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Die Erfindung betrifft ein Schwenkgelenk für einen Roboterarm, mit zwei unter Vermittlung eines Schwenkantriebes miteinander gekoppelten und bezüglich einer durch den Schwenkantrieb definierten Schwenkachse relativ zueinander verschwenkbaren ersten und zweiten Schwenkteilen, wobei der Schwenkantrieb ein fluidbetätigter Schwenkantrieb ist, der ein Antriebsgehäuse mit zwei gemeinsam eine Gehäusekammer begrenzenden, axial aneinander angesetzten ersten und zweiten Gehäuseschalen sowie einen in der Gehäusekammer angeordneten, durch Fluidbeaufschlagung verschwenkbaren und drehfest mit einer Abtriebswelle verbundenen Schwenkkolben aufweist, wobei die erste Gehäuseschale ein Bestandteil des ersten Schwenkteils ist und wobei das zweite Schwenkteil durch eine Drehlagereinrichtung außen an der zweiten Gehäuseschale diesbezüglich unter radialer und axialer Abstützung verschwenkbar gelagert und außerdem drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Roboterarm, der mit mindestens einem solchen Schwenkgelenk ausgestattet ist.
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Ein derartiges Schwenkgelenk und ein mit einem solchen Schwenkgelenk ausgestatteter Roboterarm sind in der
US 5 261 316 A beschrieben. Das Schwenkgelenk umfasst zwei unter Vermittlung eines fluidbetätigten Schwenkantriebes verschwenkbar miteinander verbundene erste und zweite Schwenkteile. Der Schwenkantrieb hat einen Schwenkkolben, der in einem Antriebsgehäuse aufgenommen ist, das sich aus einer ersten und einer zweiten Gehäuseschale zusammensetzt. An dem Schwenkkolben ist eine das Antriebsgehäuse durchsetzende Abtriebswelle befestigt, die an ihrem aus der ersten Gehäuseschale herausragenden Endabschnitt mit dem zweiten Schwenkteil drehfest verbunden ist, wobei das zweite Schwenkteil an der zweiten Gehäuseschale mittels einer Drehlagereinrichtung drehbar gelagert ist.
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Ein aus der
GB 2 132 274 A bekannter Roboterarm hat ebenfalls ein Schwenkgelenk mit zwei verschwenkbar miteinander verbundenen Schwenkteilen, die durch einen fluidbetätigten Schwenkantrieb relativ zueinander verschwenkbar sind.
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Aus der
EP 1 738 880 A1 ist ein als Manipulator bezeichneter Roboter bekannt, der mit mehreren Roboterarmen ausgestattet ist, die jeweils mindestens ein Schwenkgelenk beinhalten, deren Schwenkachsen jeweils ein Schwenkantrieb zugeordnet ist. Die Schwenkantriebe ermöglichen die Erzeugung relativer Schwenkbewegungen zwischen zwei Schwenkteilen des betreffenden Roboterarms, um Werkzeuge oder Werkstücke handhaben zu können, die mittels einer an dem Roboterarm angeordneten Greifvorrichtung ergriffen werden.
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Aus der
DE 33 37 422 A1 und aus der
DE 195 11 488 C2 geht jeweils ein als Schwenkkolbenmotor bezeichneter Schwenkantrieb hervor, der einen in einem Antriebsgehäuse untergebrachten, durch Fluidkraft zu einer Schwenkbewegung antreibbaren Schwenkkolben aufweist, der mit einer Abtriebswelle verbunden ist, an der sich die Schwenkbewegung des Schwenkkolbens als Drehbewegung abgreifen lässt. Solche Schwenkkolbenmotoren können zum Verschwenken eines Roboterarms eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzuschlagen, die eine kostengünstige Realisierung eines kompakten Schwenkgelenkes und eines damit ausgestatteten Roboterarms ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Schwenkgelenk der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Abtriebswelle mit einem Abtriebsabschnitt aus der zweiten Gehäuseschale herausragt und drehfest mit dem zweiten Schwenkteil verbunden ist, wobei das zweite Schwenkteil mit einem haubenförmigen Lagerungsabschnitt auf die zweite Gehäuseschale aufgesetzt ist und der aus der zweiten Gehäuseschale herausragende Abtriebsabschnitt der Abtriebswelle drehfest in den Lagerungsabschnitt eingreift.
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Die Erfindung wird ferner durch einen Roboterarm gelöst, der mit mindestens einem in dem vorgenannten Sinne ausgebildeten Schwenkgelenk ausgestattet ist. Der Roboterarm kann über nur ein einziges Schwenkgelenk oder über mehrere in Reihe geschaltete Schwenkgelenke verfügen, um mehrachsige Bewegungen hervorrufen zu können.
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Das erfindungsgemäße Schwenkgelenk verfügt über einen fluidbetätigten Schwenkantrieb, der gesteuert mit einem Antriebsfluid, insbesondere mit Druckluft, beaufschlagbar ist, um eine relative Schwenkbewegung zwischen den beiden zugeordneten Schwenkteilen um eine durch den Schwenkantrieb definierte Schwenkachse hervorzurufen. Die beiden Schwenkteile können beispielsweise nach Art eines Kniegelenks jeweils einem von zwei Armabschnitten eines Roboterarms zugeordnet sein, um ein Abknicken des Roboterarms zu ermöglichen. Der Schwenkantrieb hat ein Antriebsgehäuse, in dem ein aufgrund der möglichen Schwenkbewegung als Schwenkkolben bezeichneter Antriebskolben aufgenommen ist, der durch eine gesteuerte Fluidbeaufschlagung zu einer hin und her gehenden Schwenkbewegung angetrieben werden kann, die auf die Abtriebswelle übertragen wird. Das Antriebsgehäuse enthält zwei mit ihren offenen Seiten voraus aneinander angesetzte erste und zweite Gehäuseschalen, von denen die erste Gehäuseschale ein Bestandteil des ersten Schwenkteils ist. Die Abtriebswelle ist mit dem zweiten Schwenkteil in einer die Übertragung eines Drehmoments ermöglichenden Weise gekoppelt, wobei eine Besonderheit darin besteht, dass das zweite Schwenkteil mittels einer Drehlagereinrichtung außen an der zweiten Gehäuseschale verschwenkbar gelagert ist, sodass es sich bezüglich der zweiten Gehäuseschale axial und radial abstützen kann. Dadurch werden in das zweite Schwenkteil eingeleitete externe Kräfte von der zweiten Gehäuseschale und das mit dieser Gehäuseschale verbundene erste Schwenkteil aufgenommen, was die Abtriebswelle von Querkräften entlastet und die Verschleißanfälligkeit reduziert. Die relevanten Komponenten sind auf engstem Raum zusammengefasst, sodass das Schwenkgelenk mit kompakten Abmessungen realisiert werden kann. Mit Hilfe des fluidbetätigten Schwenkantriebes kann durch aufeinander abgestimmte Fluidbeaufschlagung der durch den Schwenkkolben in der Gehäusekammer voneinander abgeteilten Arbeitsräume eine präzise winkelmäßige Positionierung zwischen den beiden Schwenkteilen vorgenommen werden und es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, über die Höhe der anstehenden Fluiddrücke die Steifigkeit des Schwenkgelenkes variabel nach Bedarf vorzugeben. Dadurch lässt sich insbesondere auch das mit dem Betrieb eines Roboters zusammenhängende Gefährdungspotential minimieren.
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Die Abtriebswelle ragt mit einem Abtriebsabschnitt aus der zweiten Gehäuseschale heraus und ist über diesen Abtriebsabschnitt drehfest mit dem zweiten Schwenkteil verbunden. Das zweite Schwenkteil verfügt über einen haubenförmigen Lagerabschnitt, mit dem es axial auf die zweite Gehäuseschale aufgesetzt ist und der mit der Drehlagereinrichtung kooperiert. Der aus der zweiten Gehäuseschale herausragende Abtriebsabschnitt der Abtriebswelle greift drehfest in den Lagerabschnitt ein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die für die sowohl radiale als auch axiale Abstützung zwischen dem zweiten Schwenkteil und der zweiten Gehäuseschale verantwortliche Drehlagereinrichtung ist vorzugsweise als eine Wälzlagereinrichtung konzipiert, wobei als Wälzlagerelemente bevorzugt Kugelkörper zum Einsatz kommen.
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Eine besonders hohe Belastbarkeit in Verbindung mit einer einfachen Montage ergibt sich, wenn die Drehlagereinrichtung einen die zweite Gehäuseschale koaxial umschließenden Kranz aus einer Vielzahl von Wälzelementen aufweist, die sich jeweils über zwei zu der Schwenkachse koaxiale und relativ zueinander axial beabstandete Lagerdrähte einerseits an der zweiten Gehäuseschale und andererseits an dem zweiten Schwenkteil abstützen. Dadurch kann auch verhindert werden, dass die zweite Gehäuseschale und das zweite Schwenkteil einem relevanten Verschleiß ausgesetzt sind.
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Das Lagerspiel der Drehlagereinrichtung lässt sich präzise und dennoch bequem einstellen, wenn das zweite Schwenkteil einen unter Vermittlung der Drehlagereinrichtung auf der zweiten Gehäuseschale sitzenden, im Bereich der Drehlagereinrichtung ein Außengewinde aufweisenden Lagerungskörper sowie einen die zweite Gehäuseschale koaxial umschließenden, mit einem Innengewinde axial verstellbar auf den Lagerungskörper aufgeschraubten Einstellring aufweist, wobei von den beiden mit dem zweiten Schwenkteil zusammenwirkenden Lagerdrähten der eine Lagerdraht an dem Lagerungskörper und der andere Lagerdraht an dem Einstellring abgestützt ist. Durch mehr oder weniger weites axiales Aufschrauben des Einstellringes auf den Basiskörper lässt sich der Abstand der beiden dem zweiten Schwenkteil zugeordneten Lagerdrähte variieren und dementsprechend die interne Lagervorspannung, sodass die vorteilhafte Möglichkeit besteht, die Drehlagereinrichtung sowohl in der axialen Richtung der Schwenkachse als auch in der dazu radialen Richtung spielfrei zu justieren.
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Beispielsweise verfügt der Abtriebsabschnitt der Abtriebswelle über eine unrunde Außenkontur und ist in eine dazu komplementäre Ausnehmung des zweiten Schwenkteils eingesteckt. Das Einstecken kann insbesondere unmittelbar beim Aufsetzen des zweiten Schwenkteils auf die zweite Gehäuseschale stattfinden, sodass sich ein gesonderter Montagevorgang erübrigt.
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Bevorzugt ist ein dem Abtriebsabschnitt entgegengesetzter Endabschnitt der Abtriebswelle dazu vorgesehen, mit einer an der ersten Gehäuseschale angeordneten Erfassungseinrichtung zusammenzuarbeiten, die in der Lage ist, die Drehposition und/oder die Drehbewegung der Abtriebswelle zu erfassen und die ermittelten Daten einer elektronischen Steuereinrichtung zuzuführen, die zur Steuerung des Betriebs eines mit dem Schwenkgelenk ausgestatteten Roboterarms vorgesehen ist.
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Der fluidbetätigte Schwenkantrieb ist vorzugsweise zur Betätigung mittels Druckluft als pneumatischer Schwenkantrieb ausgelegt. Dadurch können leckagebedingte Verschmutzungen vermieden werden. Außerdem lassen sich sehr hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden relativ zueinander verschwenkbaren Schwenkteilen hervorrufen. Grundsätzlich kann der fluidbetätigte Schwenkantrieb aber auch zur Betätigung mit einem anderen Antriebsfluid ausgebildet sein, beispielsweise als hydraulischer Schwenkantrieb.
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Das erste Schwenkteil ist zweckmäßigerweise mit einem ersten mechanischen Schnittstellenabschnitt ausgestattet, der zusätzlich zu der ersten Gehäuseschale vorhanden ist und der die vorteilhafte Möglichkeit bietet, eine mechanische Verbindung des ersten Schwenkteils mit einer weiteren Roboterarmkomponente herzustellen. Dieser erste mechanische Schnittstellenabschnitt ist bevorzugt, ebenso wie die erste Gehäuseschale, einstückig in das erste Schwenkteil integriert. Beispielsweise kann das erste Schwenkteil insgesamt einstückig aus einem starren Material, insbesondere aus Aluminiummaterial, hergestellt sein.
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Das zweite Schwenkteil ist zweckmäßigerweise ebenfalls mit einem mechanischen Schnittstellenabschnitt ausgestattet, der zur besseren Unterscheidung als zweiter mechanischer Schnittstellenabschnitt bezeichnet wird und der ebenfalls die Möglichkeit bietet, eine mechanische Verbindung mit einer weiteren Roboterarmkomponente herzustellen. Dieser zweite mechanische Schnittstellenabschnitt ist bevorzugt einstückig in das zweite Schwenkteil integriert, das somit ebenfalls kostengünstig mit hoher Stabilität gefertigt werden kann, beispielsweise einstückig aus einem Aluminiummaterial.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Schwenkgelenkes ist der erste mechanische Schnittstellenabschnitt als ein Lagerungsabschnitt ausgebildet, der dazu geeignet ist, unter Vermittlung einer weiteren Drehlagereinrichtung in vergleichbarer Weise wie das zweite Schwenkteil als Komponente eines weiteren Schwenkgelenkes verwendet zu werden. Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der an dem zweiten Schwenkteil vorhandene zweite mechanische Schnittstellenabschnitt als eine Gehäuseschale ausgebildet ist, die mit gleicher Funktionalität wie die erste Gehäuseschale dazu nutzbar ist, zwecks Ausbildung eines zu dem Schwenkgelenk in Reihe geschalteten weiteren Schwenkgelenkes mit einer weiteren Roboterarmkomponente verbunden zu werden.
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Auf diese Weise kann die Möglichkeit geschaffen werden, zur Realisierung eines eine mehrachsige Beweglichkeit aufweisenden Roboterarms mehrere Schwenkgelenke in Reihe zu schalten, deren mechanische Schnittstellenabschnitte vom gleichen Typ sind und sich lediglich in ihren Abmessungen eventuell voneinander unterscheiden.
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Der erfindungsgemäße Roboterarm enthält bei einer bevorzugten Ausführungsform mehrere in Reihe geschaltete Schwenkgelenke, wobei die beiden jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Schwenkgelenke durch unter Zwischenschaltung einer zweiten Gehäuseschale und einer Drehlagereinrichtung erfolgende Kopplung zweier Schwenkteile miteinander verbunden sind.
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Zweckmäßigerweise gehört zu dem Roboterarm auch ein anwendungsspezifisch ausgewählter Endeffektor, der an einem der beiden Schwenkteile eines der Schwenkgelenke des Roboterarms befestigbar oder befestigt ist und der durch fluidische Ansteuerung des oder der fluidbetätigten Schwenkantriebe(s) nach Bedarf bewegbar und positionierbar ist. Wenn der Roboterarm als Bestandteil eines zur Handhabung von Gegenständen dienenden Roboters eingesetzt wird, ist der Endeffektor als Greifeinrichtung ausgebildet, beispielsweise als mechanische Greifeinrichtung oder als Sauggreifeinrichtung. Der Endeffektor kann aber auch von einem anderen Typ sein und beispielsweise als ein Schweißgerät oder als eine Schweißelektrode ausgebildet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwenkgelenkes in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie I-I aus 2 und 3, wobei ein strichpunktiert umrahmter Ausschnitt nochmals separat vergrößert abgebildet ist,
- 2 das Schwenkgelenk aus 1 in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie II-II aus 1 und 3,
- 3 eine Stirnansicht des Schwenkgelenkes der 1 und 2 mit Blickrichtung gemäß Pfeil III aus 1 und 2, und
- 4 in einem Längsschnitt einen Teilbereich eines Roboterarmes, der unter Verwendung mehrerer in Reihe geschalteter Schwenkgelenke der in 1 bis 3 gezeigten Art aufgebaut ist.
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Die 1 bis 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwenkgelenks 1, das gemäß 4 in einen beweglichen Roboterarm 2 integriert sein kann.
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Das Schwenkgelenk 1 verfügt über ein erstes Schwenkteil 3 und ein diesbezüglich um eine Schwenkachse 5 verschwenkbares zweites Schwenkteil 4. Die Schwenkachse 5 ist durch einen fluidbetätigten Schwenkantrieb 6 definiert, über den die beiden Schwenkteile 3, 4 mechanisch miteinander gekoppelt sind und der durch gesteuerte Fluidbeaufschlagung ein zwischen den beiden Schwenkteilen 3, 4 wirksames Drehmoment erzeugen kann, aus dem eine durch einen Doppelpfeil angedeutete relative Schwenkbewegung 7 zwischen den beiden Schwenkteilen 3, 4 bezüglich der Schwenkachse 5 resultiert.
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Der fluidbetätigte Schwenkantrieb 6 ist vorzugsweise ein pneumatischer Schwenkantrieb und wird mit Druckluft als Antriebsmedium betrieben. Er kann allerdings auch für einen Betrieb mit anderen unter Druck stehenden Fluidarten ausgelegt sein.
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Der im Folgenden zur Vereinfachung auch nur noch als „Schwenkantrieb“ bezeichnete fluidbetätigte Schwenkantrieb 6 verfügt über ein Antriebsgehäuse 8, das eine Gehäusekammer 12 umschließt. Das Antriebsgehäuse 8 setzt sich aus zwei mit ihren Öffnungen 19 voraus aneinander angesetzten ersten und zweiten Gehäuseschalen 13, 14 zusammen. Jede Gehäuseschale 13, 14, die bevorzugt becherförmig gestaltet ist, hat eine Schalenwand 15 bestehend aus einer zur zugeordneten Öffnung 19 beabstandeten axialen Bodenwand 16 und einer sich daran anschließenden, sich bis zur zugeordneten Öffnung 19 erstreckenden peripheren Umfangswand 17. Jede Umfangswand 17 geht an der der Bodenwand 16 entgegengesetzten Axialseite, also im Bereich der jeweils zugeordneten Öffnung 19 zweckmäßigerweise in einen nach radial außen vorstehenden, ringförmigen Befestigungsflansch 18 über.
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Die beiden Gehäuseschalen 13, 14 sind mit ihren Befestigungsflanschen 18 aneinander angesetzt und an den Befestigungsflanschen 18 durch Befestigungsmittel 22 in bevorzugt lösbarer Weise fest miteinander verbunden, wobei es sich bei den Befestigungsmitteln 22 insbesondere um Schraubverbindungsmittel handelt. Beispielsweise ist jeder Befestigungsflansch von einem Kranz von Befestigungslöchern durchsetzt, in die jeweils eine Befestigungsschraube so einsetzbar ist, dass sie miteinander fluchtende Befestigungslöcher der beiden Befestigungsflansche 18 durchsetzt. Bevorzugt sind die Befestigungslöcher des jeweils einen Befestigungsflansches 18 mit einem Innengewinde versehen, in das die sich mit ihrem Schraubenkopf am anderen Befestigungsflansch 18 abstützende Befestigungsschraube einschraubbar ist. Die Befestigungsmittel 22 sind nur schematisch strichpunktiert angedeutet.
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Die axiale Länge der beiden peripheren Umfangswände kann prinzipiell gleichgroß sein. Als vorteilhafter wird es jedoch angesehen, wenn die Umfangswand 17 der ersten Gehäuseschale 13 eine geringere Länge hat als die Umfangswand 17 der zweiten Gehäuseschale 14. Dadurch haben die von den beiden Gehäuseschalen 13, 14 definierten, gemeinsam die Gehäusekammer 12 bildenden Teilkammern eine voneinander abweichende axiale Tiefe.
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Das Antriebsgehäuse 8 hat eine Längsachse 23, die zweckmäßigerweise mit der Schwenkachse 5 zusammenfällt. Die beiden Bodenwände 16 und die beiden Befestigungsflansche 18 erstrecken sich insbesondere in einer zu der Längsachse 23 rechtwinkeligen Ebene, während sich die peripheren, beispielsweise hohlzylindrischen Umfangswände 17 rings um die Längsachse 23 herum erstrecken.
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Koaxial durch die Gehäusekammer 12 hindurch erstreckt sich eine Abtriebswelle 24, die die beiden Bodenwände 16 in drehbeweglicher Weise durchsetzt, wobei sie zweckmäßigerweise durch in die Bodenwände 16 eingesetzte Lagermittel 25 relativ zum Antriebsgehäuse 8 drehbar gelagert und zugleich radial abgestützt ist. Zusätzlich können Abdichtmaßnahmen vorgesehen sein, um in den von der Abtriebswelle 24 durchdrungenen Bereichen des Antriebsgehäuses 8 eine Abdichtung der Gehäusekammer 12 zur Umgebung hin zu bewirken. Die Längsachse 23 der Abtriebswelle 24 definiert gleichzeitig eine Drehachse der Abtriebswelle 24 und fällt mit der Schwenkachse 5 zusammen.
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Im Innern der Gehäusekammer 12 befindet sich ein drehfest mit der Abtriebswelle 24 verbundener Schwenkkolben 26, der unter Abdichtung gleitverschieblich an der Innenfläche der beiden Schalenwände 15 anliegt und gemeinsam mit einer gehäusefesten Trennwand 27 die Gehäusekammer 12 in zwei Antriebsräume 12a, 12b unterteilt. Bevorzugt ist die Gehäusekammer 12 originär kreiszylindrisch konturiert, wobei die Trennwand 27 von einem in die Gehäusekammer 12 eingesetzten gesonderten Trennwandelement gebildet ist.
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Der Schwenkkolben 26 hat einen zu der Schwenkachse 5 koaxialen Buchsenabschnitt 26a, der unter Abdichtung gleitverschieblich an der Trennwand 27 anliegt und von dem ein Antriebsflügel 26b radial absteht, der einen Zwischenraum zwischen dem Buchsenabschnitt 26a und den beiden peripheren Umfangswänden 17 überbrückt.
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Exemplarisch hat der Schwenkkolben 26 im Bereich des Buchsenabschnittes 26a eine unrunde und bevorzugt als Innenmehrkant ausgebildete axiale Durchbrechung, die von der Abtriebswelle 24 mit einem komplementär profilierten Abschnitt durchsetzt ist, sodass sich eine drehfeste Verbindung zwischen dem Buchsenabschnitt 26a und der Abtriebswelle 24 ergibt.
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Bei einer nicht abgebildeten alternativen Ausführungsform sind der Buchsenabschnitt 26a und die Abtriebswelle 24 einstückig ausgebildet.
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Der gesamte Schwenkkolben 26 ist an seiner Außenfläche zweckmäßigerweise von einem gummielastischen Dichtungsmantel 28 überzogen, der den Dichtkontakt zu der Trennwand 27 und zu den Innenflächen des Antriebsgehäuses 8 herstellt, sodass die beiden Antriebsräume 12a, 12b stets fluiddicht voneinander abgetrennt sind.
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In die beiden Antriebsräume 12a, 12b mündet jeweils eine eigene Steueröffnung 32, die die Wandung des Antriebsgehäuses 8 durchsetzt und durch die hindurch das schon angesprochene Antriebsfluid in gesteuerter Weise zuführbar und abführbar ist. Dieses Antriebsfluid kann durch Einwirkung auf den Antriebsflügel 26b ein Drehmoment auf den Schwenkkolben 26 ausüben, um den Schwenkkolben 26 zu einer durch einen Doppelpfeil verdeutlichten hin und her gehenden Schwenkbewegung 33 anzutreiben, die im Folgenden auch als Antriebsbewegung 33 bezeichnet wird. Der Schwenkkolben 26 wird dabei um die Schwenkachse 5 verschwenkt, wobei sich die Volumina der beiden Antriebsräume 12a, 12b gegensinnig vergrößern und verkleinern.
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Die Fluidzufuhr und Fluidabfuhr bezüglich der Steueröffnungen 32 erfolgt insbesondere mittels nicht weiter abgebildeter Fluidleitungen, insbesondere elastisch verformbarer Fluidschläuche, unter Vermittlung einer Steuerventileinrichtung.
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Aus der schwenkenden Antriebsbewegung 33 des Schwenkkolbens 26 resultiert unmittelbar eine Drehbewegung der Abtriebswelle 24 um ihre Längsachse, die als Abtriebsbewegung 34 bezeichnet sei und die wiederum in der nachstehend erläuterten Weise die relative Schwenkbewegung 7 zwischen den beiden Schwenkteilen 3, 4 hervorruft.
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Die erste Gehäuseschale 13 ist ein Bestandteil des ersten Schwenkteils 3. Bevorzugt hat das erste Schwenkteil 3 einen starren und einstückigen ersten Schwenkteilkörper 30, der unter anderem die erste Gehäuseschale 13 definiert. Folglich ist die Abtriebswelle 24 bei ihrer durch die Antriebsbewegung 33 des Schwenkkolbens 26 hervorgerufenen rotativen Abtriebsbewegung 34 relativ zu dem ersten Schwenkteil 3 verdrehbar.
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Das zweite Schwenkteil 4 ist außerhalb des Antriebsgehäuses 8 drehfest mit der Abtriebswelle 24 verbunden. Bei der rotativen Abtriebsbewegung 34 der Abtriebswelle 24 wird das zweite Schwenkteil 4 unter Ausführung der Schwenkbewegung 7 von der Abtriebswelle 24 mitgenommen. Das dafür erforderliche Drehmoment wird durch das Antriebsfluid erzeugt, das in den beiden Antriebsräumen 12a, 12b der Gehäusekammer 12 jeweils einerseits auf den Antriebsflügel 26b und andererseits auf die gehäusefeste Trennwand 27 einwirkt.
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Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die beiden Antriebsräume 12a, 12b mit unter gleichem Fluiddruck stehendem Antriebsfluid zu speisen, um den Schwenkkolben 26 unverdrehbar zwischen zwei Fluidpolstern einzuspannen und dadurch die beiden Schwenkteile 3, 4 vorübergehend unverdrehbar miteinander zu verspannen. Die daraus resultierende Steifigkeit des Schwenkgelenkes 1 kann durch die Höhe der identischen Fluiddrücke beeinflusst werden, sodass insbesondere die Möglichkeit besteht, die Einspannkräfte so zu wählen, dass die beiden Schwenkteile 3, 4 bei Einwirkung externer Kräfte von vorbestimmter Höhe relativ zueinander verschwenkbar sind und quasi nachgeben können.
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Zweckmäßigerweise durchsetzt die Abtriebswelle 24 die axiale Bodenwand 16 der zweiten Gehäuseschale 14 und ragt mit einem als Abtriebsabschnitt 35 bezeichneten Endabschnitt axial aus dem Antriebsgehäuse 8 heraus. Dieser Abtriebsabschnitt 35 ist drehfest, das heißt in einer eine Übertragung eines Drehmomentes ermöglichenden Weise mit dem zweiten Schwenkteil 4 verbunden.
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Diese drehfeste Verbindung ist vorzugsweise mittels einer Steckverbindung realisiert, indem das zweite Schwenkteil 4 mit einer Steckaufnahme 36 axial auf den Abtriebsabschnitt 35 aufgesteckt ist. Abtriebsabschnitt 35 und Steckaufnahme 36 haben einen unrunden, beispielsweise rechteckigen Querschnitt, um die gewünschte Drehmomentübertragung zu ermöglichen.
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Das zweite Schwenkteil 4 ist durch eine Drehlagereinrichtung 37 außen an der zweiten Gehäuseschale 14 drehbar gelagert, wobei die von der Drehlagereinrichtung 37 definierte Drehachse mit der Schwenkachse 5 zusammenfällt. Durch die Drehlagereinrichtung 37 ist das zweite Schwenkteil 4 bezüglich der zweiten Gehäuseschale 14 in sowohl axialer als auch radialer Richtung abgestützt. Bei der axialen Richtung handelt es sich um die Achsrichtung der Schwenkachse 5, bei der radialen Richtung handelt es sich um jede zu der Schwenkachse 5 rechtwinkelige Richtung.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass im Betrieb des Schwenkgelenks 1 auf das zweite Schwenkteil 4 einwirkende externe Kräfte ausschließlich eine drehmomentmäßige Reaktionskraft auf die Abtriebswelle 24 ausüben können, während alle sonstigen Kräfte, insbesondere Querkräfte, Kippkräfte und Schubkräfte, durch die zusätzliche Drehlagereinrichtung 37 aufgenommen und in die zweite Gehäuseschale 14 eingeleitet werden, die ihrerseits starr mit dem ersten Schwenkteil 3 verbunden ist. Folglich wirken die vorgenannten Kräfte quasi nur direkt zwischen den beiden Schwenkteilen 3, 4 unter Umgehung der Abtriebswelle 24, die folglich ebenso wie die ihr zugeordneten Lagermittel 25 vor übermäßigem Verschleiß geschützt ist.
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Die Steckaufnahme 36 ist Bestandteil eines Lagerungsabschnittes 38 des zweiten Schwenkteils 4, wobei dieser Lagerungsabschnitt 38 insbesondere von einem Abschnitt eines starren und einstückigen zweiten Schwenkteilkörpers 31 des zweiten Schwenkteils 4 gebildet ist. Der Lagerungsabschnitt 38 bildet oder hat einen die zweite Gehäuseschale 14 koaxial umschließenden Ringabschnitt 42, der der Drehlagereinrichtung 37 zugeordnet ist.
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Bevorzugt ist der Lagerungsabschnitt 38 haubenförmig ausgebildet und hat einen sich an den Ringabschnitt 42 anschließenden, der zweiten Gehäuseschale 14 axial vorgelagerten Bodenabschnitt 43. Der Lagerungsabschnitt 38 ist von der der ersten Gehäuseschale 13 entgegengesetzten axialen Seite her auf die zweite Gehäuseschale 14 aufgesetzt, wobei allerdings abgesehen von der Drehlagereinrichtung 37 keine axiale Abstützung bezüglich der zweiten Gehäuseschale 14 erfolgt. Bei diesem axialen Aufsetzen kann die Abtriebswelle 24 mit ihrem Abtriebsabschnitt 35 in die komplementäre Steckaufnahme 36 eingreifen, die beim Ausführungsbeispiel im Bodenabschnitt 43 des Lagerungsabschnittes 38 ausgebildet ist.
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Durch den haubenförmigen Lagerungsabschnitt 38 ist die zweite Gehäuseschale 14 radial und axial zumindest größtenteils zur näheren Umgebung hin abgeschirmt.
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Um eine einfache Eingliederung des Schwenkgelenks 1 in einen Roboterarm 2 zu ermöglichen, ist zweckmäßigerweise das erste Schwenkteil 3 mit einem ersten mechanischen Schnittstellenabschnitt 44 und das zweite Schwenkteil 4 mit einem zweiten mechanischen Schnittstellenabschnitt 45 versehen. Der erste mechanische Schnittstellenabschnitt 44 ist zusätzlich zu der ersten Gehäuseschale 13 vorhanden und ist zweckmäßigerweise ein integraler Bestandteil des einstückigen ersten Schwenkteilkörpers 30.
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Der zweite mechanische Schnittstellenabschnitt 45 ist an dem zweiten Schwenkteil 4 zusätzlich zu dem Lagerungsabschnitt 38 angeordnet und ist zweckmäßigerweise ein integraler Bestandteil des einstückigen zweiten Schwenkteilkörpers 31.
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Vorzugsweise sind die beiden mechanischen Schnittstellenabschnitte 44, 45 so ausgebildet, dass sie die Möglichkeit zur Verkettung einer Mehrzahl von Schwenkgelenken 1, 1a, 1b ( 4) bieten, deren grundsätzlicher Aufbau jeweils demjenigen des erfindungsgemäßen Schwenkgelenkes 1 entspricht. In diesem Zusammenhang sind die beiden mechanischen Schnittstellenabschnitte 44, 45 bevorzugt so ausgebildet, dass sie gleichzeitig einen Bestandteil des jeweils verketteten weiteren Schwenkgelenks 1a, 1b bilden. Dadurch lässt sich ein beispielsweise gemäß 4 aufgebauter Roboterarm 2 realisieren, der über mehrere in Reihe geschaltete Schwenkgelenke 1, 1a, 1b verfügt.
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Bei dem exemplarischen Roboterarm 2 der 4 ist ein mittleres Schwenkgelenk 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ausgebildet und über jeden seiner Schnittstellenabschnitte 44, 45 mit einem weiteren Schwenkgelenk 1a, 1b verkettet. Diese weiteren Schwenkgelenke 1a, 1b haben den grundsätzlich gleichen Aufbau wie das Schwenkgelenk 1, können sich aber diesbezüglich insbesondere in ihrer Dimensionierung und in der Ausrichtung ihrer Komponenten unterscheiden.
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Um eine solche Verkettung mehrerer Schwenkgelenke 1, 1a, 1b der erfindungsgemäßen Bauart zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der erste mechanische Schnittstellenabschnitt 44 als ein weiterer Lagerungsabschnitt 38a ausgebildet ist, der in vergleichbarer Weise wie das zweite Schwenkteil 4 mit seinem Lagerungsabschnitt 38 unter Vermittlung einer Drehlagereinrichtung 37 zur Ausbildung eines zu dem Schwenkgelenk 1 in Reihe geschalteten ersten weiteren Schwenkgelenkes 1a verwendbar ist, wie dies in 4 in der linken Bildhälfte illustriert ist. Bevorzugt ist der von dem ersten Schnittstellenabschnitt 44 gebildete weitere Lagerungsabschnitt 38a wiederum haubenförmig ausgebildet und verfügt über eine der Steckaufnahme 36 des zweiten Schwenkteils 4 entsprechende weitere Steckaufnahme 36a für den Abtriebsabschnitt 35 der Abtriebswelle 24 des Schwenkantriebes 6 des ersten weiteren Schwenkgelenkes 1a.
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Entsprechend dem in den 1 bis 3 illustrierten Schwenkgelenk 1 verfügt das erste weitere Schwenkgelenk 1a zweckmäßigerweise über ein weiteres erstes Schwenkteil 3a, das mit einer weiteren ersten Gehäuseschale 13a versehen ist, die funktionell der ersten Gehäuseschale 13 des Schwenkgelenkes 1 entspricht. Innerhalb des ersten weiteren Schwenkgelenkes 1a fungiert das erste Schwenkteil 3 des Schwenkgelenkes 1 als weiteres zweites Schwenkteil 4a. Somit liegt hier eine Doppelfunktion vor, indem ein und dasselbe Bauteil bezüglich des einen Schwenkgelenkes 1 als erstes Schwenkteil 3 und bezüglich des damit verketteten weiteren Schwenkgelenkes 1a als (weiteres) zweites Schwenkteil 4a fungiert.
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Entsprechend verhält es sich zweckmäßigerweise auch bei dem zweiten Schwenkteil 4 des Schwenkgelenkes 1. Der in dieses zweite Schwenkteil 4 integrierte zweite Schnittstellenabschnitt 45 ist als eine weitere erste Gehäuseschale 13b ausgeführt, die funktionell der ersten Gehäuseschale 13 des Schwenkgelenkes 1 entspricht und in vergleichbarer Weise zur Ausbildung eines zu dem Schwenkgelenk 1 in Reihe geschalteten, in 4 rechts abgebildeten zweiten weiteren Schwenkgelenkes 1b geeignet ist.
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Bei entsprechender Ausgestaltung können die ersten und zweiten Schnittstellenabschnitte 44, 45 zur mechanischen Verbindung mit einer beliebigen weiteren Roboterarmkomponente genutzt werden. Es ist zwar vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich, diese beiden Schnittstellenabschnitte 44, 45 jeweils unmittelbar zur Realisierung eines weiteren Schwenkgelenkes 1a, 1b zu nutzen.
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Die beiden jeweils miteinander verketteten Schwenkgelenke 1, 1a beziehungsweise 1, 1b sind jeweils unter Zwischenschaltung einer weiteren zweiten Gehäuseschale 14a, 14b miteinander verbunden. So fungiert eine weitere zweite Gehäuseschale 14a, die an der weiteren ersten Gehäuseschale 13a des weiteren ersten Schwenkteil 3a befestigt ist, als abstützendes Bindeglied zwischen dem ersten mechanischen Schnittstellenabschnitt 44 des ersten Schwenkteils 3 und dem weiteren ersten Schwenkteil 3a des ersten weiteren Schwenkgelenkes 1a. Außerdem fungiert eine weitere zweite Gehäuseschale 14b, die an der weiteren ersten Gehäuseschale 13a des weiteren ersten Schwenkteil 3a befestigt ist, als abstützendes Bindeglied zwischen dem zweiten Schnittstellenabschnitt 45 des zweiten Schwenkteils 4 und einem weiteren zweiten Schwenkteil 4b des zweiten weiteren Schwenkgelenkes 1b.
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Bei der verketteten Mehrfachanordnung von Schwenkgelenken 1, 1a, 1b sind die enthaltenen weiteren Schwenkgelenke 1a, 1b bevorzugt gleich aufgebaut wie das anhand der 1 bis 3 beschriebene Schwenkgelenk 1. Jedes weitere Schwenkgelenk 1a, 1b hat ein dem ersten Schwenkteil 3 entsprechendes weiteres erstes Schwenkteil 3a, 3b und ein dem zweiten Schwenkteil 4 entsprechende weiteres zweites Schwenkteil 4a, 4b. Dabei sind das erste Schwenkteil 3 des Schwenkgelenks 1 und das weitere zweite Schwenkteil 4a des ersten weiteren Schwenkgelenks 1a von ein und derselben Komponente gebildet, und es sind ferner das zweite Schwenkteil 4 des Schwenkgelenks 1 und das weitere erste Schwenkteil 13b des zweiten weiteren Schwenkgelenks 1b von ein und derselben Komponente gebildet.
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Der Roboterarm 2 weist zweckmäßigerweise einen für eine vorbestimmte Anwendung ausgelegten Endeffektor 46 auf, bei dem es sich beispielsweise um eine Greifeinrichtung handelt, wie dies in 6 illustriert ist. Dieser Endeffektor 46 ist am letzten Schwenkteil der miteinander verketteten Reihe von Schwenkgelenken 1 fixiert, beim Ausführungsbeispiel an dem weiteren zweiten Schwenkteil 4b. Durch eine aufeinander abgestimmte fluidische Ansteuerung der Schwenkantriebe 6 der mehreren Schwenkgelenke 1, 1a, 1b kann der Endeffektor 46 nach Bedarf verschwenkt und positioniert werden.
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Der Endeffektor 46 kann über eine oder mehrere Bewegungskomponenten 47 verfügen, beispielsweise Greifbacken, die zu einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Arbeitsbewegung 48 antreibbar sind,. Die dazu verwendete Antriebsenergie liefert beim Ausführungsbeispiel ein fluidisches Medium, insbesondere Druckluft, sie kann aber auch durch elektrische Energie bereitgestellt werden.
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Da durch jedes Schwenkgelenk 1, 1a, 1b eine eigene Schwenkachse 5 definiert wird, ermöglicht der aus mehreren Schwenkgelenken 1, 1a, 1b aufgebaute Roboterarm 2 mehrfache Knickbewegungen in bevorzugt unterschiedlichen Ebenen. Die gewünschte relative Winkellage zwischen den Schwenkachsen 5 lässt sich insbesondere durch die Formgebung der beiden Schwenkteile 3, 4 bzw. der weiteren Schwenkteile 3a, 3b, 4a, 4b vorgeben und dabei zweckmäßigerweise durch die Ausrichtung der mechanischen Schnittstellenabschnitte 44, 45 innerhalb des jeweiligen Schwenkteils 3, 4 bzw. weiteren Schwenkteils 3a, 3b, 4a, 4b.
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Jeder mechanische Schnittstellenabschnitt 44, 45 des Schwenkgelenks 1 hat eine Längsachse 67, die im mit einem weiteren Schwenkgelenk 1a, 1b gekoppelten Zustand mit der Schwenkachse 5 des weiteren Schwenkgelenks 1a, 1b zusammenfällt. Außerdem haben der Lagerungsabschnitt 38 und die erste Gehäuseschale 13 jeweils eine Längsachse 68, die innerhalb des Schwenkgelenks mit dessen Schwenkachse 5 zusammenfallen. Durch die bei der Herstellung der Schwenkteile 3, 4 individuell wählbare winkelmäßige Ausrichtung der zum gleichen Schwenkteil 3, 4 gehörenden Längsachsen 67, 68 lässt sich vorgeben, welche relative Winkellage die Schwenkachsen 5 der miteinander verketteten Schwenkgelenke 1, 1a, 1b haben.
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Bevorzugt sind die Schwenkgelenke 1, 1a, 1b so ausgelegt, dass die Schwenkachsen 5 unmittelbar miteinander verketteter Schwenkgelenke 1, 1a; 1, 1b rechtwinkelig zueinander ausgerichtet sind. Dies trifft auf das illustrierte Ausführungsbeispiel zu.
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Zurückkommend auf die 1 bis 3 ist die Drehlagereinrichtung 37 bevorzugt als eine Wälzlagereinrichtung ausgeführt, die besonders reibungsfrei arbeitet und hohe Kräfte aufnehmen kann.
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Die Drehlagereinrichtung 37 verfügt über einen die zweite Gehäuseschale 14 an ihrer peripheren Umfangswand 17 koaxial umschließenden Kranz bestehend aus einer Vielzahl von Wälzelementen 52, bei denen es sich exemplarisch um Kugelkörper handelt. Diese Wälzelemente 52 stützen sich jeweils einerseits an der zweiten Gehäuseschale 14 und andererseits an dem zweiten Schwenkteil 4 in diesbezüglich abrollbarer Weise ab. Der Kranz von Wälzelementen 52 liegt in einer zu der Schwenkachse 5 rechtwinkeligen Ebene.
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Die beispielhaft vorhandene Drehlagereinrichtung 37 ermöglicht eine optimale Einstellung der internen Lagerspannung, um sowohl in radialer als auch in axialer Richtung eine Spielfreiheit zu erzielen, die in Bezug auf die Positioniergenauigkeit des Roboterarms 2 vorteilhaft ist.
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In diesem Zusammenhang ist der Ringabschnitt 42 des Lagerungsabschnittes 38 mit einem Außengewinde 53 versehen, auf das mit einem komplementären Innengewinde 54 von der Seite der ersten Gehäuseschale 13 her ein Einstellring 55 aufgeschraubt ist.
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In den Außenumfang der peripheren Umfangswand 17 ist eine nach außen hin offene innere Ringnut 56 eingebracht, in die im Übergangsbereich zu ihren beiden Nutflanken jeweils ein die zweite Gehäuseschale 14 umschließender ringförmiger innerer Lagerdraht 57 eingelegt ist.
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Der Lagerungsabschnitt 38 und der Einstellring 55 definieren gemeinsam eine nach radial innen hin offene äußere Ringnut 58, deren eine Nutflanke an dem Lagerungsabschnitt 38 und deren andere Nutflanke an dem Einstellring 55 ausgebildet ist, wobei an jeder der beiden Nutflanken ein ringförmiger äußerer Lagerdraht 59 anliegt.
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Die Wälzelemente 52 stützen sich an allen vier Lagerdrähten 59 ab. Durch Veränderung der axialen Relativposition zwischen dem Einstellring 55 und dem Lagerungsabschnitt 38, was aufgrund des Gewindeeingriffes durch Verdrehen des Einstellringes 55 hervorrufbar ist, kann der Abstand zwischen den beiden äußeren Lagerdrähten 59 verändert und dadurch die zwischen sämtlichen Lagerdrähten 57, 59 und den Wälzelementen 52 vorliegende Spannung nach Bedarf justiert werden.
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Das Schwenkgelenk 1 ist zweckmäßigerweise mit einer nur schematisch angedeuteten Erfassungseinrichtung 63 ausgestattet, die in der Lage ist, die Drehposition und/oder Drehbewegung der Abtriebswelle 24 zu erfassen. Die auf diese Weise erzielbaren Informationen können von einer nicht weiter abgebildeten elektronischen Steuereinrichtung bei der fluidischen Ansteuerung des Schwenkantriebes 6 berücksichtigt werden. Die Erfassungseinrichtung 63 ist zweckmäßigerweise dem dem Abtriebsabschnitt 35 entgegengesetzten Endabschnitt 64 der Abtriebswelle 24 zugeordnet, der aus der Gehäusekammer 12 herausragt.
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Zweckmäßigerweise ist die Abtriebswelle 24 von einem oder mehreren Fluidkanälen 65 durchsetzt, die verwendbar sind, um das für die Betätigung der einzelnen Schwenkantriebe 6 und des Endeffektors 46 erforderliche Druckmedium durch das jeweilige Schwenkgelenk 1, 1a, 1b hindurchzuführen. Die anderweitigen Fluidverbindungen werden zweckmäßigerweise durch biegsame Fluidschläuche hergestellt, die in der Zeichnung nicht weiter illustriert sind.
