-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus der
EP 1 503 196 B1 ist bereits ein Drehmomentsensor mit einem monolithischen, scheibenförmigen Grundkörper bekannt, wobei sich der Grundkörper in radialer Richtung von einem ringförmigen Innenflanschbereich mit ersten Krafteinleitungsstellen über einen mit Messwertaufnehmern ausgestatteten ringförmigen Erfassungsbereich zu einem ringförmigen Außenflanschbereich mit zweiten Krafteinleitungsstellen erstreckt. Der Erfassungsbereich weist Speichen zu einer Materialschwächung im Erfassungsbereich auf. Der Drehmomentsensor wir vorzugsweise unmittelbar an einem Getriebe angeordnet. Durch die Zwischenbereiche zwischen den Speichen kann dabei Getriebefett hindurchtreten, was zu einer negativen Beeinflussung der Messwertaufnehmer führen kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es einen gattungsgemäßen Drehmomentsensor mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Abdichtung gegen Getriebefette und/oder hinsichtlich einer Herstellung. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus Drehmomentsensor mit einem monolithischen, scheibenförmigen Grundkörper, welcher sich in radialer Richtung von einem ringförmigen Innenflanschbereich mit ersten Krafteinleitungsstellen über einen mit Messwertaufnehmern ausgestatteten ringförmigen Erfassungsbereich zu einem ringförmigen Außenflanschbereich mit zweiten Krafteinleitungsstellen erstreckt.
-
Es wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsbereich in axialer Richtung geschlossen ausgebildet ist.
-
Der Drehmomentsensor kann insbesondere zur Verwendung in einem Antriebssystem vorgesehen sein, welches einen Antrieb, insbesondere einen Elektromotor und ein Getriebe, beispielsweise ein Harmonic Drive Getriebe, aufweist. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Der Drehmomentsensor ist insbesondere unmittelbar zwischen dem Antrieb und dem Getriebe der des Antriebssystems angeordnet. Der Drehmomentsensor ist insbesondere zur Wendung in Robotikantriebssystemen vorgesehen sein, welche zu einem Antrieb von Achsen eines Roboters, beispielsweise eines Montage- oder Handlingroboters, vorgesehen ist.
-
Der Drehmomentsensor weist eine Mehrzahl von Messwertaufnehmern auf, welche in dem radial zwischen den Flanschbereichen des Grundkörpers angeordneten Erfassungsbereich angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Grundkörper im Erfassungsbereich in axialer Richtung geschlossen ausgebildet. Vorzugsweise weist der Grundkörper im Erfassungsbereich eine glatte Oberfläche auf, auf welcher die Messwertaufnehmer angeordnet sind. Die glatte Oberfläche weist insbesondere eine Oberflächenrauheit mit einem Mittenrauwert Ra von höchstens 1,0 µm, vorzugsweise von höchstens 0,5 µm und bevorzugt von höchstens 0,2 µm auf. Die glatte Oberfläche erstreckt sich insbesondere über den gesamten Erfassungsbereich. Die glatte Oberfläche kann insbesondere über den gesamten Erfassungsbereich hinweg als eine ebene Oberfläche ausgebildet sein, wodurch der Erfassungsbereich insbesondere frei von Erhebungen, Vertiefungen oder Durchbrüchen und somit auch frei von Speichen ist. Alternativ kann die glatte Oberfläche beispielsweise jedoch auch einem wellenartigen Verlauf in der tangentialen und/oder in der radialen Richtung oder auch einem speichenartigen Muster folgen. Die glatte Oberfläche ist vorzugsweise vollständig geschlossen ausgebildet. Vorzugsweise sind die Messwertaufnehmer als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, welche nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Voll-Brücken verschaltet sind. Die Messwertaufnehmer sind insbesondere auf einer Oberfläche des Erfassungsbereichs fixiert. Beispielsweise können die Messwertaufnehmer auf eine Oberfläche des Erfassungsbereichs aufgeklebt sein. Die Messwertaufnehmer sind insbesondere auf einer Oberfläche des Erfassungsbereichs des Grundkörpers angeordnet, welche in einem in ein Antriebssystem montierten Zustand des Drehmomentsensors in Richtung eines Antriebs eines Antriebssystems weist. In dem montierten Zustand des Drehmomentsensors sind die Messwertaufnehmen somit auf einer einem Getriebe des Antriebssystems abgewandten Seite des Grundkörpers, insbesondere auf einer dem Getriebe abgewandten Oberfläche des Erfassungsbereichs des Grundkörpers, angeordnet. Bei einer Kraftleinleitung über die Krafteinleitungsstellen der Flanschbereiche des Grundkörpers kommt es durch ein anliegendes Drehmoment im Erfassungsbereich des Grundkörpers zu einer Verformung, welche über die dort angeordneten Messwertaufnehmer erfasst werden kann.
-
Der Grundkörper kann insbesondere aus Titan, Stahl oder Aluminium oder einer Titan-, Stahl- oder Aluminiumlegierung bestehen. Titan und Stahl weisen dabei Nachteile bei der Verarbeitung bzw. den Materialeigenschaften auf. So ist eine mechanische Nachbearbeitung von Titan aufwendig, während Stahl unvorteilhaft schwer ist. Vorzugsweise besteht der Grundkörper daher aus einer Aluminiumlegierung. Insbesondere kann der Grundkörper als Drehteil ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper jedoch als Druckgussteil ausgebildet, wodurch eine vorteilhaft einfache und kostengünstige Herstellung erreicht werden kann. Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, dass der Grundkörper in Abhängigkeit von der Anwendung, insbesondere in Abhängigkeit von den in der jeweiligen Anwendung zu messenden Drehmomenten und/oder Kräften, aus einem anderen dem Fachmann als geeignet erscheinenden Material, beispielsweise einem Duroplast-Kunststoff o. dgl., besteht.
-
Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein gattungsgemäßer Drehmomentsensor mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Abdichtung gegen Getriebefette und/oder hinsichtlich einer Herstellung bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch den in axialer Richtung geschlossen ausgeführten Erfassungsbereich des Grundkörpers des Drehmomentsensors ein Hindurchtreten von Getriebefetten durch den Drehmomentsensor hindurch vorteilhaft verhindert werden. Die auf einer einem Getriebe abgewandten Oberfläche des Erfassungsbereichs angeordneten Messwertaufnehmer sind somit vorteilhaft vor einer Beeinflussung und/oder Beschädigung durch Getriebefette geschützt, wodurch eine vorteilhaft hohe Ausfallsicherheit und/oder Erfassungsgenauigkeit des Drehmomentsensors erreicht bzw. sichergestellt werden kann. Durch die geschlossene Ausführung des Erfassungsbereichs kann zudem eine vorteilhaft einfache und kostengünstige Herstellung des Drehmomentsensors erreicht werden. Insbesondere kann der Grundkörper des Drehmomentsensors vorteilhaft als Druckgussteil hergestellt werden. Zudem entfällt eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung des Erfassungsbereichs, da keine Speichen oder Vertiefungen zur Materialschwächung in den Erfassungsbereich eingebracht werden müssen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsbereich in axialer Richtung eine geringere Materialstärke aufweist als die Flanschbereiche. Der Erfassungsbereich ist insbesondere als eine radial zwischen den Flanschbereichen des Grundkörpers angeordnete Vertiefung im Grundkörper ausgebildet. Der Erfassungsbereich ist vorzugsweise als eine ringförmige sich in axialer Richtung erstreckende Sackausnehmung im Grundkörper ausgebildet. Hierdurch kann eine Erfassung eines Drehmoments im Erfassungsbereich vorteilhaft verbessert werden, da der Erfassungsbereich gegenüber den Flanschbereichen eine reduzierte mechanische Steifigkeit aufweist. Eine durch eine Krafteinleitung an den Krafteinleitungsstellen der Flanschbereichen hervorgerufene elastische Verformung konzentriert sich daher im Erfassungsbereich des Grundkörpers, in welchem die Messwertaufnehmer zur Erfassung der Verformung als Kennwert für das Drehmoment angeordnet sind.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Drehmomentsensor eine Leiterplatte aufweist, welche zumindest eine Auswerteelektronik zur Auswertung von Messwerten der Messwertaufnehmer trägt und welche den Erfassungsbereich zumindest teilweise überdeckt. Die Leiterplatte ist axial beabstandet vom Erfassungsbereich bzw. von den im Erfassungsbereich befindlichen Messwertaufnehmer angeordnet. Der Grundkörper weist insbesondere eine um einen Außenumfang des Erfassungsbereichs umlaufende Stufe auf, welche als Abstandshalter für die Leiterplatte dient und an welcher die Leiterplatte, beispielsweise mittels Schrauben, fixiert ist. Alternativ ist es denkbar, dass die Stufe zur Fixierung der Leiterplatte sich entlang eines Innenumfangs des Erfassungsbereichs bzw. entlang eines Außenumfangs des Innenflanschbereichs erstreckt. Die Messwertaufnehmer sind insbesondere mittels Signalleitungen mit der Leiterplatte verbunden. Die auf der Leiterplatte angeordnete Auswerteelektronik ist insbesondere dazu vorgesehen, aus den Messwerten, welche von den Messwertaufnehmern erfasst und an die Auswerteelektronik übermittelt werden, ein Drehmoment zu ermitteln. Durch die Anordnung der Leiterplatte unmittelbar am Grundkörper des Drehmomentsensors, kann eine vorteilhaft hohe Integrationsdichte erreicht werden.
-
Der erfindungsgemäße Drehmomentsensor soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Drehmomentsensor zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
-
Figurenliste
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Antriebssystems mit einem Motor, einem Getriebe und einem Drehmomentsensor,
- 2 eine getriebeseitige Ansicht des Drehmomentsensors,
- 3 eine antriebsseitige Ansicht des Drehmomentsensors,
- 4 eine Schnittdarstellung des Drehmomentsensors und
- 5 eine Darstellung des Drehmomentsensors mit Leiterplatte.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Antriebssystems 40. Das Antriebssystem 40 umfasst einen Motor 42 und ein Getriebe 44, welche in einem ortsfesten Gehäuse 46 angeordnet sind. Der Motor 42 ist vorzugsweise als ein Elektromotor mit einem Stator 72 und einem Rotor 74 ausgebildet. Das Getriebe 44 ist als ein Harmonic Drive Getriebe 50 ausgebildet. Eine Welle 52 des Motors 42 ist über zwei Kugellager 56 gelagert. Die Welle 52 des Motors 42 ist durch eine Ausnehmung 48 in eine Flexspline 58 des Harmonic Drive Getriebes 50 hineingeführt. Die Durchführung ist durch einen Radialwellendichtring 60 abgedichtet. Die Welle 52 des Motors 42 ist mit einem in der Flexspline 58 des Harmonic Drive Getriebes 50 angeordneten Wave Generator 54 des Harmonic Drive Getriebes 50 verbunden und treibt diesen an. Ein Abtrieb erfolgt über ein Hohlrad 62 des Harmonic Drive Getriebes 50. Zwischen dem Motor 42 und dem Getriebe 44 ist ein Drehmomentsensor 10 angeordnet. Der Drehmomentsensor 10 ist drehfest innerhalb des Gehäuses 46 angeordnet. Ein Motorgehäuse 66 des Motors 42 und die Flexspline 58 des Harmonic Drive Getriebes 50 sind, insbesondere mittels Schrauben, drehfest an dem Drehmomentsensor 10 fixiert. Das Hohlrad 62 des Harmonic Drive Getriebes 50 ist beispielsweise mittels eines Kreuzrollenlagers 64 drehbar an dem Drehmomentsensor 10 gelagert.
-
2 zeigt eine getriebeseitige Ansicht des Drehmomentsensors 10, 3 zeigt eine antriebsseitige Ansicht des Drehmomentsensors 10 und 4 zeigt eine Schnittdarstellung des Drehmomentsensors 10. Der Drehmomentsensor 10 weist einen monolithischen und scheibenförmig ausgebildeten Grundkörper 12 auf. Der Grundkörper 12 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Grundkörper 12 kann sowohl als Drehteil oder als Druckgussteil ausgebildet sein. In radialer Richtung 28 erstreckt sich der Grundkörper 12 ausgehend von einem ringförmigen Innenflanschbereich 14 über einen ringförmigen Erfassungsbereich 20 zu einem ringförmigen Außenflanschbereich 22. Der Innenflanschbereich 14, der Erfassungsbereich 20 und der Außenflansch 22 sind konzentrisch zueinander. Der Innenflanschbereich 14 weist eine Mehrzahl von ersten Krafteinleitungsstellen 16 auf. Die ersten Krafteinleitungsstellen 16 des Innenflanschbereichs 14 können als Bohrungen, insbesondere als Gewindebohrungen, ausgebildet sein. Die ersten Krafteinleitungsstellen 16 des Innenflanschbereichs 14 sind dazu vorgesehen, die Flexspline 58 des Harmonic Drive Getriebes 50 drehfest an dem Grundkörper 12 des Drehmomentsensors 10 zu fixieren. Der Außenflanschbereich 22 weist eine Mehrzahl von zweiten Krafteinleitungsstellen 24 auf. Die zweiten Krafteinleitungsstellen 24 des Außenflanschbereichs können ebenso wie die ersten Krafteinleitungsstellen 16 des Innenflanschbereichs 14 als Bohrungen ausgebildet sein. Die zweiten Krafteinleitungsstellen 16 des Außenflanschbereichs 22 sind dazu vorgesehen, den Drehmomentsensor 10 drehfest innerhalb des Gehäuses 46 zu fixieren.
-
In dem radial zwischen dem Innenflanschbereich 14 und dem Außenflanschbereich 22 verlaufenden Erfassungsbereich 20 ist antriebsseitig eine Mehrzahl von Messwertaufnehmern 18 angeordnet. Die Messwertaufnehmer 18 sind vorzugsweise als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, die auf eine Oberfläche 30 des Erfassungsbereichs 20 aufgebracht sind. Bei einer Kraftleinleitung über die Krafteinleitungsstellen 16, 24 der Flanschbereiche 14, 22 des Grundkörpers 12 kommt es durch ein anliegendes Drehmoment im Erfassungsbereich 20 des Grundkörpers 12 zu einer Verformung, welche über die dort angeordneten Messwertaufnehmer 18 erfasst werden kann. Insbesondere um einen Kontakt der Messwertaufnehmer 18 mit Getriebefetten des Getriebes 44 zu vermeiden, ist der Erfassungsbereich 20 in axialer Richtung 26 geschlossen ausgebildet. Der Grundkörper 12 weist antriebsseitig im Erfassungsbereich 20 eine glatte und in axialer Richtung geschlossene Oberfläche 30 auf, auf welche die Messwertaufnehmer 18 aufgebracht sind. Die glatte Oberfläche 30 erstreckt sich über den gesamten Erfassungsbereich 20. Die glatte Oberfläche 30 ist hier beispielhaft als eine ebene Oberfläche ausgebildet, wodurch der Erfassungsbereich 20 vollständig frei von Erhebungen, Vertiefungen oder Durchbrüchen ist. Der Erfassungsbereich 20 als eine ringförmige sich von der Antriebsseite in axialer Richtung in Richtung der Getriebeseite erstreckende Sackausnehmung 34 im Grundkörper 12 ausgebildet. Die glatte Oberfläche 30 bildet einen Boden der Sackausnehmung 34 aus. Wie insbesondere der 4 entnommen werden kann, weist der Erfassungsbereich 20 in axialer Richtung 26 eine geringere Materialstärke auf, als die Flanschbereiche 14, 22, wodurch der Erfassungsbereich 20 gegenüber den Flanschbereichen 14, 22 eine reduzierte mechanische Steifigkeit aufweist. Eine durch eine Krafteinleitung an den Krafteinleitungsstellen 16, 24 der Flanschbereiche 16, 24 hervorgerufene elastische Verformung konzentriert sich daher im Erfassungsbereich 20 des Grundkörpers 12.
-
Der Drehmomentsensor 10 weist zudem eine Leiterplatte 36 auf, welche eine Auswerteelektronik 38 zur Auswertung von Messwerten der Messwertaufnehmer 18 trägt. Die Leiterplatte 36 ist antriebsseitig an dem Grundkörper 12 des Drehmomentsensors 10 angeordnet. In montierten Zustand überdeckt die Leiterplatte 36 den Erfassungsbereich 20 zumindest teilweise (vgl. 5). Die Leiterplatte 36 ist axial beabstandet vom Erfassungsbereich 20 bzw. von den im Erfassungsbereich 20 befindlichen Messwertaufnehmer 18 angeordnet. Der Grundkörper 12 weist eine um einen Außenumfang des Erfassungsbereichs 20 umlaufende Stufe 70 auf, welche als Abstandshalter für die Leiterplatte 36 dient und an welcher die Leiterplatte 36, beispielsweise mittels Schrauben, fixiert ist. Die Messwertaufnehmer 18 sind über Signalleitungen 68 mit der Leiterplatte 36 verbunden. Über die Signalleitungen 68 werden Messwerte der Messwertaufnehmer 18 an die Auswerteelektronik 38 auf der Leiterplatte 36 übertragen. Die auf der Leiterplatte 36 angeordnete Auswerteelektronik 38 ist insbesondere dazu vorgesehen, aus den Messwerten, welche von den Messwertaufnehmern 18 erfasst und an die Auswerteelektronik 38 übermittelt werden, ein Drehmoment zu ermitteln.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Drehmomentsensor
- 12
- Grundkörper
- 14
- Innenflanschbereich
- 16
- Krafteinleitungsstelle
- 18
- Messwertaufnehmer
- 20
- Erfassungsbereich
- 22
- Außenflanschbereich
- 24
- Krafteinleitungsstelle
- 26
- axiale Richtung
- 28
- radiale Richtung
- 30
- Oberfläche
- 34
- Sackausnehmung
- 36
- Leiterplatte
- 38
- Auswerteelektronik
- 40
- Antriebssystem
- 42
- Motor
- 44
- Getriebe
- 46
- Gehäuse
- 48
- Ausnehmung
- 50
- Harmonic Drive Getriebe
- 52
- Welle
- 54
- Wave Generator
- 56
- Kugellager
- 58
- Flexspline
- 60
- Radialwellendichtring
- 62
- Hohlrad
- 64
- Kreuzrollenlager
- 66
- Motorgehäuse
- 68
- Signalleitung
- 70
- Stufe
- 72
- Stator
- 74
- Rotor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
