das Scheibenelement 20 auf. Keine weiteren Lager sind für den Betrieb der Aktuatoreinheit erforderlich.
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In der zweiten Ausführungsform gezeigt in 2 sind gleiche oder identische Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Auch in der zweiten Ausführungsform sind der Rotor und das Scheibenelement des harmonischen Getriebes unmittelbar miteinander verbunden und wie dargestellt insbesondere einstückig ausgebildet. Der Motor 10 weist dabei genau ein Lager 30 auf, welches mittig am Rotor angeordnet ist. Hierfür wird angenommen, dass sich der Rotor 14 bis zum Scheibenelement 20 erstreckt. Durch die im Wesentlichen mittige Anordnung des Lagers 30 in Bezug auf den Rotor 14 werden Taumelbewegungen des Rotors 14 reduziert. Hierbei wird das Lager 30 im Massenmittelpunkt des Rotors angeordnet.
