DE102021201198B3 - Rotary drive for providing a rotary movement and method for operating a rotary drive - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb (1) zur Bereitstellung einer Drehbewegung, mit einem Antriebsgehäuse (4), an dem eine Antriebswelle (7) drehbeweglich um eine Antriebsachse (5) gelagert ist, mit einem elektrischen Stellantrieb (20), der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse (4) gelagertes, elektrisch antreibbares Stellglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse (7) ausgebildet ist, und mit einem pneumatischen Stellantrieb (30), der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse (4) gelagertes, pneumatisch antreibbares Antriebsglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse (7) ausgebildet ist, sowie mit einer, insbesondere genau einer, Sensoreinrichtung (43) zur Erfassung einer Rotationsstellung der Antriebswelle (7) gegenüber dem Antriebsgehäuse (4), die ein Geberelement (42) und einen Sensor (41) zur Erfassung einer Position des Geberelements (42) umfasst.The invention relates to a rotary drive (1) for providing a rotary movement, with a drive housing (4) on which a drive shaft (7) is mounted so that it can rotate about a drive axis (5), with an electric actuator (20) which has a movable relative to the The drive housing (4) has an electrically drivable actuator which is designed to introduce torque to the drive axle (7), and a pneumatic actuator (30) which has a pneumatically drivable drive element which is movably mounted relative to the drive housing (4) and which is designed for introducing torque to the drive axle (7), and with one, in particular exactly one, sensor device (43) for detecting a rotational position of the drive shaft (7) relative to the drive housing (4), which has a transmitter element (42) and a sensor ( 41) for detecting a position of the transmitter element (42).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb zur Bereitstellung einer Drehbewegung, hierbei umfasst der Drehantrieb ein Antriebsgehäuse, an dem eine Antriebswelle drehbeweglich um eine Antriebsachse gelagert ist, sowie einen elektrischen Stellantrieb, der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse gelagertes, elektrisch antreibbares Stellglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse ausgebildet ist, und einen pneumatischen Stellantrieb, der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse gelagertes, pneumatisch antreibbares Antriebsglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Drehantriebs.The invention relates to a rotary drive for providing a rotary movement, in this case the rotary drive comprises a drive housing on which a drive shaft is mounted so that it can rotate about a drive axis, and an electric actuator which has an electrically drivable actuator which is mounted movably relative to the drive housing and is used for introducing torque is formed on the drive axle, and a pneumatic actuator, which has a movably mounted relative to the drive housing, pneumatically drivable drive member, which is designed for introducing torque onto the drive axle. Furthermore, the invention relates to a method for operating a rotary drive.

Aus der DE 10 327 371 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Positionssteuerungsvorrichtung für einen elektrofluidtechnischen Antrieb mit einem fluidtechnischen und einem elektrischen Aktor zum Antreiben einer Kraftabgriffseinrichtung mit den folgenden Schritte bekannt: Ermitteln einer von dem fluidtechnischen Aktor und dem elektrischen Aktor insgesamt zu erbringenden Soll-Gesamt-Antriebskraft für eine Positionierbewegung der Kraftabgriffseinrichtung hin zu einem der Positionssteuerungsvorrichtung vorgebbaren Positionierort, Ermitteln einer vom fluidtechnischen Aktor zu erbringenden Soll-Fluid-Antriebskraft und einer vom elektrischen Aktor zu erbringenden Soll-Elektro-Antriebskraft anhand der Soll-Gesamt-Antriebskraft, derart, dass die Soll-Elektro-Antriebskraft für dynamischere Anteile an der Soll-Gesamt-Antriebskraft als die Soll-Fluid-Antriebskraft vorgesehen ist, und Ansteuern des fluidtechnischen Aktors gemäß der Soll-Fluid-Antriebskraft und des elektrischen Aktors gemäß der Soll-Elektro-Antriebskraft.From the DE 10 327 371 A1 discloses a method for operating a position control device for an electro-fluidic drive with a fluidic and an electric actuator for driving a force take-off device with the following steps: Determining a target total driving force to be generated by the fluidic actuator and the electric actuator for a positioning movement of the Force pickup device towards a positioning location that can be specified for the position control device, determining a target fluid drive force to be generated by the fluidic actuator and a target electric drive force to be generated by the electric actuator based on the target total drive force, such that the target electric drive force is provided for more dynamic components of the target total driving force than the target fluid driving force, and controlling the fluidic actuator according to the target fluid driving force and the electric actuator according to the target electric driving force.

Die DE 33 10 210 C2 offenbart ein Industrierobotergelenk mit eingebautem elektrischen Antriebsmotor und Getriebe und mit einer Einrichtung zur Spielbeseitigung, wobei im Gelenk zusätzlich ein pneumatischer Drehantrieb eingebaut ist und wobei der Drehantrieb so angeordnet ist, dass sein Ritzel in ein Rad der letzten Getriebestufe der Antriebsseite eingreift.the DE 33 10 210 C2 discloses an industrial robot joint with built-in electric drive motor and gear and with a device for eliminating backlash, a pneumatic rotary drive also being built into the joint and the rotary drive being arranged in such a way that its pinion engages in a wheel of the last gear stage on the drive side.

Aus der DE 22 24 349 A ist ein Manipulator mit mindestens einem an einem Basisteil angeordneten, an seinem freien Ende ein Werkzeug tragendes und mittels eines Stellantriebes bewegbaren Gliedes bekannt, wobei der Stellantrieb von einem elektropneumatischen Antrieb gebildet ist, der einen mit einem Getriebe hoher Untersetzung verbundenen pneumatischen Motor und einen dessen Luftzufuhr über ein Steuerventil beeinflussenden elektrischen Schrittmotor umfasst, wobei das Steuerventil mit der Motorabtriebswelle verbunden ist und zwei diametral angeordnete Düsensysteme aufweist, deren Durchflussquerschnitte durch eine mit dem Schrittmotor verbundene Prallplatte steuerbar sind.From the DE 22 24 349 A discloses a manipulator with at least one member arranged on a base part, carrying a tool at its free end and movable by means of an actuator, the actuator being formed by an electropneumatic drive which has a pneumatic motor connected to a high-reduction gear and an air supply thereof via a control valve influencing electric stepping motor, wherein the control valve is connected to the motor output shaft and has two diametrically arranged nozzle systems whose flow cross sections can be controlled by a stepper motor connected to the baffle plate.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebseinrichtung bereitzustellen, die zur Verwendung in einem Robotersystem geeignet ist.The object of the invention is to provide a drive device that is suitable for use in a robot system.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt mit einem Drehantrieb gelöst, der zur Bereitstellung einer Drehbewegung ausgebildet ist. Der Drehantrieb umfasst ein Antriebsgehäuse, an dem eine Antriebswelle drehbeweglich um eine Antriebsachse gelagert ist, sowie einen elektrischen Stellantrieb, der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse gelagertes, elektrisch antreibbares Stellglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse ausgebildet ist, und einen pneumatischen Stellantrieb, der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse gelagertes, pneumatisch antreibbares Antriebsglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse ausgebildet ist, sowie eine, insbesondere genau eine, Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Rotationsstellung der Antriebswelle gegenüber dem Antriebsgehäuse, die ein Geberelement und einen Sensor zur Erfassung einer Position des Geberelements umfasst.According to a first aspect, this object is achieved with a rotary drive which is designed to provide a rotary movement. The rotary drive comprises a drive housing on which a drive shaft is mounted so that it can rotate about a drive axis, and an electric actuator which has an electrically drivable actuator which is mounted movably relative to the drive housing and is designed for introducing torque to the drive axis, and a pneumatic actuator, which has a pneumatically drivable drive member that is mounted movably relative to the drive housing and is designed for introducing torque to the drive axle, as well as one, in particular exactly one, sensor device for detecting a rotational position of the drive shaft relative to the drive housing, which has a transmitter element and a sensor for detecting a Includes position of the donor element.

Ein derartiger Drehantrieb kann beispielsweise zur beweglichen Kopplung eines ersten Armteils eines Industrieroboters mit einem zweiten Armteil des Industrieroboters eingesetzt werden, um eine Schwenkbewegung der beiden Armteile zueinander um die Antriebsachse zu ermöglichen.Such a rotary drive can be used, for example, to movably couple a first arm part of an industrial robot to a second arm part of the industrial robot in order to enable a pivoting movement of the two arm parts relative to one another about the drive axis.

Hierzu umfasst der Drehantrieb ein Antriebsgehäuse, das beispielhaft als Hohlzylinder ausgebildet sein kann, der beidseitig mit jeweils einem Abschlussdeckel versehen ist, wobei eine Antriebswelle wenigstens einen der Abschlussdeckel durchsetzt und somit eine Kopplung mit einer weiteren Komponente wie beispielsweise einem zweiten Armteil eines Industrieroboters ermöglicht, während das Antriebsgehäuse beispielsweise mit dem ersten Armteil des Industrieroboters verbunden sein kann.For this purpose, the rotary drive comprises a drive housing, which can be designed as a hollow cylinder, for example, which is provided with a cover on each side, with a drive shaft passing through at least one of the cover covers and thus enabling a coupling with another component, such as a second arm part of an industrial robot, while the drive housing can be connected to the first arm part of the industrial robot, for example.

Dem Antriebsgehäuse sind ein elektrischer Stellantrieb und ein pneumatischer Stellantrieb zugeordnet, die jeweils für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebswelle des Drehantriebs ausgebildet sind. Dabei sind sowohl der elektrische Stellantrieb als auch der pneumatische Stellantrieb derart konfiguriert, dass der jeweilige Stellantrieb ohne Energiezufuhr keine nennenswerte Antriebswirkung oder Bremswirkung für die Antriebswelle hervorruft. Insbesondere sind die beiden Stellantriebe nicht selbsthemmend ausgebildet.An electric actuator and a pneumatic actuator are assigned to the drive housing, each of which is designed to introduce torque onto the drive shaft of the rotary drive. In this case, both the electric actuator and the pneumatic actuator are configured in such a way that the respective actuator does not cause any appreciable driving effect or braking effect for the drive shaft without the supply of energy. In particular, the two actuators are not self-locking.

Jeder der beiden Stellantriebe umfasst ein Stellglied, das beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse gelagert ist und ortsfest an der Antriebswelle aufgenommen ist und das bei Bereitstellung der jeweiligen Antriebsenergie an den jeweiligen Stellantrieb zur Drehmomenteinleitung auf die Antriebswelle führt.Each of the two actuators includes an actuator that is movable relative to the drive housing is mounted and is received in a stationary manner on the drive shaft and which, when the respective drive energy is provided to the respective actuator, leads to the introduction of torque onto the drive shaft.

Ferner weist der Drehantrieb eine Sensoreinrichtung auf, die ein Geberelement und einen Sensor zur Erfassung der Position des Geberelements umfasst, wobei die Sensoreinrichtung zur Bereitstellung eines elektrischen Sensorsignals in Abhängigkeit von der Position des Geberelements ausgebildet ist. Die Sensoreinrichtung ist insbesondere zur Erfassung einer rotatorischen Relativposition zwischen Antriebswelle und Antriebsgehäuse ausgebildet und kann beispielsweise als Encoder, Drehgeber, Drehwinkelsensor, Inkrementalgeber oder Resolver ausgeführt sein.Furthermore, the rotary drive has a sensor device that includes a transmitter element and a sensor for detecting the position of the transmitter element, wherein the sensor device is designed to provide an electrical sensor signal depending on the position of the transmitter element. The sensor device is designed in particular to detect a relative rotational position between the drive shaft and the drive housing and can be designed, for example, as an encoder, rotary encoder, angle of rotation sensor, incremental encoder or resolver.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Zweckmäßig ist es, wenn der elektrische Stellantrieb als, vorzugsweise getriebeloser, Direktantrieb, insbesondere als Synchronmotor, mit einem koaxial zur Antriebsachse angeordneten Rotor und einem koaxial zur Antriebsachse angeordneten Stator ausgebildet ist und dass das Stellglied des elektrischen Stellantriebs von dem Rotor oder von dem Stator gebildet wird. Bei einem Direktantrieb wird die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung unmittelbar in eine Rotationsbewegung des Rotors gegenüber dem Stator umgesetzt, wobei der Stator am Antriebsgehäuse festgelegt ist, während der Rotor an der Antriebswelle festgelegt ist. Bei einem als Synchronmotor ausgebildeten elektrischen Stellantrieb umfasst der Stator eine Spulenanordnung, die von einem Spulenstrom durchflossen werden kann, um eine Magneteinwirkung auf den Rotor auszuüben. Der Rotor kann beispielhaft mit einer Permanentmagnetanordnung versehen sein, die in magnetischer Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators steht und bei geeigneter Ausgestaltung des Magnetfelds des Stators eine Drehmomenteinleitung erfährt.It is expedient if the electric actuator is designed as a preferably gearless direct drive, in particular as a synchronous motor, with a rotor arranged coaxially with the drive axis and a stator arranged coaxially with the drive axis, and that the actuator of the electric actuator is formed by the rotor or by the stator becomes. In the case of a direct drive, the electrical power that is made available is converted directly into a rotational movement of the rotor relative to the stator, with the stator being fixed to the drive housing, while the rotor is fixed to the drive shaft. In the case of an electric actuator designed as a synchronous motor, the stator comprises a coil arrangement through which a coil current can flow in order to exert a magnetic effect on the rotor. The rotor can be provided with a permanent magnet arrangement, for example, which interacts magnetically with the magnetic field of the stator and, given a suitable configuration of the magnetic field of the stator, undergoes a torque introduction.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der pneumatische Stellantrieb als Direktantrieb, insbesondere als Schwenkflügelantrieb, mit einem im Antriebsgehäuse kreisringabschnittsförmig ausgebildeten Arbeitsraum und einem schwenkbeweglich um die Antriebsachse im Arbeitsraum gelagerten sowie abdichtend im Arbeitsraum aufgenommenen Arbeitsflügel ausgebildet ist und dass der Arbeitsflügel das Antriebsglied des pneumatischen Stellantriebs bildet. Hierbei unterteilt der abdichtend im Arbeitsraum aufgenommene Arbeitsflügel den Arbeitsraum in eine erste Arbeitskammer und eine zweite Arbeitskammer, die jeweils getrennt voneinander belüftet und entlüftet werden können, um einen Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitskammern zu beeinflussen. In Abhängigkeit von dem Differenzdruck stellt sich eine resultierende Druckkraft auf den Arbeitsflügel ein, die in einem Drehmoment für die Antriebswelle resultiert. Durch diese auf den Arbeitsflügel einwirkende resultierende Druckkraft kann der Arbeitsflügel eine Rotationsbewegung um die Antriebsachse durchführen, sofern das vom Antriebsflügel auf die Antriebsachse ausgeübte Drehmoment größer als ein auf die Antriebsachse einwirkendes Bremsmoment ist, das beispielsweise von einer mit der Antriebsachse verbundenen Maschinenkomponente, die vom Drehantrieb angetrieben werden soll, ausgeübt wird. Während das vom Arbeitsflügel auf die Antriebswelle einwirkende Drehmoment von der Druckdifferenz zwischen erste Arbeitskammer und zweite Arbeitskammer bestimmt wird, wird eine Steifigkeit des Drehantriebs, die als Widerstandsmoment gegen ein von außen aufgeprägtes Drehmoment definiert werden kann, von einem Absolutdruckniveau bestimmt, das in der ersten und der zweiten Arbeitskammer vorherrscht. Eine Einstellung dieser Steifigkeit erfolgt insbesondere im Hinblick auf Genauigkeitsanforderungen für die Durchführung von Drehbewegungen und Einhaltung von Drehpositionen für den Drehantrieb sowie in Abhängigkeit von der Gewichtskraft der mit dem Drehantrieb verbundenen Komponente, bei der es sich beispielsweise um einen Armteil eines Roboters handeln kann.It is preferably provided that the pneumatic actuator is designed as a direct drive, in particular as a pivoting vane drive, with a working chamber in the drive housing designed in the shape of a circular ring segment and a working vane that is mounted in the working chamber so that it can pivot about the drive axis and is sealingly accommodated in the working chamber, and that the working vane forms the drive member of the pneumatic actuator. Here, the working wing sealingly accommodated in the working space divides the working space into a first working chamber and a second working chamber, which can each be aerated and vented separately from one another in order to influence a differential pressure between the two working chambers. Depending on the differential pressure, a resultant pressure force is applied to the working blade, which results in a torque for the drive shaft. This resultant compressive force acting on the working wing allows the working wing to rotate about the drive axis, provided that the torque exerted by the drive wing on the drive axis is greater than a braking torque acting on the drive axis, which, for example, is caused by a machine component connected to the drive axis, by the rotary drive to be driven is exercised. While the torque acting on the drive shaft from the working blade is determined by the pressure difference between the first working chamber and the second working chamber, a rigidity of the rotary drive, which can be defined as a moment of resistance against an externally applied torque, is determined by an absolute pressure level that occurs in the first and of the second working chamber prevails. This rigidity is adjusted in particular with regard to accuracy requirements for performing rotary movements and maintaining rotary positions for the rotary drive and depending on the weight of the component connected to the rotary drive, which can be an arm part of a robot, for example.

Vorteilhaft ist es, wenn am Antriebsgehäuse eine Steuereinrichtung angeordnet ist, die für eine elektrische Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs und für eine elektrische Ansteuerung einer, insbesondere am Antriebsgehäuse angebrachten, Ventilanordnung für den pneumatischen Stellantrieb und für eine Auswertung eines Sensorsignals der Sensoreinrichtung ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung ermöglicht eine dezentrale Ansteuerung des Drehantriebs, insbesondere unter Berücksichtigung der Sensorsignale der Sensoreinrichtung. Die Steuereinrichtung weist beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor auf, auf dem ein Computerprogramm abläuft, mit dessen Hilfe eine Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs und eine Ventilanordnung vorgenommen werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung wenigstens eine elektrische Endstufe umfasst, die in Abhängigkeit von Antriebssignalen, die vom Mikrocontroller oder Mikroprozessor bereitgestellt werden, eine Freigabe von elektrischer Energie an den elektrischen Stellantrieb vornimmt. Ferner ist die Steuereinrichtung für eine elektrische Ansteuerung einer Ventilanordnung vorgesehen, die in Abhängigkeit von Ventilsteuersignalen, die vom Mikrocontroller oder Mikroprozessor bereitgestellt werden, eine wahlweise Bereitstellung oder Abfuhr von Druckluft an den pneumatischen Stellantrieb, insbesondere an eine erste Arbeitskammer und eine zweite Arbeitskammer des pneumatischen Stellantriebs, vornehmen kann. Die Steuereinrichtung kann für eine autarke Ansteuerung des Drehantriebs ausgebildet sein, ohne hierfür Informationen oder Signale einer übergeordneten Steuerung zu benötigen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung mit einer übergeordneten Steuerung, bei der es sich beispielsweise um eine Robotersteuerung zur Ansteuerung sämtliche Achsen eines Roboters handeln kann, über eine geeignete elektrische Verbindung, insbesondere über eine Buskommunikationsverbindung, verbunden ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung beispielsweise eine Winkelvorgabe oder eine Drehmomentvorgabe von der übergeordneten Steuerung erhält und diese in eine entsprechende Drehbewegung des Drehantriebs umsetzt.It is advantageous if a control device is arranged on the drive housing, which is designed for electrically activating the electric actuator and for electrically activating a valve arrangement, in particular mounted on the drive housing, for the pneumatic actuator and for evaluating a sensor signal from the sensor device. The control device enables a decentralized control of the rotary drive, in particular taking into account the sensor signals of the sensor device. The control device has, for example, a microcontroller or microprocessor on which a computer program runs, with the aid of which the electric actuator and a valve arrangement can be controlled. By way of example, it is provided that the control device comprises at least one electrical output stage which releases electrical energy to the electrical actuator as a function of drive signals provided by the microcontroller or microprocessor. Furthermore, the control device is provided for electrical activation of a valve arrangement which, depending on valve control signals provided by the microcontroller or microprocessor, selectively supplies or discharges compressed air to the pneumatic actuator, in particular to a first working chamber and a second working chamber chamber of the pneumatic actuator. The control device can be designed for autonomous control of the rotary drive without requiring information or signals from a higher-level controller for this purpose. Provision is preferably made for the control device to be connected via a suitable electrical connection, in particular via a bus communication connection, to a higher-level controller, which can be, for example, a robot controller for controlling all axes of a robot. In this case, it can be provided that the control device receives, for example, an angle specification or a torque specification from the higher-level controller and converts this into a corresponding rotary movement of the rotary drive.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Stellantrieb, der pneumatische Stellantrieb und die Steuereinrichtung längs der Antriebsachse aufgereiht angeordnet sind und dass das Geberelement oder der Sensor der Sensoreinrichtung drehfest mit einem Endbereich der Antriebswelle gekoppelt ist. Durch eine derartige axiale Aneinanderreihung der jeweils als Baugruppe anzusehenden Komponenten: elektrischer Stellantrieb, pneumatische Stellantrieb, Steuereinrichtung lässt sich eine kompakte Gestaltung des Drehantriebs verwirklichen. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der pneumatische Stellantrieb in einer quer zur Antriebsachse ausgerichteten Querschnittsebene einen maximalen Querschnitt für den Drehantrieb bestimmt und der elektrische Stellantrieb sowie die Steuereinrichtung derart ausgestaltet sind, dass sie innerhalb dieses maximalen Querschnitts liegen.An advantageous development of the invention provides that the electric actuator, the pneumatic actuator and the control device are arranged in a row along the drive axis and that the transmitter element or the sensor of the sensor device is coupled in a torque-proof manner to an end region of the drive shaft. A compact design of the rotary drive can be achieved by such an axial juxtaposition of the components to be considered as an assembly: electric actuator, pneumatic actuator, control device. For example, it is provided that the pneumatic actuator determines a maximum cross section for the rotary drive in a cross-sectional plane aligned transversely to the drive axis and the electric actuator and the control device are designed such that they lie within this maximum cross section.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12 ausgebildet ist.In a further embodiment of the invention, it is provided that the control device is designed to carry out a method according to one of Claims 8 to 12.

Vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Stellantrieb für eine Einleitung eines ersten Maximaldrehmoments auf die Antriebswelle ausgebildet ist und dass der pneumatische Stellantrieb für eine Einleitung eines zweiten Maximaldrehmoments auf die Antriebswelle ausgebildet ist, wobei das erste Maximaldrehmoment weniger als 30 Prozent, bevorzugt weniger als 20 Prozent, insbesondere weniger als 10 Prozent, des zweiten Maximaldrehmoments beträgt. Grundsätzlich sind der elektrische Stellantrieb und der pneumatische Stellantrieb derart aufeinander abgestimmt, dass ein überwiegender Anteil des von beiden Stellantrieben auf die Antriebswelle einzuleitenden Drehmoments vom pneumatischen Stellantrieb bereitgestellt wird, während der elektrische Stellantrieb einen deutlich geringeren Anteil an diesem Drehmoment hat. Hierbei liegt die Überlegung zu Grunde, dass der pneumatische Stellantrieb ein hohes Drehmoment kostengünstig zur Verfügung stellen kann, jedoch im Hinblick auf seine Dynamik, also Fähigkeit zur raschen Anpassung des Drehmoments, eher beschränkt ist. Demgegenüber weist der elektrische Stellantrieb eine hohe Dynamik auf, ist aber im Hinblick auf die Herstellungskosten teurer als der pneumatische Stellantrieb und wird daher schwächer als der pneumatische Stellantrieb dimensioniert, um im Ergebnis zu einem kostenseitig attraktiven Endprodukt zu gelangen.It is advantageous if the electric actuator is designed to introduce a first maximum torque to the drive shaft and that the pneumatic actuator is designed to introduce a second maximum torque to the drive shaft, with the first maximum torque being less than 30 percent, preferably less than 20 percent , In particular less than 10 percent of the second maximum torque. In principle, the electric actuator and the pneumatic actuator are matched to one another in such a way that a predominant portion of the torque to be introduced by both actuators onto the drive shaft is provided by the pneumatic actuator, while the electric actuator has a significantly smaller portion of this torque. This is based on the idea that the pneumatic actuator can provide a high torque at low cost, but is rather limited in terms of its dynamics, i.e. the ability to quickly adjust the torque. In contrast, the electric actuator has high dynamics, but is more expensive than the pneumatic actuator in terms of manufacturing costs and is therefore dimensioned weaker than the pneumatic actuator in order to achieve an end product that is attractive in terms of costs.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren zum Betreiben eines Drehantriebs gelöst, dass die nachfolgenden Schritte umfasst: Erfassen einer Rotationsstellung einer Antriebswelle gegenüber einem Antriebsgehäuse mit einer Sensoreinrichtung, die ein Geberelement und einen Sensor zur Erfassung einer Position des Geberelements umfasst und Bereitstellen eines Sensorsignals von der Sensoreinrichtung an eine Steuereinrichtung, Ermitteln einer Stellungsabweichung zwischen einem Sollwert für die Rotationsstellung und einem Istwert für die Rotationsstellung, Bereitstellung von Ventilsteuersignalen von der Steuereinrichtung an eine Ventilanordnung in Abhängigkeit von der Stellungsabweichung, um eine Veränderung der Rotationsstellung durch einen pneumatischen Stellantrieb zu bewirken, Bereitstellung von Antriebssignalen an einen elektrischen Stellantrieb, um eine Veränderung der Rotationsstellung zu bewirken, wobei die Steuereinrichtung die Ventilsteuersignale mit einer Ventilsteuerung ermittelt und dass die Steuereinrichtung die Antriebssignale mit einem Antriebsregler ermittelt.The object of the invention is achieved according to a second aspect by a method for operating a rotary drive, which comprises the following steps: detecting a rotational position of a drive shaft relative to a drive housing with a sensor device, which includes a transmitter element and a sensor for detecting a position of the transmitter element and Providing a sensor signal from the sensor device to a control device, determining a position deviation between a setpoint value for the rotational position and an actual value for the rotational position, providing valve control signals from the control device to a valve arrangement depending on the position deviation, in order to change the rotational position using a pneumatic actuator to effect, providing drive signals to an electric actuator to effect a change in rotational position, the controller using the valve control signals determined by a valve controller and that the control device determines the drive signals with a drive controller.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ein Drehmomentsignal von einer übergeordneten Steuerung empfängt und aus dem Drehmomentsignal den Sollwert für die Rotationsstellung ermittelt und dass die Ventilsteuerung den Sollwert für eine Ermittlung eines ersten Ventilsteuersignals für eine erste Arbeitskammer des pneumatischen Stellantriebs und für eine Ermittlung eines zweiten Ventilsteuersignals für eine zweite Arbeitskammer des pneumatischen Stellantriebs ermittelt, wobei ein Differenzdruck zwischen der ersten Arbeitskammer und der zweiten Arbeitskammer von der Steuerung oder von der Steuereinrichtung vorgegeben wird.In an advantageous development of the method, it is provided that the control device receives a torque signal from a higher-level controller and determines the setpoint for the rotational position from the torque signal, and that the valve controller uses the setpoint for determining a first valve control signal for a first working chamber of the pneumatic actuator and for determining a second valve control signal for a second working chamber of the pneumatic actuator, a differential pressure between the first working chamber and the second working chamber being specified by the controller or by the control device.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ventilsteuerung eine Regelung der Ventilsteuersignale anhand der Sensorsignale der Sensoreinrichtung vornimmt.In a further embodiment of the method, it is provided that the valve controller regulates the valve control signals using the sensor signals of the sensor device.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine frequenzabhängige Aufspaltung des Drehmomentsignals in einen unterhalb einer Grenzfrequenz angesiedelten niederfrequenten Anteil, der zur Ansteuerung des pneumatischen Stellantriebs mit der Ventilsteuerung genutzt wird, und in einen oberhalb der Grenzfrequenz angesiedelten hochfrequenten Anteil, der zur Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs mit dem Antriebsregler genutzt wird, vornimmt.It is preferably provided that the control device performs a frequency-dependent splitting of the torque signal into one below one Cut-off frequency based low-frequency component, which is used to control the pneumatic actuator with the valve control, and in a high-frequency component located above the cut-off frequency, which is used to control the electric actuator with the drive controller, makes.

Vorteilhaft ist es, wenn die Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Rotationsstellung der Antriebswelle und/oder in Abhängigkeit von einem Verschleißzustand des pneumatischen Stellantriebs und/oder in Abhängigkeit von einem Verschleißzustand des elektrischen Stellantriebs eingestellt wird. Ergänzend kann auch vorgesehen werden, dass die Grenzfrequenz in Abhängigkeit von einem Druckniveau, das an den pneumatischen Stellantrieb zu Verfügung gestellt wird und mit dem die Steifigkeit des pneumatischen Stellantriebs eingestellt wird, Berücksichtigung findet, um eine geeignete Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs vorzunehmen.It is advantageous if the limit frequency is set as a function of the rotational position of the drive shaft and/or as a function of a state of wear of the pneumatic actuator and/or as a function of a state of wear of the electric actuator. In addition, it can also be provided that the limit frequency is taken into account as a function of a pressure level that is made available to the pneumatic actuator and with which the rigidity of the pneumatic actuator is set, in order to carry out a suitable activation of the electric actuator.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

  • 1 eine streng schematische Schnittdarstellung eines Drehantriebs,
  • 2 eine streng schematische Darstellung der Funktionsbeziehungen zwischen den wesentlichen Komponenten des Drehantriebs gemäß der 1, und
  • 3 eine streng schematische Darstellung eines Drehmomentverlaufs für den Drehantrieb als Überlagerung eines Drehmoments des elektrischen Stellantriebs und eines Drehmoments des pneumatischen Stellantriebs.
An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. This shows:
  • 1 a strictly schematic sectional view of a rotary drive,
  • 2 a strictly schematic representation of the functional relationships between the essential components of the rotary drive according to the 1 , and
  • 3 a strictly schematic representation of a torque curve for the rotary drive as a superimposition of a torque of the electric actuator and a torque of the pneumatic actuator.

Ein in der 1 streng schematisch gezeigter Drehantrieb 1 ist zur Integration in einen nicht dargestellten Roboter, insbesondere in einen mehrgliedrigen Industrieroboter, ausgebildet und dient in diesem Fall zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen zwei Armteilen des Roboters. Beispielhaft ist der Drehantrieb 1 mit einer ersten Schnittstelle 2 mit einer zweiten Schnittstelle 3 versehen, wobei die erste Schnittstelle 2 zur Ankopplung des Drehantriebs 1 an ein nicht dargestelltes, vorausgehendes Armteil vorgesehen ist, während die zweite Schnittstelle 3 zur Ankopplung des Drehantriebs 1 an ein ebenfalls nicht dargestelltes, nachgelagertes Armteil eines Roboters genutzt werden kann.An Indian 1 The rotary drive 1 shown in a strictly schematic manner is designed for integration in a robot (not shown), in particular in a multi-part industrial robot, and in this case serves to provide a relative movement between two arm parts of the robot. For example, the rotary drive 1 is provided with a first interface 2 with a second interface 3, with the first interface 2 being provided for coupling the rotary drive 1 to a preceding arm part (not shown), while the second interface 3 for coupling the rotary drive 1 to a likewise not shown, downstream arm part of a robot can be used.

Beispielhaft ist vorgesehen, dass nachstehend näher beschriebene Komponenten des Drehantriebs 1 in einem gemeinsamen Antriebsgehäuse 4 aufgenommen sind, das rein exemplarisch in der Art einer Hülse längs einer Antriebsachse 5 erstreckt ist. Dabei ist die erste Schnittstelle 2 des Drehantriebs 1 an einer axialen Stirnfläche 6 des Antriebsgehäuses 4 ausgebildet. Die zweite Schnittstelle 3 des Drehantriebs 1 ist hingegen an einer axialen Stirnfläche 8 einer drehbeweglich im Antriebsgehäuse 4 gelagerten Antriebswelle 7 ausgebildet. By way of example, it is provided that components of the rotary drive 1 described in more detail below are accommodated in a common drive housing 4 which, purely by way of example, extends in the manner of a sleeve along a drive axis 5 . The first interface 2 of the rotary drive 1 is formed on an axial end face 6 of the drive housing 4 . The second interface 3 of the rotary drive 1 , on the other hand, is formed on an axial end face 8 of a drive shaft 7 that is rotatably mounted in the drive housing 4 .

Um eine Relativbewegung der Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 bewirken zu können umfasst der Drehantrieb 1 sowohl einen elektrischen Stellantrieb 20 als auch einen pneumatischen Stellantrieb 30, die rein exemplarisch jeweils als Direktantriebe ausgebildet sind. Hierbei wirken jeweils ein als Rotor 22 des als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Stellantriebs 20 sowie ein als Arbeitsflügel 31 des als Schwenkflügelantrieb ausgebildeten pneumatischen Stellantriebs 30 ausgebildetes Stellglied direkt und ohne Zwischenschaltung einer Getriebeeinrichtung auf die Antriebswelle 7.In order to be able to bring about a relative movement of the drive shaft 7 with respect to the drive housing 4, the rotary drive 1 comprises both an electric actuator 20 and a pneumatic actuator 30, which are each designed as direct drives purely by way of example. In this case, an actuator configured as a rotor 22 of the electric actuator 20 configured as an electric motor and an actuator configured as a working vane 31 of the pneumatic actuator 30 configured as a pivoting vane drive act directly and without the interposition of a transmission device on the drive shaft 7.

Dabei wirken ein vom elektrischen Stellantrieb 20 bereitgestelltes Drehmoment und ein vom pneumatischen Stellantrieb 30 bereitgestelltes Drehmoment jeweils additiv auf die Antriebswelle 7. In Abhängigkeit von einer Bewegungsanforderung für den Drehantrieb 1 kann wahlweise eine ausschließliche Drehmomenteinleitung vom elektrischen Stellantrieb 20 oder vom pneumatischen Stellantrieb 30 oder eine kombinierte Drehmomenteinleitung von beiden Stellantrieben 20, 30 vorgesehen werden.A torque provided by the electric actuator 20 and a torque provided by the pneumatic actuator 30 each act additively on the drive shaft 7. Depending on a movement requirement for the rotary drive 1, torque can either be introduced exclusively by the electric actuator 20 or by the pneumatic actuator 30 or a combined Torque introduction of both actuators 20, 30 are provided.

Der an einer Ringfläche 9 der Antriebswelle 7 festgelegte, rein exemplarisch kreisringförmig ausgebildete Rotor 22 des elektrischen Stellantriebs 20 kann in nicht näher dargestellter Weise als Anordnung einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgebildet sein. Für eine Drehmomenteinwirkung des Rotors 22 auf die Antriebswelle 7 ist eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Rotor 22 und einem als Spulenanordnung ausgebildeten, an einer Innenumfangsfläche 10 des Antriebsgehäuses 4 festgelegten Stator 21 erforderlich. Hierzu wird der Stator 21 von einer Steuereinrichtung 40 mit elektrischem Strom versorgt und stellt dadurch ein statisches oder dynamisches Magnetfeld bereit, um im kontaktloser Weise durch die magnetische Wechselwirkung mit dem Rotor 22 die Drehmomenteinleitung auf die Antriebswelle 7 zu bewirken. Auf eine Darstellung der elektrischen Verbindung zwischen der Steuereinrichtung 40 und dem Stator 21 wird aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 verzichtet, in der 2 ist diese elektrische Verbindung jedoch gezeigt.The rotor 22 of the electric actuator 20, which is fixed to an annular surface 9 of the drive shaft 7 and is designed purely as a circular ring, can be designed in a manner that is not shown in detail as an arrangement of a large number of permanent magnets. A magnetic interaction between the rotor 22 and a stator 21 designed as a coil arrangement and fixed to an inner peripheral surface 10 of the drive housing 4 is required for the rotor 22 to exert a torque on the drive shaft 7 . For this purpose, the stator 21 is supplied with electric current by a control device 40 and thereby provides a static or dynamic magnetic field in order to bring about the introduction of torque to the drive shaft 7 in a contactless manner through the magnetic interaction with the rotor 22 . For reasons of clarity, FIG 1 waived in the 2 however, this electrical connection is shown.

In der 1 sind rein exemplarisch ein der axialen Stirnfläche 6 des Antriebsgehäuses 4 zugeordneter elektrischer Verbindungsstecker 13 und eine in der axialen Stirnfläche 8 der Antriebswelle 7 angeordnete elektrische Steckbuchse 14, die für eine elektrische Kopplung der Steuereinrichtung 40 mit einem nicht dargestellten, vorgelagerten Armteil eines nicht dargestellten Roboters bzw. mit einem nicht dargestellten, nachgelagerten Armteil eines nicht dargestellten Roboters dienen. Über den Verbindungsstecker 13 und die Verbindungsbuchse 14 ist jeweils eine Übertragung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen vorgesehen.In the 1 are, purely by way of example, an electrical connecting plug 13 assigned to the axial end face 6 of the drive housing 4 and an electrical socket 14 arranged in the axial end face 8 of the drive shaft 7, which are used for electrically coupling the control device 40 to an upstream arm part (not shown) of a robot or robot (not shown). . with a not shown, serve downstream arm part of a robot, not shown. A transmission of electrical energy and electrical signals is provided in each case via the connecting plug 13 and the connecting socket 14 .

Zur drehbeweglichen Lagerung der Antriebswelle 7 im Antriebsgehäuse 4 sind rein exemplarisch 2 längs der Antriebsachse 5 beabstandet angeordnete Kugellager 11, 12 vorgesehen, die jeweils mit einem nicht näher bezeichneten Innenring an einer Außenoberfläche der Antriebswelle 7 festgelegt sind und mit einem ebenfalls nicht näher bezeichneten Außenring jeweils in einer kreiszylindrisch ausgebildeten Ausnehmung des Antriebsgehäuse 4 aufgenommen sind. Zwischen den beiden Kugellager 11, 12 ist der pneumatische Stellantrieb 30 angeordnet, der den drehfest an der Antriebswelle 7 befestigten Arbeitsflügel 31 sowie einen im Antriebsgehäuse 4 koaxial zur Antriebsachse 5 kreisringabschnittsförmig ausgebildeten Arbeitsraum 32 aufweist. Wie der Darstellung der 2 entnommen werden kann, wird der Arbeitsraum 32 durch einen am Antriebsgehäuse 4 ausgebildeten und in radialer Richtung nach innen gerichteten Dichtsteg 33 sowie von dem Arbeitsflügel 31, der in radialer Richtung nach außen von einer koaxial zur Antriebswelle 7 angeordneten und kreisringförmig ausgebildeten Dichthülse 34 abragt, in eine erste Arbeitskammer 35 und eine zweite Arbeitskammer 36 unterteilt. Ferner wird der Arbeitsraum 32 durch jeweils abdichtend an der Antriebswelle 7 anliegende und in nicht bezeichneten Ringnuten des Antriebsgehäuses aufgenommenen Radialdichtringen 16, 17 abgedichtet.For the rotatable mounting of the drive shaft 7 in the drive housing 4, purely by way of example, 2 ball bearings 11, 12 are provided which are arranged spaced apart along the drive axis 5 and are each fixed to an outer surface of the drive shaft 7 with an inner ring (not specified) and with an outer ring (also not specified). are accommodated in a circular-cylindrical recess of the drive housing 4 . Arranged between the two ball bearings 11, 12 is the pneumatic actuator 30, which has the working vane 31 fixed non-rotatably to the drive shaft 7 and a working chamber 32 configured in the drive housing 4 coaxially with the drive axis 5 in the shape of a circular ring segment. As the representation of 2 can be removed, the working chamber 32 is formed by a sealing web 33 formed on the drive housing 4 and directed inwards in the radial direction, and by the working vane 31, which protrudes outwards in the radial direction from a sealing sleeve 34 arranged coaxially with the drive shaft 7 and designed in the shape of a circular ring a first working chamber 35 and a second working chamber 36 divided. Furthermore, the working chamber 32 is sealed off by radial sealing rings 16, 17, which bear in a sealing manner on the drive shaft 7 and are accommodated in annular grooves (not designated) of the drive housing.

Aufgrund der drehbeweglichen Lagerung der Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 kann eine Größe der ersten Arbeitskammer 35 sowie der zweiten Arbeitskammer 36 durch eine Schwenkbewegung des Arbeitskolbens 31 um die Antriebsachse 5 verändert werden. Bei Vorliegen einer Druckdifferenz zwischen der ersten Arbeitskammer 35, die mittels einer Ventilanordnung 37 belüftet oder entlüftet werden kann, und der zweiten Arbeitskammer, die mittels der Ventilanordnung 37 belüftet oder entlüftet werden kann, stellt sich aufgrund der dadurch auf den Arbeitsflügel 31 wirkenden Druckkräfte eine resultierende Druckkraft für den Arbeitsflügel 31 ein, die quer bzw. normal zu einer in der 1 gezeigten größten Oberfläche 38 des Arbeitsflügels 31 gerichtet ist und die ein Drehmoment auf die Antriebswelle 7 hervorruft. Um eine Abdichtwirkung zwischen dem Arbeitsflügel 31 und der Dichthülse 34 gegenüber dem Arbeitsraum 32 zu gewährleisten, sind der Arbeitsflügel 31 und die Dichthülse 34 mit einer nur schematisch dargestellten, umlaufenden Dichtung 39 versehen.Due to the rotatable mounting of the drive shaft 7 relative to the drive housing 4 , the size of the first working chamber 35 and the second working chamber 36 can be changed by a pivoting movement of the working piston 31 about the drive axis 5 . If there is a pressure difference between the first working chamber 35, which can be pressurized or vented by means of a valve arrangement 37, and the second working chamber, which can be pressurized or vented by means of the valve arrangement 37, a resulting Pressure force for the working wing 31, which is transverse or normal to one in the 1 shown largest surface 38 of the working blade 31 is directed and causes a torque on the drive shaft 7. In order to ensure a sealing effect between the working wing 31 and the sealing sleeve 34 with respect to the working space 32, the working wing 31 and the sealing sleeve 34 are provided with a circumferential seal 39, shown only schematically.

Wie der Darstellung der 2 entnommen werden kann, ist jeder der Arbeitskammern 35, 36 jeweils ein Fluidanschluss 55, 56 zugeordnet. Dabei ist am Fluidanschluss 55 eine erste Versorgungsleitung 57 angeschlossen, die mit einem ersten Belüftungsventil 59 und einem ersten Entlüftungsventil 61 verbunden ist. Am Fluidanschluss 56 ist eine zweite Versorgungsleitung 58 angeschlossen, die mit einem zweiten Belüftungsventil 60 und einen zweiten Entlüftungsventil 62 verbunden ist. Die beiden Belüftungsventile 59, 60 und die beiden Entlüftungsventile 61, 62 bilden die Ventilanordnung 37 und sind jeweils elektrisch über Steuerleitungen 63 mit der Steuereinrichtung 40 verbunden. Dabei sind die Belüftungsventile 59, 60 mit einer Fluidquelle 64 verbunden, während die Entlüftungsventile 61, 62 mit einem Fluidauslass verbunden sind, der rein exemplarisch mit einem Schalldämpfer 65 versehen ist.As the representation of 2 can be removed, each of the working chambers 35, 36 is assigned a respective fluid connection 55, 56. A first supply line 57 is connected to the fluid connection 55 and is connected to a first venting valve 59 and a first venting valve 61 . A second supply line 58 is connected to the fluid connection 56 and is connected to a second venting valve 60 and a second venting valve 62 . The two ventilation valves 59, 60 and the two ventilation valves 61, 62 form the valve arrangement 37 and are each electrically connected to the control device 40 via control lines 63. The ventilation valves 59, 60 are connected to a fluid source 64, while the venting valves 61, 62 are connected to a fluid outlet, which is provided with a silencer 65 purely by way of example.

Beispielhaft ist vorgesehen, dass die in den 1 und 2 schematisch dargestellten Belüftungsventile 59, 60 und Entlüftungsventile 61, 62, bei denen sich wahlweise um Schaltventile oder um Proportionalventile handeln kann, pneumatisch mit Fluidleitungen 66, 67 verbunden sind, die ihrerseits mit der Fluidquelle 64 bzw. dem Fluidauslass und den zugehörigen Schalldämpfer 65 verbunden sind. Gemäß der Darstellung der 1 verlaufen die Fluidleitung 66, 67 ausgehend von einem ersten Anschlussstutzen 68 bzw. einem zweiten Anschlussstutzen 69, die an der axialen Stirnfläche 6 des Antriebsgehäuse 4 ausgebildet sind und die für eine fluiddichte Steckverbindung mit nicht dargestellten Anschlussbohrungen eines ebenfalls nicht dargestellten Armteils eines Roboters dienen, zu einer im Antriebsgehäuse 4 aufgenommenen und dort in nicht näher dargestellter Weise drehfest angebrachten Drehdurchführung 70. Ausgehend von der Drehdurchführung 70 verlaufen die Fluidleitungen 66, 67 als Längsbohrungen in der Antriebswelle 7 bis zu Anschlussbohrungen 71, 72, die ihrerseits zur Aufnahme von nicht dargestellten Anschlussstutzen eines nicht dargestellten Armteils eines Roboters ausgebildet sind. Damit ermöglichen die Fluidleitung einen 66, 67 sowohl eine fluidische Versorgung des pneumatischen Stellantriebs 30 des Drehantriebs 1 als auch eine fluidische Versorgung des nachgelagerten Armteils und eines eventuell daran angebrachten weiteren Drehantriebs.For example, it is provided that in the 1 and 2 Schematically illustrated ventilation valves 59, 60 and vent valves 61, 62, which can either be switching valves or proportional valves, are pneumatically connected to fluid lines 66, 67, which in turn are connected to the fluid source 64 or the fluid outlet and the associated silencer 65 . According to the presentation of 1 the fluid lines 66, 67 run from a first connection piece 68 and a second connection piece 69, which are formed on the axial end face 6 of the drive housing 4 and which are used for a fluid-tight plug-in connection with connection bores, not shown, of an arm part of a robot, also not shown a rotary feedthrough 70 accommodated in the drive housing 4 and attached there in a non-rotatable manner in a manner not shown in detail. Starting from the rotary feedthrough 70, the fluid lines 66, 67 run as longitudinal bores in the drive shaft 7 to connection bores 71, 72, which in turn are used to accommodate connecting pieces, not shown, of a not shown arm part of a robot are formed. The fluid lines 66, 67 thus enable both a fluidic supply of the pneumatic actuator 30 of the rotary drive 1 and a fluidic supply of the downstream arm part and a further rotary drive that may be attached thereto.

Die Steuereinrichtung 40, die beispielsweise einen nicht näher dargestellten Mikrocomputer umfasst, ist für eine Ansteuerung der Belüftungsventile 59, 60 sowie der Entlüftungsventile 61, 62 vorgesehen und stellt hierzu entsprechende Ventilsteuersignale zur Verfügung. Wie der Darstellung der 1 entnommen werden kann, ist die Steuereinrichtung 40 rein exemplarisch an einer Innenoberfläche 15 des Antriebsgehäuses 4 festgelegt. Die Steuereinrichtung 40 umfasst einen Sensor 41, der beispielsweise als Magnetfeldsensor ausgebildet sein kann und der zur Erfassung einer rotatorischen Position eines rein exemplarisch als magnetisch codierte Scheibe ausgebildeten Geberelements 42 ausgebildet ist. Beispielhaft ist das Geberelement 42 stirnseitig an einem Endbereich der Antriebswelle 7 gegenüberliegend zum Sensor 41 angeordnet, so dass bei einer Rotation der Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 auch eine Rotation des Geberelements 42 gegenüber dem Sensor 41 stattfindet. Dabei bilden der Sensor 41 und das Geberelement 42 eine Sensoreinrichtung 43, die zur Bereitstellung eines elektrischen Sensorsignals an die Steuereinrichtung 40 ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung 40 anhand des elektrischen Sensorsignals eine rotatorische Positionserfassung für die Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 durchführen kann.The control device 40, which for example includes a microcomputer not shown in detail, is provided for controlling the ventilation valves 59, 60 and the venting valves 61, 62 and provides corresponding valve control signals for this purpose. As the representation of 1 can be removed, the control device 40 is fixed purely by way of example on an inner surface 15 of the drive housing 4 . The control device 40 includes a sensor 41, which can be embodied as a magnetic field sensor, for example, and which is used to detect a rotational position of a transmitter element 42 embodied purely by way of example as a magnetically encoded disk. For example, the transmitter element 42 is arranged on the end face of an end region of the drive shaft 7 opposite the sensor 41 , so that when the drive shaft 7 rotates relative to the drive housing 4 , the transmitter element 42 also rotates relative to the sensor 41 . Sensor 41 and transmitter element 42 form a sensor device 43, which is designed to provide an electrical sensor signal to control device 40, control device 40 being able to use the electrical sensor signal to detect the rotational position of drive shaft 7 relative to drive housing 4.

Wie der Darstellung der 2 entnommen werden kann, steht die Steuereinrichtung 40 über eine Buskommunikationsleitung 44 in kommunizierender Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung 45, bei der es sich beispielsweise um eine Robotersteuerung handeln kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die übergeordnete Steuerung 45 ein Drehmomentsignal oder ein Positionssignal an die Steuereinrichtung 40 bereitstellt und die Aufgabe der Steuereinrichtung 40 dargestellt, in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Sensoreinrichtung 43 und einer daraus ermittelten rotatorischen Position der Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 eine geeignete Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs 20 sowie des pneumatischen Stellantriebs 30 vorzunehmen. Hierzu ist die Steuereinrichtung 40 elektrisch mit der Ventilanordnung 37 sowie mit einer elektrischen Endstufe 46 verbunden, die in Abhängigkeit von einem Antriebssignal der Steuereinrichtung 40 eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Stator 21 durchführt.As the representation of 2 can be removed, the control device 40 is connected via a bus communication line 44 to communicate with a higher-level controller 45, which can be, for example, a robot controller. For example, it is provided that the higher-level controller 45 provides a torque signal or a position signal to the control device 40 and the task of the control device 40 is shown, depending on sensor signals from the sensor device 43 and a rotational position of the drive shaft 7 relative to the drive housing 4 determined therefrom, a suitable control of the electric actuator 20 and the pneumatic actuator 30 to make. For this purpose, the control device 40 is electrically connected to the valve arrangement 37 and to an electrical output stage 46 which, depending on a drive signal from the control device 40 , provides electrical energy to the stator 21 .

Aus der Darstellung der 3 geht hervor, in welcher Weise das vom Drehantrieb 1 bereitgestellte Drehmoment M aus einem Drehmomentanteil Mp des pneumatischen Stellantriebs 30 und einem Drehmomentanteil Me des elektrischen Stellantriebs 20 zusammengesetzt ist.From the representation of 3 shows how the torque M provided by the rotary drive 1 is composed of a torque component Mp of the pneumatic actuator 30 and a torque component Me of the electric actuator 20 .

Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Drehantrieb 1 bis zum Zeitpunkt t1 aufgrund eines Drehmomentsignals der übergeordneten Steuerung 45 an die Steuereinrichtung 40 ein konstantes erstes Drehmoment M1 bereitstellt, das sich aus einem Drehmomentanteil Me des elektrischen Stellantriebs 20 und einen Drehmomentanteil Mp des pneumatischen Stellantriebs 30 zusammensetzt. Hierbei ist erkennbar, dass der Drehmomentanteil Me des elektrischen Stellantriebs 20 an dem vom Drehantrieb 1 bereitgestellten Drehmoment M1 nahezu verschwindet und der Drehmomentanteil Mp des pneumatischen Stellantriebs 30 zumindest im Wesentlichen dem Drehmoment M1 entspricht.By way of example, provision is made for rotary drive 1 to provide control device 40 with a constant first torque M1 up to point in time t1 on the basis of a torque signal from higher-level controller 45, which is made up of a torque component Me of electric actuator 20 and a torque component Mp of pneumatic actuator 30. It can be seen here that the torque component Me of the electric actuator 20 in the torque M1 provided by the rotary drive 1 almost disappears and the torque component Mp of the pneumatic actuator 30 corresponds at least essentially to the torque M1.

Zum Zeitpunkt t1 wird der Steuereinrichtung 40 von der übergeordneten Steuerung ein geändertes Drehmomentsignal übermittelt, das dem Drehmoment M2 entspricht. Dementsprechend nimmt die Steuereinrichtung 40 eine Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs 20 und des pneumatischen Stellantriebs 30 vor, wobei davon ausgegangen wird, dass zum Erreichen des Drehmoments M2 eine rotatorische Relativbewegung der Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 des Drehantriebs 1 stattfindet. Im Zuge dieser rotativen Relativbewegung kann beispielsweise eine Steuerung des pneumatischen Stellantriebs 30 vorgenommen werden, die zu dem Verlauf für den vom pneumatischen Stellantrieb 30 bereitgestellten Drehmomentanteil Mp führt. Da jedoch im Zuge der Steuerung des pneumatischen Stellantriebs 30 aufgrund von äußeren und inneren Einflüssen, die für den Drehantrieb 1 zu berücksichtigen sind, erhebliche Abweichungen zwischen dem vom pneumatischen Stellantrieb 30 bereitgestellten Drehmomentanteil Mp und dem tatsächlich erforderlichen Drehmoment M auftreten, wird zusätzlich eine geregelte Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs 20 vorgenommen, wobei der Drehmomentanteil Me, der vom elektrischen Stellantrieb 20 bereitgestellt wird, dem Drehmomentanteil Mp des pneumatischen Stellantriebs 30 überlagert wird, um in Summe zudem notwendigen Drehmoment M zu gelangen, das zur Erfüllung der neuen Drehmomentanforderung, die durch das Drehmoment M repräsentiert wird, zu gelangen.At time t1, the higher-level controller transmits a changed torque signal to the control device 40, which signal corresponds to the torque M2. Accordingly, the control device 40 controls the electric actuator 20 and the pneumatic actuator 30, it being assumed that a rotary relative movement of the drive shaft 7 with respect to the drive housing 4 of the rotary drive 1 takes place in order to achieve the torque M2. In the course of this rotary relative movement, the pneumatic actuator 30 can be controlled, for example, which leads to the curve for the torque component Mp provided by the pneumatic actuator 30 . However, since significant deviations between the torque component Mp provided by the pneumatic actuator 30 and the torque M that is actually required occur in the course of controlling the pneumatic actuator 30 due to external and internal influences that must be taken into account for the rotary drive 1, controlled control is also required of the electric actuator 20, wherein the torque component Me, which is provided by the electric actuator 20, is superimposed on the torque component Mp of the pneumatic actuator 30 in order to arrive at the necessary torque M in total, which is required to meet the new torque requirement that is generated by the torque M is represented to arrive.

Hierbei erfolgt für den in der Steuereinrichtung 40 ablaufenden Antriebsregler, der zur Bereitstellung von Antriebssignalen an den elektrischen Stellantrieb 20 vorgesehen ist, zunächst eine Hochpassfilterung des Sensorsignals der Sensoreinrichtung 43, um dadurch zu gewährleisten, dass der elektrische Stellantrieb 20 nur diejenigen Drehmomentanteile Me bereitstellt, die zum Erreichen des vorgegebenen Drehmoments M2 erforderlich sind.For the drive controller running in control device 40, which is provided to provide drive signals to electric actuator 20, the sensor signal from sensor device 43 is first high-pass filtered in order to ensure that electric actuator 20 only provides those torque components Me that are required to achieve the specified torque M2.

Zum Zeitpunkt t2 hat der Drehantrieb 1 eine rotatorische Relativposition für die Antriebswelle 7 gegenüber dem Antriebsgehäuse 4 erreicht, in der das von der übergeordneten Steuerung 45 angeforderte Drehmoment M2 bereitgestellt wird, so dass ab diesem Zeitpunkt wieder eine konstante Drehmomentabgabe vorgesehen ist, bei der der Drehmomentanteil Me des elektrischen Stellantriebs 20 zumindest nahezu verschwindet.At time t2, the rotary drive 1 has reached a relative rotational position for the drive shaft 7 in relation to the drive housing 4, in which the torque M2 requested by the higher-level controller 45 is provided, so that from this point in time a constant torque output is provided again, in which the torque component Me of the electric actuator 20 at least almost disappears.

Claims (12)

Drehantrieb (1) zur Bereitstellung einer Drehbewegung, mit einem Antriebsgehäuse (4), an dem eine Antriebswelle (7) drehbeweglich um eine Antriebsachse (5) gelagert ist, mit einem elektrischen Stellantrieb (20), der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse (4) gelagertes, elektrisch antreibbares Stellglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse (7) ausgebildet ist, und mit einem pneumatischen Stellantrieb (30), der ein beweglich gegenüber dem Antriebsgehäuse (4) gelagertes, pneumatisch antreibbares Antriebsglied aufweist, das für eine Drehmomenteinleitung auf die Antriebsachse (7) ausgebildet ist, sowie mit einer, insbesondere genau einer, Sensoreinrichtung (43) zur Erfassung einer Rotationsstellung der Antriebswelle (7) gegenüber dem Antriebsgehäuse (4), die ein Geberelement (42) und einen Sensor (41) zur Erfassung einer Position des Geberelements (42) umfasst.Rotary drive (1) for providing a rotary movement, with a drive housing (4) on which a drive shaft (7) is mounted so that it can rotate about a drive axis (5), with an electric actuator (20) which has a movable relative to the drive housing (4) stored, electric has a drivable actuator which is designed to introduce torque onto the drive axle (7), and with a pneumatic actuator (30) which has a pneumatically drivable drive element which is movably mounted relative to the drive housing (4) and which is designed to introduce torque onto the drive axle ( 7) and with one, in particular exactly one, sensor device (43) for detecting a rotational position of the drive shaft (7) relative to the drive housing (4), which has a transmitter element (42) and a sensor (41) for detecting a position of the Includes transmitter element (42). Drehantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (20) als, vorzugsweise getriebeloser, Direktantrieb, insbesondere als Synchronmotor, mit einem koaxial zur Antriebsachse (5) angeordneten Rotor (22) und einem koaxial zur Antriebsachse (5) angeordneten Stator (21) ausgebildet ist und dass das Stellglied des elektrischen Stellantriebs von dem Rotor (22) oder von dem Stator (21) gebildet wird.Rotary drive (1) after claim 1 , characterized in that the electric actuator (20) is designed as a preferably gearless direct drive, in particular as a synchronous motor, with a rotor (22) arranged coaxially to the drive axle (5) and a stator (21) arranged coaxially to the drive axle (5). and that the actuator of the electric actuator is formed by the rotor (22) or by the stator (21). Drehantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Stellantrieb (30) als Direktantrieb, insbesondere als Schwenkflügelantrieb, mit einem im Antriebsgehäuse (4) kreisringabschnittsförmig ausgebildeten Arbeitsraum (32) und einem schwenkbeweglich um die Antriebsachse (5) im Arbeitsraum (32) gelagerten sowie abdichtend im Arbeitsraum (32) aufgenommenen Arbeitsflügel (31) ausgebildet ist und dass der Arbeitsflügel (31) das Antriebsglied des pneumatischen Stellantriebs (30) bildet.Rotary drive (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the pneumatic actuator (30) as a direct drive, in particular as a swivel vane drive, with a working space (32) in the drive housing (4) in the form of a segment of a circular ring and a working space that is mounted in the working space (32) so that it can pivot about the drive axis (5) and is sealed in the working space (32) recorded working wing (31) is formed and that the working wing (31) forms the drive member of the pneumatic actuator (30). Drehantrieb (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Antriebsgehäuse (4) eine Steuereinrichtung (40) angeordnet ist, die für eine elektrische Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs (20) und für eine elektrische Ansteuerung einer, insbesondere am Antriebsgehäuse (4) angebrachten, Ventilanordnung (37) für den pneumatischen Stellantrieb (30) und für eine Auswertung eines Sensorsignals der Sensoreinrichtung (43) ausgebildet ist.Rotary drive (1) after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that a control device (40) is arranged on the drive housing (4) which is used for electrically activating the electric actuator (20) and for electrically activating a valve arrangement (37) mounted in particular on the drive housing (4) for the pneumatic actuator (30) and for evaluating a sensor signal of the sensor device (43). Drehantrieb (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (20), der pneumatische Stellantrieb (30) und die Steuereinrichtung (40) längs der Antriebsachse (5) aufgereiht angeordnet sind und dass das Geberelement (42) oder der Sensor (41) der Sensoreinrichtung (43) drehfest mit einem Endbereich der Antriebswelle (7) gekoppelt ist.Rotary drive (1) after claim 4 characterized in that the electric actuator (20), the pneumatic actuator (30) and the control device (40) are arranged in a row along the drive axle (5) and that the transmitter element (42) or the sensor (41) of the sensor device (43) is rotatably coupled to an end portion of the drive shaft (7). Drehantrieb (1) nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12 ausgebildet ist.Rotary drive (1) after claim 4 or 5 characterized in that the control device (40) for carrying out a method according to one of Claims 8 until 12 is trained. Drehantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (20) für eine Einleitung eines ersten Maximaldrehmoments auf die Antriebswelle (7) ausgebildet ist und dass der pneumatische Stellantrieb (30) für eine Einleitung eines zweiten Maximaldrehmoments auf die Antriebswelle (7) ausgebildet ist, wobei das erste Maximaldrehmoment weniger als 30 Prozent, bevorzugt weniger als 20 Prozent, insbesondere weniger als 10 Prozent, des zweiten Maximaldrehmoments beträgt.Rotary drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric actuator (20) is designed to introduce a first maximum torque to the drive shaft (7) and that the pneumatic actuator (30) to introduce a second maximum torque to the Drive shaft (7) is formed, wherein the first maximum torque is less than 30 percent, preferably less than 20 percent, in particular less than 10 percent, of the second maximum torque. Verfahren zum Betreiben eines Drehantriebs (1) mit den Schritten: Erfassen einer Rotationsstellung einer Antriebswelle (7) gegenüber einem Antriebsgehäuse (4) mit einer Sensoreinrichtung (43), die ein Geberelement (42) und einen Sensor (41) zur Erfassung einer Position des Geberelements (42) umfasst und Bereitstellen eines Sensorsignals von der Sensoreinrichtung (43) an eine Steuereinrichtung (40), Ermitteln einer Stellungsabweichung zwischen einem Sollwert für die Rotationsstellung und einem Istwert für die Rotationsstellung, Bereitstellung von Ventilsteuersignalen von der Steuereinrichtung (40) an eine Ventilanordnung (37) in Abhängigkeit von der Stellungsabweichung, um eine Veränderung der Rotationsstellung durch einen pneumatischen Stellantrieb (30) zu bewirken, Bereitstellung von Antriebssignalen von der Steuereinrichtung (40) an einen elektrischen Stellantrieb (20), um eine Veränderung der Rotationsstellung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) die Ventilsteuersignale mit einer Ventilsteuerung ermittelt und dass die Steuereinrichtung (40) die Antriebssignale mit einem Antriebsregler ermittelt.Method for operating a rotary drive (1), having the steps: detecting a rotational position of a drive shaft (7) relative to a drive housing (4) with a sensor device (43) which has a transmitter element (42) and a sensor (41) for detecting a position of the transmitter element (42) and providing a sensor signal from the sensor device (43) to a control device (40), determining a position deviation between a setpoint value for the rotational position and an actual value for the rotational position, providing valve control signals from the control device (40) to a valve arrangement (37) in response to the position deviation to effect a change in rotational position by a pneumatic actuator (30), providing drive signals from the controller (40) to an electric actuator (20) to effect a change in rotational position, thereby characterized in that the control device (40) the Determined valve control signals with a valve controller and that the control device (40) determines the drive signals with a drive controller. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) ein Drehmomentsignal von einer übergeordneten Steuerung (45) empfängt und aus dem Drehmomentsignal den Sollwert für die Rotationsstellung ermittelt und dass die Ventilsteuerung den Sollwert für eine Ermittlung eines ersten Ventilsteuersignals für eine erste Arbeitskammer (35) des pneumatischen Stellantriebs und für eine Ermittlung eines zweiten Ventilsteuersignals für eine zweite Arbeitskammer (36) des pneumatischen Stellantriebs (30) ermittelt, wobei ein Differenzdruck zwischen der ersten Arbeitskammer (35) und der zweiten Arbeitskammer (36) von der Steuerung (45) oder von der Steuereinrichtung (40) vorgegeben wird.procedure after claim 8 , characterized in that the control device (40) receives a torque signal from a higher-level controller (45) and determines the setpoint value for the rotational position from the torque signal, and that the valve controller uses the setpoint value for determining a first valve control signal for a first working chamber (35) of the pneumatic actuator and for determining a second valve control signal for a second working chamber (36) of the pneumatic actuator (30), a differential pressure between the first working chamber (35) and the second working chamber (36) being determined by the controller (45) or by the Control device (40) is specified. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung eine Regelung der Ventilsteuersignale anhand der Sensorsignale der Sensoreinrichtung (43) vornimmt.procedure after claim 8 or 9 , characterized in that the valve control performs a regulation of the valve control signals based on the sensor signals of the sensor device (43). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) eine frequenzabhängige Aufspaltung des Drehmomentsignals in einen unterhalb einer Grenzfrequenz angesiedelten niederfrequenten Anteil, der zur Ansteuerung des pneumatischen Stellantriebs (30) mit der Ventilsteuerung genutzt wird, und in einen oberhalb der Grenzfrequenz angesiedelten hochfrequenten Anteil, der zur Ansteuerung des elektrischen Stellantriebs (20) mit dem Antriebsregler genutzt wird, vornimmt.procedure after claim 10 , characterized in that the control device (40) a frequency-dependent splitting of the torque signal into a low-frequency component located below a limit frequency, which is used to control the pneumatic actuator (30) with the valve control, and a high-frequency component located above the limit frequency, which is used to control the electric actuator (20) with the Drive controller is used, makes. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Rotationsstellung der Antriebswelle (7) und/oder in Abhängigkeit von einem Verschleißzustand des pneumatischen Stellantriebs (30) und/oder in Abhängigkeit von einem Verschleißzustand des elektrischen Stellantriebs (20) eingestellt wird.procedure after claim 11 , characterized in that the limit frequency is set depending on the rotational position of the drive shaft (7) and/or depending on a state of wear of the pneumatic actuator (30) and/or depending on a state of wear of the electric actuator (20).
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