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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Drehmoments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Roboter mit einem Wellgetriebe.
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Aus der
DE 10 2018 123 915 A1 geht ein Wellgetriebe, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend lokal radial verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements steht zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Der Wellgenerator umfasst ein unrund ausgebildetes Lagerelement, bestehend aus einem Innenring, einem Außenring sowie radial dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Das Lagerelement ist als Pendelrollenlager ausgebildet und der Innenring ist drehfest mit einer Welle verbunden. Der Außenring und das flexible Ringelement sind zwei separate Bauteile, die drehfest miteinander verbunden sind.
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In der Regel weist der Außenring eine Spielpassung zu dem flexiblen Ringelement auf. Eine Veränderung der Spielpassung führt zu einer Veränderung der Steifigkeit des Wellgetriebes, insbesondere der Steifigkeit zwischen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement sowie zwischen dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Mit zunehmendem Spiel der Spielpassung wird das Wellgetriebe weich, wodurch Probleme bei der Regelung im Nulldurchgang und Positionierungsungenauigkeiten entstehen. Mit abnehmendem Spiel der Spielpassung kann es zu Übergangspassungen kommen, wobei sich die Reibung und der Verschleiß im Wellgetriebe erhöhen, wodurch die Effizienz des Wellgetriebes sinkt. Daher ist die Einstellung des Spiels für die Spielpassung des Wellgetriebes ein Wesentlicher Aspekt, insbesondere bei Roboteranwendungen, weil diese möglichst präzise und reibungsarme Getriebe benötigen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wellgetriebe für einen Roboter zu entwickeln, wobei das Wellgetriebe besonders präzise sowie verschleißarm sein soll. Insbesondere soll das Wellgetriebe eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator ein unrund ausgebildetes Lagerelement aufweist, wobei das Lagerelement zumindest Wälzkörper und einen Innenring mit einer ersten Laufbahn für die Wälzkörper aufweist, wobei das Lagerelement zumindest teilweise in das flexible Ringelement axial hineinragt, und wobei der Innenring drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei an dem flexiblen Ringelement eine zweite Laufbahn für die Wälzkörper ausgebildet ist.
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Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit der Welle in Wirkverbindung, wobei die Welle vorzugsweise von einer elektrischen Maschine angetrieben ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise weisen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellgetriebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innenrings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.
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Das flexible Ringelement wird auch Flexspline genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellgenerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbesondere wird die äußere Form des Wellgenerators durch die Wälzkörper insbesondere durch die zweite Laufbahn für die Wälzkörper gebildet, wobei die Wälzkörper radial zwischen dem flexiblen Ringelement und dem Innenring angeordnet sind. Mithin kommen die Wälzkörper des Lagerelements zum einen unmittelbar an der Außenumfangsfläche des Innenrings zur Anlage, wobei die erste Laufbahn für die Wälzkörper an der Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet ist. Zum anderen kommen die Wälzkörper des Lagerelements unmittelbar an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements zur Anlage, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements ausgebildet ist. Weil ein Außenring nicht existent ist, entfällt eine Spielpassung zwischen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement, wobei dies dazu führt, dass die Spielpassung nicht variabel ist und somit die Steifigkeit des Wellgetriebes konstant bleibt, wodurch die Präzision und die Effizienz des Wellgetriebes erhöht werden. Mit anderen Worten entfällt der Außenring des Lagerelements bzw. die Funktion des Außenrings des Lagerelements wird in die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements integriert. Das flexible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Wellgenerators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements zur Aufnahme und zum Abwälzen der Wälzkörper des Lagerelements eingerichtet ist.
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Während des Betriebs des Wellgetriebes wird der Wellgenerator rotiert, wodurch die Welle und der Innenring des Lagerelements relativ zum flexiblen Ringelement verdreht werden. Dabei verformt das flexible Ringelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Wellgenerator während des Betriebs des Wellgetriebes in eine Rotationsbewegung versetzt, die bewirkt, dass das flexible Ringelement eine umlaufende Verformung erfährt.
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Bevorzugt steht die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden.
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Das starre Ringelement, auch Circular Spline genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausgebildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Rotation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des Lagerelements zwischen dem Innenring und dem flexiblen Ringelement.
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Insbesondere ist das flexible Ringelement zumindest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn einteilig ausgebildet. Mithin ist das flexible Ringelement zumindest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn monolithisch ausgebildet und bündelt zumindest die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements.
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Vorzugsweise ist das Lagerelement als einreihiges Kugellager ausgebildet. Mithin sind die Wälzkörper des Lagerelements kugelförmig ausgebildet. Das Kugellager ermöglicht große Verformungen des flexiblen Ringelements im Umfang ebenso wie radiale Kippbewegungen eines Kragens des flexiblen Ringelements. Mit anderen Worten hat das Kugellager eine Gelenkfunktion. Das als Kugellager ausgebildete Lagerelement weist eine Vielzahl von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern auf, die räumlich zwischen einer Außenumfangsfläche des Innenrings und der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements beabstandet zueinander angeordnet sind und abrollen. Durch die Ausbildung des Lagerelements als einreihiges Kugellager wird insbesondere die Reibung des Wellgetriebes verringert und somit die Effizienz erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in einem Käfig geführt. Vorzugsweise ist der Käfig aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß an den Wälzkörpern gesenkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in einer ersten Nut an der Außenumfangsfläche des Innenrings geführt. Insbesondere ist die erste Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise aufzunehmen, wobei die Geometrie der ersten Nut zumindest teilweise korrespondierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der ersten Nut ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in einer zweiten Nut an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements geführt. Insbesondere ist die zweite Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise aufzunehmen, wobei die Geometrie der zweiten Nut zumindest teilweise korrespondierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der zweiten Nut ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper in einem Bereich des flexiblen Ringelements ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung angeordnet ist. Mit anderen Worten wälzen die Wälzkörper in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung am flexiblen Ringelement. Vorliegend ist unter einer in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung angeordneten zweiten Laufbahn zu verstehen, dass diese nur einen geringfügigen axialen Versatz zu einer axialen Mitte eines Zahnes aufweisen darf, und somit höchstens einen axialen Versatz aufweist, der nicht höher als ein Radius der Wälzkörper ist. Dadurch wird ein besonders sauberer und effizienter Zahneingriff realisiert.
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Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in einem Gelenk für einen Roboterarm angeordnet und wirkt zumindest mittelbar zwischen zwei Roboterarmsegmenten.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellgetriebes,
- 2 eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellgetriebes gemäß 1, und
- 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines nur teilweise dargestellten Roboters mit einem erfindungsgemäßen Wellgetriebe.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 einen Wellgenerator 2, der ein Lagerelement 6 mit einem Innenring 8 und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern 7 aufweist. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben dargestellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Das Lagerelement 6 ist als einreihiges Kugellager ausgebildet, sodass die Wälzkörper 7 kugelförmig geformt sind. Der Innenring 8 weist eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Die erste Laufbahn 8a ist in einer ersten Nut 8b umlaufend an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der ersten Nut 8b an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ab. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 9, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufgeschrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 9 von einem - hier nicht dargestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 9 als Hohlwelle ausgebildet.
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Ferner weist das Wellgetriebe 1 ein von dem Wellgenerator 2 umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außenverzahnung 3a und ein starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a auf. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4 im Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist als Hohlrad ausgebildet. An dem flexiblen Ringelement 3 ist eine zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 ausgebildet. Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a und der zweiten Laufbahn 3b einteilig ausgebildet. Ferner ist an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 eine zweite Nut 3c ausgebildet, wobei die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 geführt sind. Die zweite Laufbahn 3b ist in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ab. Die Wälzkörper 7 folgen der exzentrischen Form der ersten Laufbahn und verformen dadurch das flexible Ringelement 3 mit der Außenverzahnung 3a. Aufgrund der geringfügig unterschiedlichen Anzahl von Zähnen zwischen der Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 und der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4, entsteht eine hohe Übersetzung zwischen der Welle 9 und dem starren Ringelement 4.
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Gemäß 2 ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung 3a angeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein axialer Versatz der zweiten Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 von der axialen Mitte der Außenverzahnung 3a am flexiblen Ringelement 3 nicht größer als ein Radius der Wälzkörper 7. Dadurch wird ein besonders effizienter Zahneingriff realisiert. In 2 wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.
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3 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 12. Zwischen einem ersten Roboterarmsegment 12a und einem zweiten Roboterarmsegment 12b ist ein Gelenk 13 angeordnet, das die beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b gelenkig miteinander verbindet. Zur Veränderung der Position der beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b zueinander weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen Elektromotor 15 und ein Wellgetriebe 1 gemäß den 1 und 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Wellgenerator
- 3
- flexibles Ringelement
- 3a
- Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement
- 3b
- zweite Laufbahn an dem flexiblen Ringelement
- 3c
- zweite Nut an dem flexiblen Ringelement
- 4
- starres Ringelement
- 4a
- Innenverzahnung an dem starren Ringelement
- 5a, 5b
- Zahneingriffsbereich
- 6
- Lagerelement
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Innenring
- 8a
- erste Laufbahn an dem Innenring
- 8b
- erste Nut an dem Innenring
- 9
- Welle
- 10
- Käfig
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Roboter
- 12a
- erster Roboterarmsegment
- 12b
- zweiter Roboterarmsegment
- 13
- Gelenk
- 14
- Antriebseinheit
- 15
- Elektromotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018123915 A1 [0002]
