DE102020128602A1 - Tension shaft transmission and elastic transmission element therefor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet. Das elastische Übertragungselement weist mindestens einen Dehnungsmesssensor, beispielsweise in Form eines Dehnungsmessstreifens zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes auf. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe.The present invention initially relates to an elastic transmission element of a stress wave transmission. Stress wave gears of this type are also referred to as harmonic drives, strain wave gears, sliding wedge gears or strain wave gears. The elastic transmission element is also referred to as a flexspline. The elastic transmission element has at least one strain gauge sensor, for example in the form of a strain gauge for measuring a mechanical stress of the elastic transmission element. Furthermore, the invention relates to a tension shaft transmission.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet. Das elastische Übertragungselement weist mindestens einen Dehnungsmesssensor, beispielsweise in Form eines Dehnungsmessstreifens zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes auf. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe.The present invention initially relates to an elastic transmission element of a stress wave transmission. Stress wave gears of this type are also referred to as harmonic drives, strain wave gears, sliding wedge gears or strain wave gears. The elastic transmission element is also referred to as a flexspline. The elastic transmission element has at least one strain gauge sensor, for example in the form of a strain gauge for measuring a mechanical stress of the elastic transmission element. Furthermore, the invention relates to a tension shaft transmission.
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.In the article by Hashimoto, M. et al.: "A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives" in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Volume 2, pages 1034-1039, April 1991 is a method for measuring of a torque in a tension shaft transmission. Strain gauges, which are arranged on an elastic transmission element of the stress wave drive, are used for the measurement.
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. Es wird ein Kalman-Filter angewendet, um hochfrequente Messsignalanteile zu eliminieren.The article by 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, May 1997 and the dissertation by Taghirad, Hamid D .: "Robust torque control of harmonic drive systems", Department of Electrical Engineering. McGill University, Montreal, 1997, show a torque sensor for measuring a torque in a stress wave transmission. A Kalman filter is used to eliminate high-frequency measurement signal components.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Messung einer mechanischen Beanspruchung, insbesondere einer durch ein Drehmoment erzeugten Scherdehnung in einem Spannungswellengetriebe, genauer und sicherer vornehmen zu können. Dabei soll die möglichst bauraum-neutral umgesetzt werden.Based on the prior art, the object of the present invention is to be able to measure a mechanical stress, in particular a shearing strain generated by a torque, in a stress wave drive more accurately and reliably. This should be implemented as space-neutrally as possible.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein elastisches Übertragungselement gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Spannungswellengetriebe gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9.Said object is achieved by an elastic transmission element according to appended claim 1. Said object is further solved by a stress wave transmission according to appended independent claim 9.
Kerngedanke der Erfindung ist dabei, das elastische Übertragungselement als Sensorelement für die Drehmomentmessung zu verwenden und diese dadurch möglichst bauraum-neutral umzusetzen. Dabei werden ein oder mehrere Dehnungssensoren, beispielsweise in Form von Dehnmessstreifen eingesetzt, um die Scherdehnungen zu erfassen, die durch das Drehmoment erzeugt werden. Die Dehnungssensoren können als Einzel-Elemente ausgewertet werden, beispielsweise im Sinne einer Viertelbrücke, oder als Sensorpaar im Sinne einer Halbbrücke oder vier oder mehr Einzel-Elemente im Sinne einer Vollbrücke.The core idea of the invention is the elastic transmission element as a sensor element to be used for torque measurement and to implement this as space-neutrally as possible. In this case, one or more strain sensors, for example in the form of strain gauges, are used in order to record the shear strains that are generated by the torque. The strain sensors can be evaluated as individual elements, for example in the sense of a quarter bridge, or as a pair of sensors in the sense of a half bridge, or four or more individual elements in the sense of a full bridge.
Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement kann eine drehmomentübertragende Komponente eines Spannungswellengetriebes bilden. Ein solches Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Das elastische Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet. Das elastische Übertragungselement ist dabei bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmomentes ausgebildet.The elastic transmission element according to the invention can form a torque-transmitting component of a stress wave transmission. Such a stress wave gear can also be referred to as a harmonic drive, strain wave gear, sliding wedge gear or strain wave gear. The elastic transmission element can also be referred to as a flexspline. The elastic transmission element is preferably designed to derive a torque to be transmitted by the tension shaft transmission.
Das elastische Übertragungselement weist dabei vorzugsweise eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die bevorzugt zwei beträgt.The elastic transmission element preferably has an external toothing which is designed to engage in an internal toothing of a rigid outer ring of the tension shaft transmission. The external toothing and the internal toothing have a difference in the number of teeth, which is preferably two.
Auf dem elastischen Übertragungselement ist mindestens ein Dehnungsmess-Sensor angeordnet, der zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes dient. Der mindestens eine Dehnungsmess-Sensor wird bevorzugt durch einen Dehnungsmessstreifen gebildet und dient bevorzugt zur Messung einer Scherdehnung, die durch das Drehmoment erzeugt wird.At least one strain gauge sensor is arranged on the elastic transmission element, which serves to measure a mechanical stress of the elastic transmission element. The at least one strain gauge sensor is preferably formed by a strain gauge and is preferably used to measure a shear strain that is generated by the torque.
Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Dehnungsmesssensor sowie alle weiteren Dehnungsmesssensoren an dem zylinderförmigen Teil und/oder an dem Flanschbereich des elastischen Übertragungselements angebracht.According to the invention, the at least one strain gauge sensor and all other strain gauge sensors are attached to the cylindrical part and/or to the flange area of the elastic transmission element.
Die erfindungsgemäßen Dehnungsmesssensoren können an dem elastischen Übertragungselement innenliegend oder außenliegend angebracht sein.The strain measurement sensors according to the invention can be attached to the inside or outside of the elastic transmission element.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der mindestens eine Dehnungssensor über mindestens einen Teil einer zur Achse des elastischen Übertragungselements konzentrisch verlaufenden KreislinieIn a preferred embodiment, the at least one strain sensor extends over at least part of a circular line running concentrically to the axis of the elastic transmission element
Die Dehnungssensoren können so gestaltet sein, dass sie nur einen Teil des Umfangs des elastischen Übertragungselements abdecken. Dabei kann ein Dehnungssensor über 90° der Kreislinie integriert sein. Die Dehnungssensoren können auch so ausgeführt sein, dass sie 180° oder 360° des Umfangs oder jeden anderen Winkelbereich des elastischen Übertragungselements abdecken.The strain sensors can be designed in such a way that they only cover part of the circumference of the elastic transmission element. A strain sensor can be integrated over 90° of the circular line. The strain sensors can also be designed in such a way that they cover 180° or 360° of the circumference or any other angular range of the elastic transmission element.
Ebenso können diese Ausführungen kombiniert werden oder Mehrfach-Anordnungen der drei zuvor genannten Varianten gewählt werden. Die Sensoren können z.B. auf mehreren konzentrisch angeordneten Kreislinien liegen, oder zwei 45° abdeckende Sensoren und zwei 90° abdeckende Sensoren können auf derselben Kreislinie liegen. Likewise, these versions can be combined or multiple arrangements of the three variants mentioned above can be selected. For example, the sensors can lie on several concentrically arranged circles, or two sensors covering 45° and two sensors covering 90° can lie on the same circle.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal jedes der Dehnungssensoren einzeln als eine Sensor-Einheit ausgewertet.In a preferred embodiment, the signal from each of the strain sensors is evaluated individually as a sensor unit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Signale der Dehnungssensoren paarweise als eine Sensor-Einheit ausgewertet.In a further preferred embodiment, the signals from the strain sensors are evaluated in pairs as a sensor unit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Signale der Dehnungssensoren in Gruppen von vier oder mehr als jeweils eine Sensor-Einheit ausgewertet.In a further preferred embodiment, the signals from the strain sensors are evaluated in groups of four or more than one sensor unit each.
Derartige Sensor-Einheiten können dergestalt angeordnet werden, dass drei Sensor-Einheiten um 120° versetzt um einen Mittelpunkt auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet sind. Damit lässt sich die Position des Wellgenerators und das wirkende Drehmoment mittels der trigonometrischen Additionstheoreme rekonstruieren.Such sensor units can be arranged in such a way that three sensor units are arranged offset by 120° around a center point on the elastic transmission element. This allows the position of the wave generator and the effective torque to be reconstructed using the trigonometric addition theorems.
Alternativ können derartige Sensor-Einheiten dergestalt angeordnet werden, dass vier Sensor-Einheiten um einen Mittelpunkt auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet sind. Damit lässt sich die Position des Wellgenerators und das wirkende Drehmoment mittels der trigonometrischen Additionstheoreme rekonstruieren, und es ist redundante Information verfügbar.Alternatively, such sensor units can be arranged in such a way that four sensor units are arranged around a center point on the elastic transmission element. This allows the position of the wave generator and the effective torque to be reconstructed using the trigonometric addition theorems, and redundant information is available.
Zwei oder mehr Dehnungssensoren, die im Sinne einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet werden, können auf Kreislinien mit unterschiedlichen Radien bezogen auf die Achse des elastischen Übertragungselements angebracht werden.Two or more strain sensors, which are connected in the sense of a half or full bridge, can be attached to circular lines with different radii in relation to the axis of the elastic transmission element.
Zwei oder mehr Dehnungssensoren, die im Sinne einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet werden, können auf Kreislinien mit gleichen Radien bezogen auf die Achse des elastischen Übertragungselements angebracht werden.Two or more strain sensors, which are connected in the sense of a half or full bridge, can be attached to circular lines with the same radii in relation to the axis of the elastic transmission element.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes ist der mindestens eine Dehnungsmessstreifen über elektrische Verbindungen mit einer Messsignalverarbeitungseinheit des Drehmomentsensors verbunden. Die Messsignalverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt Messsignalverstärker, Messsignaladditionseinheiten, Messsignalinverter, analoge Filter, digitale Filter, AD-Wandler, einen Mikroprozessor und Datenspeicher.In preferred embodiments of the elastic transmission element according to the invention, the at least one strain gauge is fen connected via electrical connections to a measurement signal processing unit of the torque sensor. The measurement signal processing unit preferably includes measurement signal amplifiers, measurement signal addition units, measurement signal inverters, analog filters, digital filters, AD converters, a microprocessor and data memory.
Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist bevorzugt einen büchsenförmigen Abschnitt in Form einer Hülse auf, auf welchem die Außenverzahnung ausgebildet ist. Der büchsenförmige Abschnitt besteht aus einem Metall, welches die metallische Oberfläche des elastischen Übertragungselementes bildet. Auf dem büchsenförmigen Abschnitt und/oder auf dem flanschförmigen Abschnitt ist bevorzugt der mindestens eine Dehnungssensor angeordnet. Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist bevorzugt die Form eines Napfes auf, welche auch als Cup-Form bezeichnet wird.The elastic transmission element according to the invention preferably has a bush-shaped section in the form of a sleeve, on which the external toothing is formed. The sleeve-shaped section consists of a metal which forms the metallic surface of the elastic transmission element. The at least one strain sensor is preferably arranged on the sleeve-shaped section and/or on the flange-shaped section. The elastic transmission element according to the invention preferably has the shape of a bowl, which is also referred to as a cup shape.
Das elastische Übertragungselement umfasst bevorzugt weiterhin einen sich in axialer Richtung an den büchsenförmigen Abschnitt anschließenden kreisring- bzw. scheibenförmigen Abschnitt. Der kreisringförmige Abschnitt weist bevorzugt die Form eines Kragens oder eines Flansches auf. Entsprechend weist das elastische Übertragungselement die Form einer Kragenhülse auf. Der kreisringförmige Abschnitt dient dazu, eine Welle an das Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Welle zu übertragen. Der büchsenförmige Abschnitt und der kreisring- bzw. scheibenförmige Abschnitt weisen eine gemeinsame Achse auf.The elastic transmission element preferably also comprises a circular ring-shaped or disk-shaped section adjoining the bush-shaped section in the axial direction. The annular section preferably has the shape of a collar or a flange. Correspondingly, the elastic transmission element has the form of a collar sleeve. The annular section serves to couple a shaft to the transmission element in order to transmit torque to the shaft. The sleeve-shaped section and the annular or disk-shaped section have a common axis.
Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist 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.The elastic transmission element according to the invention preferably has the shape of a top hat, which is also referred to as a silk hat shape. This embodiment is suitable for coupling a larger hollow shaft to the transmission element in order to transmit torque to the hollow shaft. The hollow shaft preferably forms a component of a robot.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes bilden mehreren Dehnungsmessstreifen eine Wheatstonesche Brücke.In preferred embodiments of the elastic transmission element according to the invention, several strain gauges form a Wheatstone bridge.
Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe 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 oder Resal-kurvenförmigen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe besteht bevorzugt aus einem Stahl und bildet bevorzugt einen Antrieb 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 das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement. Zwischen der nicht-kreisförmigen Scheibe und dem elastischen Übertragungselement befinden sich bevorzugt Wälzkörper eines Wellgeneratorlagers.The stress wave transmission according to the invention has a wave generator which comprises a non-circular disk and preferably a deformable race. The non-circular disc has a non-circular cross-section. The non-circular disc preferably has an elliptical, oval, or resal-curved cross-section. The non-circular disk is preferably made of a steel and preferably forms a drive of the stress wave gear. The strain wave gear further includes a rigid outer ring with an internal toothing. The outer ring is preferably designed as a hollow cylinder and is also referred to as a circular spline. The stress wave transmission also includes the elastic transmission element according to the invention. Rolling bodies of a wave generator bearing are preferably located between the non-circular disk and the elastic transmission element.
Das Spannungswellengetriebe umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Im Übrigen weist das Spannungswellengetriebe bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Übertragungselement beschrieben sind.The stress wave transmission preferably comprises one of the described preferred embodiments of the elastic transmission element according to the invention. In addition, the tension shaft transmission preferably also has features that are described in connection with the transmission element according to the invention.
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