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Die Erfindung betrifft einen Schwenkantrieb.
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Ein Schwenkantrieb ist eine elektromechanische Vorrichtung, die eine kontrollierte Bewegung eines Ausgangselements gegenüber einem Bezugselement, z.B. einer Basis, ermöglicht. Das Ausgangselement kann vorzugsweise um alle drei Achsen eines Kartesischen Koordinatensystems bewegt werden.
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Schwenkantriebe können für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden. Ein Beispiel ist ein Greifer, der am Ausgangselement befestigt und gegenüber der Basis des Schwenkantriebs verlagert werden kann. Die Basis des Schwenkantriebs kann ihrerseits mit einem Roboterarm verbunden sein.
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Ein Beispiel für einen Schwenkantrieb aus dem Stand der Technik ist in der
US 4,399,718 offenbart. Dieser bekannte Schwenkantrieb ist dadurch von Nachteil, dass eine Verlagerung um eine Achse zu einer Translationsverlagerung einer anderen Achse führt, um die eine Verlagerung des Ausgangselements möglich ist. Dies macht eine Verlagerung des Ausgangselements gegenüber der Basis kompliziert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schwenkantrieb bereitzustellen, bei dem eine kontrollierte Bewegung des Ausgangselements gegenüber der Basis möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Schwenkantrieb vor, mit einer Basis, einem Ausgangselement, das um eine Drehachse drehbar und um zwei oder mehr Schwenkachsen schwenkbar an der Basis gelagert ist, wobei sich die Schwenkachsen in einem auf der Drehachse liegenden Schnittpunkt schneiden, und mit einem Drehstellglied und zwei oder mehr Schwenkstellgliedern, wobei das Drehstellglied und die Schwenkstellglieder gegenüber der Basis feststehend gelagert sind. Das Anordnen der Schwenkachsen derart, dass diese sich in einem auf der Drehachse liegenden Schnittpunkt schneiden, stellt sicher, dass eine Verlagerung um eine Achse nicht dazu führt, dass die andere Achse als solche translatorisch verlagert wird. Dadurch, dass gewährleistet ist, dass sich alle Achsen in einem einzigen Punkt schneiden, wird die Steuerung der Verlagerung des Ausgangselements deutlich vereinfacht. Darüber hinaus wird durch die Anordnung aller Stellglieder feststehend in Bezug auf die Basis sichergestellt, dass keiner der in den Stellgliedern eingesetzten Motoren während einer Verlagerung des Ausgangselements gegenüber der Basis verlagert wird, so dass es kein Problem mit Kabeln oder Leitern gibt, auf die bei einer Verlagerung der Motoren gegenüber der Basis eine Biegebeanspruchung einwirken würde.
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Eine der Verlagerungen des Ausgangselements ist eine Drehung um die Drehachse, wobei diese Verlagerung auch als Gierverlagerung bezeichnet wird. Um diese Bewegung zu erhalten, kann das Ausgangselement so an einem Antriebselement gelagert sein, dass es dazu schwenkbar, aber drehfest ist.
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Das Antriebselement kann drehbar gegenüber der Basis gelagert sein, insbesondere über ein Kreuzrollenlager. Das Lager bietet eine ruhige, reibungsarme und präzise Bewegung des Antriebselements zur Basis. Bei einem Kreuzrollenlager können die auf das Ausgangselement wirkenden Belastungen zuverlässig an die Basis übertragen werden.
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Alternativ zu einem Kreuzrollenlager kann ein Gleitlager oder ein einfaches Rollenlager eingesetzt werden.
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Das Drehstellglied kann über ein im Antriebsweg zwischen einem Rotationsmotor und dem Antriebselement angeordnetes Getriebe mit dem Antriebselement verbunden sein. Das Getriebe ermöglicht eine Erhöhung des von dem Rotationsmotor bereitgestellten Drehmoments, was den Einsatz eines kompakten Rotationsmotors ermöglicht.
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Bei dem Getriebe kann es sich je nach Bedarf um ein selbsthemmendes oder nichthemmendes Getriebe handeln. Für ein selbsthemmendes Getriebe ist ein Schneckengetriebe besonders geeignet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Ausgangselement über ein Kardangelenk bzw. Universalgelenk am Antriebselement angebracht. Dieses Gelenk sorgt für eine Drehmomentübertragung zwischen dem Antriebselement und dem Ausgangselement und ermöglicht gleichzeitig die Schwenkbewegung des Ausgangselements gegenüber der Basis.
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Alternativ zum Kardangelenk bzw. Universalgelenk könnte ein Gleichlaufgelenk verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Schwenkring so am Ausgangselement gelagert, dass er dazu um eine Achse drehbar ist, die mit der Drehachse des Ausgangselements zusammenfällt. Der Schwenkring ermöglicht den Eingriff am Ausgangselement, so dass dieses auf mechanisch sehr einfache Weise um die Schwenkachsen verschwenkt wird.
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Für eine Bewegung des Schwenkrings gegenüber der Basis greifen die Schwenkstellglieder insbesondere in einem Winkel von 90° zueinander am Schwenkring an. Die kombinierte Wirkung der Schwenkstellglieder ermöglicht eine Verlagerung des Schwenkrings und somit des Ausgangselements in alle Richtungen.
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Für eine Verlagerung des Schwenkrings ist jedes Schwenkstellglied zum Angreifen am Schwenkring wirkungsmäßig mit einem Eingriffselement verbunden, wobei das Eingriffselement translatorisch verlagert werden kann. Dadurch ergibt sich ein mechanisch einfacher Aufbau des Schwenkgetriebes.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jedes Schwenkstellglied wirkungsmäßig mit einem Getriebe zur Umwandlung einer Drehbewegung des Schwenkmotors in eine Translationsbewegung des Eingriffselements verbunden. Das Getriebe ermöglicht das Einleiten hoher Betätigungskräfte in den Schwenkring und gleichzeitig die Verwendung eines kompakten Motors.
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Je nach Bedarf kann es sich bei dem Schwenkgetriebe um ein selbsthemmendes Getriebe, insbesondere um einen Spindelantrieb, oder um ein nichthemmendes Getriebe handeln.
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Für die Übertragung der Wirkung der Schwenkgetriebe zum Schwenkring handelt es sich bei dem Eingriffselement des Schwenkgetriebes um eine Klaue oder ein kugelförmiges Element. Dieser mechanisch einfache Aufbau ermöglicht eine zuverlässige Übertragung der Bewegung des Eingriffselements an den Schwenkring und ermöglicht dabei eine Kompensierung der Bewegung der Klaue und des kugelförmigen Elements zueinander.
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Der Schwenkring ist vorzugsweise drehfest zur Basis gehalten, um die Genauigkeit der Position der Schwenkgetriebe zu erhöhen.
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Der Schwenkring weist vorzugsweise ein Anschlagelement auf, das zwischen zwei Führungsflächen oder mehr in Eingriff ist, wobei die Führungsflächen durch die Außenflächen der Spindelantriebe bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird eine besonders kompakte Bauweise erhalten, die keinen Bauraum für eine separate Führung benötigt.
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Die Spindel der Schwenkgetriebe können sich insbesondere senkrecht zur Erstreckungsebene der Basis erstrecken, was zu einer platzsparenden Bauweise führt.
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Die Drehachsen der Motoren können so angeordnet sein, dass sie parallel zur Mittelachse der Spindelantriebe verlaufen und somit so auf der Basis liegen, dass der an die Spindelantriebe angrenzende Motor aufgenommen wird, wodurch eine kompakte Ausführung erhalten wird.
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Alternativ können die Motoren in der Basis des Schwenkantriebs untergebracht sein.
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Die Erfindung wird nun anhand der beiden Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine erste perspektivische Ansicht eines Schwenkantriebs gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine zweite perspektivische Ansicht des Schwenkantriebs aus 1;
- 3 eine Seitenansicht des Schwenkantriebs aus 1, mit einem in verschiedenen Positionen gezeigten Ausgangselement;
- 4 eine Vorderansicht des Schwenkantriebs der ersten Ausführungsform, mit dem in verschiedenen verschobenen Positionen gezeigten Ausgangselement;
- 5 den Schwenkantrieb aus 4 mit dem in einer Mittelposition gezeigten Ausgangselement;
- 6 den Schwenkantrieb gemäß der ersten Ausführungsform in einer Draufsicht;
- 7 den Schwenkantrieb gemäß der ersten Ausführungsform in einer Explosionsansicht;
- 8 den Schwenkantrieb gemäß der ersten Ausführungsform in einer Ansicht von hinten;
- 9 einen Querschnitt längs der Linien IX-IX aus 8;
- 10 einen Querschnitt längs der Linien X-X aus 9;
- 11 eine perspektivische Teilschnittansicht des Schwenkantriebs gemäß der ersten Ausführungsform;
- 12 eine Teilschnittansicht des Schwenkantriebs gemäß der ersten Ausführungsform von oben;
- 13 eine perspektivische Ansicht des Schwenkantriebs gemäß der ersten Ausführungsform mit einer abgenommenen Abdeckung;
- 14 den Schwenkantrieb aus 13 in einer anderen perspektivischen Ansicht;
- 15 einen Ausschnitt XV aus 14 in einem vergrößerten Maßstab;
- 16 eine perspektivische Unteransicht des Schwenkantriebs gemäß der ersten Ausführungsform;
- 17 eine erste perspektivische Ansicht eines Schwenkantriebs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 18 eine zweite perspektivische Ansicht des Schwenkantriebs gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 19 eine Teilschnittansicht des Schwenkantriebs gemäß der zweiten Ausführungsform von unten;
- 20 eine Vorderansicht des Schwenkantriebs gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 21 einen Querschnitt längs der Linien XXI-XXI aus 20; und
- 22 eine perspektivische Ansicht des Schwenkantriebs gemäß der zweiten Ausführungsform von unten.
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Eine erste Ausführungsform eines Schwenkantriebs 1 ist in den 1 bis 16 gezeigt.
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Im Allgemeinen dient der Schwenkantrieb 1 zur Verlagerung eines Ausgangselements 12 gegenüber einer Basis 10 des Schwenkantriebs 1. Die Verlagerung des Ausgangselements 12 kann um die drei Achsen eines Kartesischen Koordinatensystems (s. 2) erfolgen, nämlich eine Rollbewegung um eine Achse X, eine Nickbewegung um eine Achse Y und eine Gierbewegung um eine Achse Z. Die Bewegung um die Achse z wird nachfolgend als Drehung bezeichnet, während die Bewegung um die Achse x, y nachfolgend als Schwenkbewegung bezeichnet wird.
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Die Basis 10 kann feststehend angebracht sein. Alternativ ist die Basis 10 selbst beweglich angeordnet und z.B. am Ende eines Roboterarms angebracht.
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Das Ausgangselement 12 ist zur Aufnahme eines Elements vorgesehen, das von dem Schwenkantrieb 1 verlagert werden soll. In der ersten Ausführungsform ist eine Befestigungshalterung 2 mit dem Ausgangselement 12 verbunden gezeigt. Sie kann z.B. einen mechanisch betätigten Greifer aufnehmen.
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Es ist hier beispielsweise eine Drehung in einem Bereich von ± 91° (s. 6) möglich, während eine Schwenkbewegung in einem Bereich von ± 23° (s. 3 und 4) möglich ist.
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Das Ausgangselement 12 stützt sich an einem Antriebselement 14 ab, das sich seinerseits so an der Basis 10 abstützt, dass es dazu drehbar ist.
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Zur drehbaren Lagerung des Antriebselements 14 an der Basis 10 wird ein Rollenlager 16 verwendet (hier nur schematisch gezeigt). Der Außenring des Lagers 16 ist mit der Basis 10 verbunden (hier über Schrauben 18; s. insbesondere 9), während der Innenring des Lagers 16 mit dem Antriebselement 14 verbunden ist. Auch hier können Schrauben verwendet werden.
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Bei dem Rollenlager 16 handelt es sich vorzugsweise um ein Kreuzrollenlager.
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Alternativ zu einem Kreuzrollenlager kann ein einfaches Rollenlager verwendet werden. Es ist auch möglich, ein Gleitlager zu verwenden.
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Unabhängig von dem verwendeten spezifischen Lagertyp ist das Lager 16 dazu geeignet, das Antriebselement 14 in Bezug auf die Basis 10 präzise zu führen, und kann gleichzeitig die auf das Ausgangselement 12 wirkenden Kräfte aufnehmen.
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Das Ausgangselement 12 ist derart mit dem Antriebselement 14 verbunden, dass das Ausgangselement 12 in Bezug auf das Antriebselement 14 schwenkbar ist und dabei drehfest damit verbunden ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird zur Verbindung des Ausgangselements 12 mit dem Antriebselement 14 ein Kardangelenk bzw. Universalgelenk 20 verwendet.
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Das Kardangelenk 20 umfasst hier einen Kardanring 22, der über einen Stift 26 mit einem Antriebskopf 24 des Antriebselements 14 verbunden ist, der sich durch den Antriebskopf 24 erstreckt und senkrecht zur Drehachse des Antriebselements 14 ausgerichtet ist.
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Alternativ zu einem einzelnen Stift 26 können zwei kürzere Stifte verwendet werden, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und von entgegengesetzten Seiten des Antriebskopfs 24 hervorstehen.
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Eine zweite Gruppe von Stiften 28 mit einer gemeinsamen Achse ist in einem Winkel von 90° zum ersten Stift 26 angeordnet, wobei die zweiten Stifte 28 den Kardanring 22 mit dem Ausgangselement 12 verbinden.
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Alternativ zu einem Kardangelenk 20 könnte ein Gleichlaufgelenk verwendet werden, um das Ausgangsgelenk 12 in einer Drehmoment übertragenden Weise, aber schwenkbar mit dem Antriebselement 14 zu verbinden.
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Ein Drehstellglied ist zum Drehen des Antriebselements 14 und folglich auch des Ausgangselements 12 in Bezug auf die Basis 10 vorgesehen.
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Das Drehstellglied umfasst einen Elektromotor 30, bei dem es sich vorzugsweise um einen Schrittmotor handelt.
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Alternativ zu einem Schrittmotor kann ein Servomotor oder ein ähnlicher Motor verwendet werden.
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Das Drehstellglied 30 ist über ein Getriebe 32 (s. insbesondere 16) mit dem Antriebselement 14 verbunden. Das Getriebe 32 umfasst hier ein Schneckenrad 34, das von dem Drehstellglied 30 angetrieben wird, sowie ein Zahnrad 36, das in das Schneckenrad 34 eingreift und drehfest mit dem Antriebselement 14 verbunden ist.
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Das Getriebe 32 ist hier selbsthemmend ausgeführt, so dass keine Bremse oder ähnliche Vorrichtung erforderlich ist, um eine Drehung des Ausgangselements 12 unter äußeren Belastungen bei ausgeschaltetem Drehstellglied 30 zu verhindern.
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Sind keine selbsthemmenden Eigenschaften des Getriebes gewünscht, können verschiedene Strukturen zur Verbindung des Drehstellglieds 30 mit dem Antriebselement 14 verwendet werden.
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In 16 ist ein Anschlagstift 38 zu sehen, der in einen im Zahnrad 36 vorgesehenen Bogen eingreift. Der Anschlagstift 38 bietet einen mechanischen Endanschlag, der eine übermäßige Drehung des Antriebselements 14 in Bezug auf die Basis 10 verhindert.
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Es ist möglich, das Schneckenrad 34 ohne Nutzung des Drehstellglieds 30 mechanisch zu drehen. Dazu ist in der Basis 10 ein Stopfen 40 vorgesehen, der, wenn er entfernt wird, Zugang zu einer Stirnfläche der Welle bietet, auf der das Schneckenrad 34 angeordnet ist. Die Welle kann durch Einführen eines Schraubendrehers, eines Inbusschlüssels oder eines ähnlichen Werkzeugs gedreht werden.
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Zum Schwenken des Ausgangselements 12 in Bezug auf das Antriebselement 14 sind mindestens zwei Schwenkstellglieder 42, 44 vorgesehen. Ähnlich wie bei dem Drehstellglied 30 werden Schrittmotoren bevorzugt. Alternativ können Servomotoren oder ähnliche Antriebsvorrichtungen verwendet werden.
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Die Schwenkstellglieder 42, 44 wirken im Allgemeinen auf einen Schwenkring 46, der so mit dem Ausgangselement 12 verbunden ist, dass er dazu drehbar ist. Vorzugsweise wird zur Lagerung des Schwenkrings 46 am Ausgangselement 12 ein Rollenlager 48 verwendet. Jegliche in den Schwenkring 46 eingeleitete Schwenkbewegung wird somit zum Ausgangselement 12 übertragen.
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Der Schwenkring 46 ist mit zwei Betätigungsvorsprüngen 50 versehen, die hier in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind (s. 12). In der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei den Betätigungsvorsprüngen 50 um sphärische Elemente, die mit dem Schwenkring 46 verschraubt sind.
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Das Anordnen der Betätigungsvorsprünge 50 in einem Winkel von 90° zueinander ist insofern vorteilhaft, als dass die daraus resultierenden Hebelarme für die Verlagerung des Schwenkrings 46 maximal sind. Es ist jedoch möglich, einen anderen Winkel zu verwenden, mit der Ausnahme einer Anordnung, bei der die Betätigungsvorsprünge 50 (nahezu) diametral zueinander angeordnet sind.
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An jeden Betätigungsvorsprung 50 greift ein Eingriffselement 52 an, das hier als Klaue ausgebildet ist (s. insbesondere die 7 und 14).
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Die Betätigungsvorsprünge 50 sind mit einer teilweise sphärischen Form ausgebildet, an die mindestens zwei flache Flächen angreifen, die entgegengesetzt und parallel zueinander angeordnet sind. Diese Struktur ermöglicht eine Schwenkbewegung der Betätigungsvorsprünge 50 in Bezug auf die Klauen, wobei sie gleichzeitig translatorisch dazu verlagert werden können.
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Jedes Eingriffselement 52 ist mit einer Mutter 54 verbunden, die an einer Spindel 56 angeordnet ist. Jede Spindel 56 ist Teil eines Spindelantriebs 58 oder Schwenkantriebs, der zur translatorischen Verlagerung des Eingriffselements 54 verwendet wird.
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Jede Spindel 56 (s. auch 10) ist über ein Getriebe 60 (s. 16) mit dem entsprechenden Schwenkstellglied 42, 44 verbunden.
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Jeder Spindelantrieb 58 weist eine Hülle 62 auf, die dazu dient, eine Drehung der Mutter 54 zu verhindern, wenn die Spindel 56 gedreht wird.
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Der Schwenkring 46 ist drehfest zur Basis 10 gehalten, was bedeutet, dass er nicht um die Drehachse/Mittelachse des Ausgangselements 12 gedreht werden kann. In einer einfachen Ausführungsform könnte dies durch die Unterstützung jeglichen Drehmoments über die Spindelantriebe 58 erreicht werden, insbesondere über den Eingriff zwischen den Betätigungsvorsprüngen 50 und den Klauen 52.
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Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, ist der Schwenkring 46 hier mit einem Anschlagelement 64 versehen, das zwischen den Hüllen 62 der Spindelantriebe in Eingriff ist.
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Ähnlich wie bei dem Drehstellglied ist jeder Spindelantrieb 58 mit einer Endkappe 60 versehen, die, wenn sie abgenommen ist, Zugang zu dem Ende der jeweiligen Spindel ermöglicht, so dass die Spindel manuell ohne Betätigung der Schwenkstellglieder 42, 44 gedreht werden kann.
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Ein Gehäuse 68 ist vorgesehen, das alle Komponenten des Schwenkantriebs 1 zur Umgebung abdichtet. Eine flexible Dichtung 70 ist zwischen einem Rand des Gehäuses 68 und dem Ausgangselement 12 angeordnet, so dass verhindert wird, dass Verunreinigungen in das Gehäuse 68 gelangen.
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Wenn beide Eingriffselemente 52 in die gleiche Richtung verlagert werden, führt das Ausgangselement 10 eine Schwenkbewegung um die Achse y aus. Wenn eines der Eingriffselemente nach oben, während das andere nach unten bewegt wird, wird eine Schwenkbewegung um die Achse y ausgeführt. Eine geeignete Steuerung der Verlagerung der Eingriffselemente 52 ermöglicht eine Schwenkbewegung des Ausgangselements 12 in jede Richtung.
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Das Ausgangselement 12 kann außerdem durch Betätigung des Drehstellglieds 30 gedreht werden.
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Jede Schwenkbewegung erfolgt um Achsen, die sich in einem Schnittpunkt schneiden, der auf der Drehachse des Ausgangselements 12 und des Antriebselements 14 liegt. Mit anderen Worten liegt der Schnittpunkt in der Mitte des Kardangelenks, das das Antriebselement 14 mit dem Ausgangselement 12 verbindet.
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Wie in 10 zu sehen ist, sind die Spindelantriebe so angeordnet, dass sich die Drehachsen der Spindel 56 senkrecht zur Erstreckungsebene der Basis 10 erstrecken. Wie insbesondere in 9 weiter zu sehen ist, ist auch die Drehachse des Antriebselements 14 senkrecht zur Erstreckungsebene der Basis 10 angeordnet.
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Die Stellglieder 30, 42, 44 sind hier parallel zu den Spindelantrieben 58 angeordnet. Die Drehachse der in den Stellgliedern 30, 42, 44 verwendeten Motoren ist auch senkrecht zur Erstreckungsebene der Basis 10 angeordnet.
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Die zur Steuerung der Stellglieder 30, 42, 44 verwendete Ansteuerelektronik ist vorzugsweise in den Schwenkantrieb 1 integriert. Sie kann insbesondere unterhalb des Gehäuses 68 angrenzend an die Stellglieder 30, 42, 44 angeordnet sein.
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Eine zweite Ausführungsform des Schwenkantriebs 1 ist in den 17 bis 22 gezeigt. Für alle aus der ersten Ausführungsform bekannten Elemente werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die Stellglieder 30, 42, 44 nicht auf der zum Ausgangselement 12 entgegengesetzten Seite der Spindelantriebe 58 auf der Oberseite der Basis 10 angeordnet sind, sondern innerhalb der Basis 10. Dazu wird die Basis 10 in der Höhe vergrößert, um den Raum zu schaffen, der zur Aufnahme der Stellglieder 30, 42, 44 (und ggf. auch der zugehörigen Ansteuerungselektronik) erforderlich ist.
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Als Konsequenz aus der veränderten Position der Stellglieder 30, 42, 44 hat die Basis 10 nun nicht mehr eine rechteckige, sondern eine quadratische Form.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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