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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Spannungswellengetriebe, welches auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden kann. Das Spannungswellengetriebe umfasst einen Wellengenerator mit einer nicht-kreisförmigen Scheibe sowie einen starren eine Innenverzahnung aufweisenden Außenring und ein elastisches Übertragungselement. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet und weist eine Außenverzahnung auf, die mit der Innenverzahnung des Außenringes zumindest teilweise im Eingriff steht. Im Weiteren betrifft die Erfindung einen Roboterarm.
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In dem Artikel von Hashimoto, M. et al.: „A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives" in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben. Zur Messung dienen Dehnungsmessstreifen, welche auf einem elastischen Übertragungselement des Spannungswellengetriebes angeordnet sind.
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Der Artikel von Taghirad, Hamid D. et al.: „Intelligent built-in torque sensor for harmonic drive systems" in Proceedings of IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Sensing, Processing, Networking, Mai 1997, und die Dissertation von Taghirad, Hamid D.: „Robust torque control of harmonic drive systems", Department of Electrical Engineering. McGill University, Montreal, 1997, zeigen einen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe.
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Die
DE 10 2004 041 394 A1 zeigt eine Wellengetriebevorrichtung mit einem Drehmomentdetektionsmechanismus, welcher auf einem flexiblen Außenzahnrad mehrere Dehnungsmesser mit Widerstandsdrahtbereichen umfasst, die über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen sind.
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Die
JP 2000320622 A zeigt ein Wellengetriebe mit einem Drehmomentsensormechanismus, welcher an einem flexiblen Außenzahnrad einen Dehnungsmessstreifen umfasst, der über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen ist.
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Die
US 2004/0079174 A1 lehrt eine Drehmomentdetektionsvorrichtung für ein Wellengetriebe mit einer Dehnungsmesseinheit, welche ein Dehnungsmesseinrichtungsmuster aufweist. Das Dehnungsmesseinrichtungsmuster umfasst kreisbogenförmige Detektionssegmente A und B sowie drei Anschlussbereiche für eine externe Verdrahtung, von denen der eine zwischen den Detektionssegmenten ausgebildet ist und die anderen an den entgegengesetzten Enden derselben ausgebildet sind.
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Die
WO 2010/142318 A1 zeigt ein Gerät zur Messung eines Drehmomentes in einem Wellgetriebe. Das Gerät umfasst mindestens einen Sensor zur Messung von Kräften zwischen einem Außenring mit Innenverzahnung und einem Gehäuse.
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Die
US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
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Aus der
EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.
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Aus der
DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt.
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Aus der
EP 2 799 827 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, bei welchem Magnetfeldsensoren im Innenraum einer Hohlwelle angeordnet sind. Die Hohlwelle weist umlaufende Magnetisierungen mit entgegengesetzten Polaritäten auf.
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Die
DE 102 17 019 C1 zeigt einen Kraft-Moment-Sensor, welcher durch ein monolithisches scheibenförmiges Aufnahmeteil mit einer planen Fläche gebildet ist. Das Aufnahmeteil besteht aus einem ersten mittleren Abschnitt hoher Steifigkeit mit ersten Krafteinleitungsstellen und aus mindestens drei entlang des Umfangsbereichs ausgebildeten zweiten Abschnitten mittlerer Steifigkeit mit zweiten Krafteinleitungsstellen im Übergangsbereich zwischen aneinandergrenzenden zweiten Abschnitten. Das Aufnahmeteil besteht weiterhin aus Entlastungsabschnitten niedriger Steifigkeit und aus mindestens drei radial verlaufenden Verbindungsstegen, die eine mittlere Steifigkeit aufweisen. Auf der planen Fläche der zweiten Abschnitte und der Verbindungsstege sind nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke geschaltete Dehnungsmessstreifen aufgebracht.
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Aus der
DE 10 2011 105 984 A1 ist ein Zweikomponenten-Kraft-Drehmoment-Sensor bekannt, welcher einen Kraftvektor und ein Drehmoment um die Achse der Kraftwirkungsrichtung erfassen soll. Die Signalerzeugung von Kraftsignal und Drehmomentsignal geschieht in zwei verschiedenen Bauteilen des Sensors.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von Stand der Technik darin, die Messung eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe genau und ohne einen relevanten Bauraumbedarf hierfür vornehmen zu können. Das Spannungswellengetriebe soll beispielsweise in einem Roboterarm einsetzbar sein.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Spannungswellengetriebe gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Roboterarm gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Es weist einen Wellengenerator auf, welcher eine nicht-kreisförmige Scheibe und bevorzugt einen verformbarem Laufring umfasst. Die nicht-kreisförmige Scheibe weist einen nicht-kreisförmigen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe weist bevorzugt einen elliptischen, ovalen, abgerundeten dreieckförmigen, kleeblattförmigen oder Resal-kurvenförmigen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe weist besonders bevorzugt einen elliptischen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe besteht bevorzugt aus einem Stahl und bildet bevorzugt einen Antrieb oder einen Abtrieb des Spannungswellengetriebes. Das Spannungswellengetriebe umfasst weiterhin einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung. Der Außenring ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet und wird auch als Circular Spline bezeichnet. Das Spannungswellengetriebe umfasst zudem ein elastisches Übertragungselement, welches zwischen dem Wellengenerator und dem Außenring angeordnet ist. Die nicht-kreisförmige Scheibe kann ein Wellengeneratorlager mit Wälzkörpern umfassen, welches an einem Umfang der nicht-kreisförmigen Scheibe ausgebildet ist.
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Das elastische Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet werden und weist bevorzugt einen hohlzylinderförmigen Teil auf. Das elastische Übertragungselement ist bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmomentes ausgebildet. Alternativ bevorzugt bildet das elastische Übertragungselement einen Antrieb, sodass es dazu ausgebildet ist, ein durch das Spannungswellengetriebe zu übertragendes Drehmoment in das Spannungswellengetriebe einzuleiten. Das elastische Übertragungselement und/oder der Wellengenerator ist um eine Achse des Spannungswellengetriebes rotierbar. Diese Achse definiert eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine umfängliche bzw. tangentiale Richtung. Das elastische Übertragungselement ist in der radialen Richtung zwischen der nicht-kreisförmigen Scheibe des Wellengenerators und dem Außenring angeordnet.
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Das elastische Übertragungselement weist eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung des elastischen Übertragungselementes steht mit der Innenverzahnung des Außenringes zumindest teilweise im Eingriff.
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Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die bevorzugt zwei beträgt.
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Das elastische Übertragungselement wird im Betrieb durch das zu übertragende Drehmoment belastet, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt. Das elastische Übertragungselement ist als eine Komponente einer Anordnung zur Messung des wirkenden Drehmomentes ausgebildet. Diese Messung beruht auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Somit besteht eine sekundäre Funktion des elastischen Übertragungselementes darin, dass es einen Primärsensor innerhalb der Anordnung zur Messung des wirkenden Drehmomentes bildet. Hierfür umfasst das elastische Übertragungselement zumindest einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung, der aus einem magnetostriktiven Material besteht. Durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment ist ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar. Zumindest der Magnetisierungsbereich des elastischen Übertragungselementes besteht aus einem magnetostriktiven Material, d. h. aus einem Material, welches den magnetoelastischen Effekt aufweist. Der Magnetisierungsbereich stellt einen Teil eines Volumens des elastischen Übertragungselementes dar und erstreckt sich bevorzugt in der umfänglichen Richtung; bevorzugt geschlossen um die Achse. Bevorzugt besteht das gesamte elastische Übertragungselement aus dem magnetostriktiven Material.
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Die Magnetisierung kann permanent oder temporär ausgebildet sein. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt jedoch durch mindestens eine Permanentmagnetisierung permanentmagnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativen Ausführungsformen ist der Magnetisierungsbereich temporär magnetisierbar, beispielsweise durch einen Elektromagneten oder durch einen Dauermagneten, welcher eine Komponente der Anordnung zur Messung des Drehmomentes und somit auch eine Komponente des Spannungswellengetriebes bildet.
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Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, der zu dem Magnetisierungsbereich gegenüberliegend angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes. Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung des zu messenden Drehmomentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht. Der mindestens eine Magnetfeldsensor weist gegenüber dem Magnetisierungsbereich bevorzugt nur einen geringen Abstand auf und ruht gegenüber dem Magnetisierungsbereich; insbesondere in Bezug auf die Verformungen des den Magnetisierungsbereich aufweisenden elastischen Übertragungselementes. Der Magnetisierungsbereich und der mindestens eine Magnetfeldsensor bilden die Anordnung zur Messung des wirkenden Drehmomentes, wobei diese Anordnung auch zur Messung weiterer Kräfte und Momente, wie beispielweise einer Querkraft ausgebildet sein kann.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes besteht darin, dass das elastische Übertragungselement unmittelbar zur Messung des auftretenden Drehmomentes genutzt wird. Es wird kein zusätzliches Deformationselement für die auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung des Drehmomentes genutzt. Auch müssen auf dem elastischen Übertragungselement keine Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen oder dergleichen angebracht werden, sodass dort kein Bauraum benötigt wird und überdies keine Kabel zum elastischen Übertragungselement geführt werden müssen.
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Das elastische Übertragungselement umfasst bevorzugt einen hohlzylinderförmigen Teil, auf welchem die Außenverzahnung ausgebildet ist. Das elastische Übertragungselement umfasst bevorzugt weiterhin einen sich in der axialen Richtung an den hohlzylinderförmigen Teil anschließenden kreisring- bzw. scheibenförmigen Teil. Der hohlzylinderförmige Teil weist bevorzugt die Form einer Büchse bzw. Hülse auf. Der kreisringförmige Teil weist bevorzugt die Form eines Kragens oder eines Flansches auf. Entsprechend weist das elastische Übertragungselement die Form einer Kragenhülse auf. Der kreisringförmige Teil dient dazu, eine Welle an das Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Welle bzw. auf das Übertragungselement zu übertragen. Der hohlzylinderförmige Teil und der kreisring- bzw. scheibenförmige Teil weisen eine gemeinsame Achse auf, welche in der Achse des Spannungswellengetriebes liegt. Der hohlzylinderförmige Teil und der kreisringförmige Teil sind bevorzugt fest miteinander verbunden und bevorzugt gemeinsam einstückig ausgebildet.
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Das elastische Übertragungselement weist bevorzugt die Form eines Napfes auf, welche auch als Cup-Form bezeichnet wird.
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Das elastische Übertragungselement weist alternativ bevorzugt die Form eines Zylinderhutes auf, welche auch als Silk-Hat-Form bezeichnet wird. Diese Ausführungsform ist geeignet, eine größere Hohlwelle an das Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Hohlwelle zu übertragen. Die Hohlwelle bildet bevorzugt eine Komponente eines Roboters.
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Der mindestens eine Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in dem hohlzylinderförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes ausgebildet. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in der axialen Richtung neben der Außenverzahnung angeordnet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an einer axialen Position des hohlzylinderförmigen Teiles des elastischen Übertragungselementes angeordnet und in der radialen Richtung von dem hohlzylinderförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes beabstandet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an einer axialen Position des Magnetisierungsbereiches angeordnet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt durch einen Luftspalt in der radialen Richtung von dem hohlzylinderförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes, insbesondere von dem Magnetisierungsbereich beabstandet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren können innerhalb oder außerhalb des hohlzylinderförmigen Teiles des elastischen Übertragungselementes angeordnet sein.
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Der mindestens eine Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in dem kreisringförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes ausgebildet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an einer radialen Position des kreisringförmigen Teiles des elastischen Übertragungselementes angeordnet und in der axialen Richtung von dem kreisringförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes beabstandet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an einer radialen Position des Magnetisierungsbereiches angeordnet und in der axialen Richtung von dem Magnetisierungsbereich beabstandet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt durch einen Luftspalt in der axialen Richtung von dem kreisringförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes, insbesondere vom Magnetisierungsbereich beabstandet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren können innerhalb oder außerhalb des hohlzylinderförmigen Teiles des elastischen Übertragungselementes angeordnet sein.
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Das Spannungswellengetriebe umfasst bevorzugt mehrere der Magnetfeldsensoren, die umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes herum verteilt angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes herum gleich verteilt angeordnet. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und/oder eine gleiche radiale Position auf.
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Das Spannungswellengetriebe weist eine Teilung auf, die sich durch den Wellengenerator ergibt. Die Teilung des Spannungswellengetriebes ergibt sich insbesondere durch die Form der nicht-kreisförmigen Scheibe des Wellengenerators. Die Teilung des Spannungswellengetriebes ergibt sich durch die Anzahl von Berührungspunkten der nicht-kreisförmigen Scheibe des Wellengenerators mit dem elastischen Übertragungselement. Weist die nicht-kreisförmige Scheibe beispielsweise die Form einer Ellipse mit zwei Berührungspunkten auf, so beträgt die Teilung 360° / 2 = 180°. Weist die nicht-kreisförmige Scheibe beispielsweise eine abgerundete dreieckige Form mit drei Berührungspunkten auf, so beträgt die Teilung 360° / 3 = 120°. Wenn die Anzahl der Berührungspunkte n beträgt, so beträgt die Teilung 360° / n. Die Teilung des Spannungswellengetriebes beträgt somit bevorzugt 180°; 120° oder 90°.
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Die umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes gleich verteilt angeordneten Magnetfeldsensoren weisen paarweise einen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse zueinander auf, welcher bevorzugt der Teilung des Spannungswellengetriebes oder einem ganzzahligen Bruchteil der Teilung des Spannungswellengetriebes gleicht. Beträgt die Teilung des Spannungswellengetriebes beispielsweise 180°, so beträgt der Mittelpunktswinkel zwischen den umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes gleich verteilt angeordneten Magnetfeldsensoren bevorzugt 180°; 180° / 2 = 90° oder 180° / 3 = 60°. Beträgt die Teilung des Spannungswellengetriebes beispielsweise 120°, so beträgt der Mittelpunktswinkel zwischen den umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes gleich verteilt angeordneten Magnetfeldsensoren bevorzugt 120°; 120° / 2 = 60°; 120° / 3 = 40° oder 120° / 4 = 30°. Bei diesen bevorzugten Ausführungsformen ist ein Summensignal der Magnetfeldsensoren unabhängig von einer Drehwinkelposition des Wellengenerators und auch unabhängig von einer Verformung des elastischen Übertragungselementes.
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Alternativ bevorzugt weisen die umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes verteilt angeordneten Magnetfeldsensoren paarweise einen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse zueinander auf, welcher weder der Teilung des Spannungswellengetriebes noch einem ganzzahligen Bruchteil der Teilung des Spannungswellengetriebes gleicht. Bei diesen Ausführungsformen kann eine Drehwinkelposition des elastischen Übertragungselementes mit den Magnetfeldsensoren bestimmt werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, bei denen die umfänglich um die Achse des Spannungswellengetriebes gleich verteilt angeordneten Magnetfeldsensoren paarweise einen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse zueinander aufweisen, welcher der Teilung des Spannungswellengetriebes oder einem ganzzahligen Bruchteil der Teilung des Spannungswellengetriebes gleicht, ist eine Auswerteeinheit bevorzugt zur Auswertung von einzelnen Signalen der Magnetfeldsensoren ausgebildet, um eine Drehwinkelposition des elastischen Übertragungselementes zu bestimmen. Beträgt die Teilung beispielsweise 180°, so ist die Auswerteeinheit bevorzugt dazu ausgebildet, aus den Signalen von zwei der Magnetfeldsensoren, welche um 90° zueinander versetzt sind, ein Sinus-Cosinus-Signal zu bilden. Das Sinus-Cosinus-Signal repräsentiert die Drehwinkelposition des elastischen Übertragungselementes.
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Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch einen magnetoresistiven Sensor oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.
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Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung zumindest einer Richtungskomponente des aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.
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Die mindestens eine Permanentmagnetisierung ist bevorzugt umlaufend um die Achse ausgerichtet, sodass sie in der tangentialen Richtung ausgebildet ist. Der Magnetisierungsbereich kann auch mehrere der umlaufenden Permanentmagnetisierungen aufweisen, welche als Spuren ausgebildet sind, wobei die Polarität der mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen abwechselnd ausgerichtet sein kann.
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Das Spannungswellengetriebe umfasst bevorzugt ein Getriebegehäuse, in welchem der Wellengenerator, der Außenring und das elastische Übertragungselement angeordnet sind. Auch der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt in dem Getriebegehäuse angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Roboterarm umfasst mindestens ein antreibbares Armelement, welches über das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe angekoppelt ist. Das mindestens eine antreibbare Armelement ist bevorzugt über eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes angekoppelt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht;
- 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht;
- 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht;
- 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht;
- 5 das in 1 gezeigte Spannungswellengetriebe in einer Querschnittsansicht; und
- 6 eine abgewandelte Ausführungsform des in 5 gezeigten Spannungswellengetriebes in einer Querschnittsansicht.
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht. Das Spannungswellengetriebe umfasst einen Wellengenerator 01 mit einer ellipsenförmigen Scheibe 02, welche in einem hohlen elastischen Übertragungselement 03 angeordnet ist. Das elastische Übertragungselement 03 weist eine Außenverzahnung 04 auf, welche in eine Innenverzahnung 06 eines starren Außenringes 07 eingreift. Der Außenring 07 sitzt fest in einem Getriebegehäuse 08.
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Der Wellengenerator 01 ist fest mit einer Antriebswelle 09 verbunden, die in Wälzlagern 11 im Getriebegehäuse 08 gelagert ist. Der Wellengenerator 01 umfasst ein Wellengeneratorlager 12, welches einen Teil der ellipsenförmigen Scheibe 02 bildet. Das elastische Übertragungselement 03 ist fest mit einer Abtriebswelle 13 verbunden, die in Wälzlagern 14 im Getriebegehäuse 08 gelagert ist. Die Antriebswelle 09 und die Abtriebswelle 13 sind jeweils mit einer Dichtung 16 im Getriebegehäuse 08 abgedichtet.
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Das elastische Übertragungselement 03, welches auch als Flexspline bezeichnet wird, weist einen hohlzylinderförmigen Teil 17 und einen sich daran anschließenden kreisring- bzw. flanschförmigen Teil 18 auf. Der hohlzylinderförmige Teil 17 weist die Form einer Hülse bzw. Büchse auf. Der hohlzylinderförmige Teil 17 und der kreisringförmige Teil 18 bilden axiale Abschnitte des elastischen Übertragungselementes 03 und sind gemeinsam einstückig ausgebildet. Die Außenverzahnung 04 ist auf dem hohlzylinderförmigen Teil 17 ausgebildet.
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Das elastische Übertragungselement 03 besteht aus einem magnetostriktiven Stahl, sodass es den invers-magnetostriktiven Effekt aufweist. Das elastische Übertragungselement 03 ist permanentmagnetisiert.
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Umfänglich um das hohlzylinderförmige Teil 17 herum sind zwei Magnetfeldsensoren 19 angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 sind gleichverteilt um das hohlzylinderförmige Teil 17 angeordnet und weisen nur einen geringen radialen Abstand zum hohlzylinderförmigen Teil 17 auf. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 sind am Getriebegehäuse 08 befestigt, sodass sie gegenüber dem elastischen Übertragungselement 03 ruhen. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 sind an einer Innenseite des Getriebegehäuses 08 befestigt.
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2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht. Diese zweite bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform. Im Unterschied zu der ersten bevorzugten Ausführungsform sind bei der gezeigten zweiten bevorzugten Ausführungsform die beiden Magnetfeldsensoren 19 innerhalb des hohlzylinderförmigen Teiles 17 des elastischen Übertragungselementes 03 angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 weisen die gleichen Positionen in umfänglicher Richtung wie bei der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform auf. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 sind mithilfe eines Haltebügels (nicht gezeigt) an der Antriebswelle 09 oder an der Abtriebswelle 13 befestigt.
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3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht. Diese dritte bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform. Im Unterschied zu der ersten bevorzugten Ausführungsform sind bei der gezeigten dritten bevorzugten Ausführungsform die beiden Magnetfeldsensoren 19 neben dem kreisringförmigen Teil 18 des elastischen Übertragungselementes 03 angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 weisen die gleichen Positionen in umfänglicher Richtung wie bei der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform auf.
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4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes in einer Längsschnittansicht. Diese vierte bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten dritten bevorzugten Ausführungsform. Im Unterschied zu der dritten bevorzugten Ausführungsform sind bei der gezeigten vierten bevorzugten Ausführungsform die beiden Magnetfeldsensoren 19 innerhalb des hohlzylinderförmigen Teiles 17 des elastischen Übertragungselementes 03 angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 weisen die gleichen Positionen in umfänglicher Richtung wie bei der in 3 gezeigten dritten bevorzugten Ausführungsform auf. Die beiden Magnetfeldsensoren 19 sind mithilfe eines Haltebügels (nicht gezeigt) an der Antriebswelle 09 oder an der Abtriebswelle 13 befestigt.
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5 zeigt das in 1 gezeigte Spannungswellengetriebe in einer Querschnittsansicht, wobei insbesondere der Wellengenerator 01 mit der ellipsenförmigen Scheibe 02, das elastische Übertragungselement 03 und der starre Außenring 07 dargestellt sind. Auch auf die Darstellung des Wellengeneratorlagers 12 (gezeigt in 1) wurde verzichtet. Es ist insbesondere die Anordnung der beiden Magnetfeldsensoren 19 zu erkennen.
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6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in 5 gezeigten Spannungswellengetriebes in einer Querschnittsansicht. Diese abgewandelte Ausführungsform gleicht zunächst der in 5 gezeigten Ausführungsform. Diese abgewandelte Ausführungsform weist im Unterschied zu der in 5 gezeigten Ausführungsform vier statt zwei der Magnetfeldsensoren 19 auf. Die vier Magnetfeldsensoren 19 sind umfänglich gleich verteilt angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Wellengenerator
- 02
- ellipsenförmige Scheibe
- 03
- elastisches Übertragungselement
- 04
- Außenverzahnung
- 05
- -
- 06
- Innenverzahnung
- 07
- Außenring
- 08
- Getriebegehäuse
- 09
- Antriebswelle
- 10
- -
- 11
- Wälzlager
- 12
- Wellengeneratorlager
- 13
- Abtriebswelle
- 14
- Wälzlager
- 15
- -
- 16
- Dichtung
- 17
- hohlzylinderförmiger Teil
- 18
- kreisringförmiger Teil
- 19
- Magnetfeldsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004041394 A1 [0004]
- JP 2000320622 A [0005]
- US 2004/0079174 A1 [0006]
- WO 2010/142318 A1 [0007]
- US 6490934 B2 [0008]
- EP 0803053 B1 [0009]
- DE 69222588 T2 [0010]
- EP 2799827 A1 [0011]
- DE 10217019 C1 [0012]
- DE 102011105984 A1 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Hashimoto, M. et al.: „A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives“ in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 [0002]
- Taghirad, Hamid D. et al.: „Intelligent built-in torque sensor for harmonic drive systems“ in Proceedings of IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Sensing, Processing, Networking, Mai 1997 [0003]
- Taghirad, Hamid D.: „Robust torque control of harmonic drive systems“, Department of Electrical Engineering. McGill University, Montreal, 1997 [0003]
