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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Drehmoments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter mit einem solchen Wellgetriebe.
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Aus der
DE 11 2012 000 058 T5 geht ein Wellgetriebe hervor, das ein festes, innenverzahntes Zahnrad, ein flexibles, außenverzahntes Zahnrad, das innerhalb des festen, innenverzahnten Zahnrades angeordnet ist, und einen Wellgenerator aufweist. Der Wellgenerator bewirkt, dass sich das flexible, außenverzahnte Zahnrad in eine elliptische Form biegt und teilweise in das feste, innenverzahnte Zahnrad eingreift. Ferner bewirkt der Wellgenerator, dass sich die Eingriffspositionen der beiden Zahnräder in Umfangsrichtung bewegen. Das flexible, außenverzahnte Zahnrad weist einen zylindrischen Trommelbereich auf, der an einem Ende einen offenen Rand hat und in der Lage ist, sich in radialer Richtung zu biegen. Der zylindrische Trommelbereich hat einen Außenverzahnungsausbildungsbereich, in dem die Außenverzahnung ausgebildet ist, und einen gedrückten Bereich, der durch den Wellgenerator in radialer Richtung gedrückt wird, um zu bewirken, dass sich der Außenverzahnungsausbildungsbereich in eine elliptische Form biegt. Der Außenverzahnungsausbildungsbereich und der gedrückte Bereich sind in Richtung der Zentralachse des flexiblen, au-ßenverzahnten Zahnrades in verschiedenen Bereichen des zylindrischen Trommelbereichs ausgebildet. Der Wellgenerator ist außerhalb des zylindrischen Trommelbereichs angeordnet und dazu eingerichtet, den gedrückten Bereich in radialer Richtung von außen nach innen zu drücken und zu bewirken, dass sich der gedrückte Bereich in eine elliptische Form biegt.
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Die
JP 2017-173073 A offenbart eine analoge Sensor-Temperaturdrift-Kompensationsvorrichtung mit einem Sensorausgang. Nachdem ein Sensorausgangssignal einer Skalendriftkompensation über ein erstes digitales Potentiometer unterzogen wurde, das von einer Steuereinheit auf der Grundlage einer von einem Temperatursensor zu erfassenden Umgebungstemperatur eingestellt wird, wird es in einen Operationsverstärker eingegeben. Ein zweites digitales Potentiometer zur Offset-Driftkompensation ist vorgesehen, das mit einer Eingangsseite des Operationsverstärkers verbunden ist. Das zweite Potentiometer wird von der Steuereinheit auf der Grundlage der Umgebungstemperatur eingestellt, und dadurch wird das Sensorausgangssignal, nachdem es der Skalendriftkompensation unterzogen wurde, von einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers ausgegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wellgetriebe für einen Roboter bereitzustellen, dessen Bauteillebensdauer besser kontrollierbar ist. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 sowie durch den Gegenstand von Patentanspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator einen unrund ausgebildeten Innenring und einen umlaufend in radialer Richtung verformbaren, flexiblen Außenring umfasst, wobei der Innenring zumindest teilweise in das flexible Ringelement hineinragt und zumindest mittelbar drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei der flexible Außenring an einem Innenumfang des flexiblen Ringelements angeordnet ist, und wobei das Wellgetriebe eine Temperatursensoreinrichtung mit wenigstens einem Temperatursensor zur Erfassung einer Betriebstemperatur innerhalb des Wellgetriebes aufweist.
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Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit einer Welle in Wirkverbindung, die von einem Antrieb, insbesondere einer elektrischen Maschine und vorzugsweise ein PCB-Motor, drehantreibbar ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise weisen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellgetriebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innenrings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet, um beispielsweise eine Durchführung von Elektronik zu ermöglichen. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.
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Das flexible Ringelement wird auch „Flexspline“ genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellgenerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbesondere wird die äußere Form des Wellgenerators durch den flexiblen Außenring gebildet, der am Innenumfang des flexiblen Ringelements angeordnet ist. Zwischen dem Innenring und dem Außenring wälzen Wälzkörper des Lagerelements ab. Auf den Au-ßenring kann auch verzichtet werden, sodass die äußere Form des Wellgenerators durch die Wälzkörper gebildet wird, die an einer am Innenumfang des flexiblen Ringelements ausgebildeten Laufbahn abrollen können. In diesem Fall sind die Wälzkörper radial zwischen dem flexiblen Ringelement und dem Innenring angeordnet. Demnach ist denkbar, den Außenring und das das flexible Ringelement einteilig auszubilden. Das flexible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Wellgenerators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements zur Aufnahme des flexiblen Außenrings des Lagerelements eingerichtet ist.
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Während des Betriebs des Wellgetriebes wird der Wellgenerator rotiert, wodurch die Welle und der Innenring des Lagerelements relativ zum flexiblen Ringelement verdreht werden. Dabei verformt der Außenring und das flexible Ringelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Wellgenerator während des Betriebs des Wellgetriebes in eine Rotationsbewegung versetzt, die bewirkt, dass der Außenring des Lagerelements und das flexible Ringelement eine umlaufende Verformung erfahren.
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Die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, steht an zumindest einem, vorzugsweise zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Durch zwei symmetrisch gegenüberliegende Zahneingriffsbereiche lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden.
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Das starre Ringelement, auch „Circular Spline“ genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausgebildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Rotation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des Lagerelements zwischen dem Innenring und dem flexiblen Ringelement. Vorzugsweise ist das Lagerelement als einreihiges Kugellager ausgebildet.
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Mittels der Temperatursensoreinrichtung ist eine Temperatur innerhalb des Wellgetriebes, insbesondere von antriebsabhängigen Bauteilen, ermittelbar, um Rückschlüsse über die Lebensdauer von im Wellgetriebe verwendetem Schmiermittel treffen zu können. Mit anderen Worten lässt sich durch Messung der internen Temperatur des Wellgetriebes der Zustand des Schmiermittels überwachen und Wechsel- oder Instandhaltungsintervalle besser einstellen. Durch die Überwachung der internen Umgebungstemperatur kann zudem festgestellt werden, ob ein abnormaler Zustand innerhalb des Getriebes vorliegt.
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Beispielsweise bei einem Drehmomentsensor im Wellgetriebe oder im Aktuator variiert die Genauigkeit des Drehmomentsensors in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur. Indem die aktuellen Temperaturdaten einzelner Bauteile des Wellgetriebes, insbesondere der im Leistungsfluss angeordneten Bauteile, bekannt sind, kann ein Temperaturdrift-Effekt kompensiert werden. Unter dem Begriff „Temperaturdrift“ wird die ungewollte Änderung einer physikalischen Größe durch Änderung der Temperatur, insbesondere der Umgebungstemperatur, bezeichnet.
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Nach einem Ausführungsbeispiel ist direkt auf zumindest einem Oberflächenabschnitt des flexiblen Ringelements ein strukturiertes Dünnschichtsystem der Temperatursensoreinrichtung aufgebracht, das mit dem zumindest einen Temperatursensor elektrisch verbunden ist. Der Oberflächenabschnitt des flexiblen Ringelements sowie alle darauf aufbauenden Schichten des Dünnschichtsystems können beliebig im dreidimensionalen Raum ausgeformt sein. Zudem können die auf das flexible Ringelement aufgebrachten Schichten durch beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Geeignet ist beispielsweise das bekannte PVD-Verfahren mit darauffolgender Mikrostrukturbearbeitung, beispielsweise mittels Laser. Die Mikrostrukturbearbeitung erfolgt zum Ausbilden der Struktur des Dünnschichtsystems. Das flexible Ringelement weist bevorzugt eine Isolationsschicht auf, auf der das Dünnschichtsystem aufgebracht ist.
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Das Dünnschichtsystem umfasst bevorzugt wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht bzw. Isolationsbeschichtung, die direkt auf zumindest einem Oberflächenabschnitt des flexiblen Ringelements aufgebracht ist, sowie wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. dehnungsempfindliche Metallbeschichtung, die auf der jeweiligen elektrisch isolierenden Schicht angeordnet und nachträglich bearbeitet ist, vorzugsweise derart, dass die elektrisch leitfähige Schicht wenigstens abschnitts- und/oder bereichsweise eine meanderförmige Struktur aufweist. Es ist denkbar, dass das Dünnschichtsystem zusätzlich als Dehnungsmessstreifen fungiert. Die elektrisch leitfähige Schicht kann mehrere Leiterbahnen aufweisen, an denen Kontaktstellen ausgebildet sein können, die dazu eingerichtet sein können, die elektrisch leitfähige Schicht elektrisch mit einem oder mehreren Temperatursensoren und/oder einer Leiterplatte und/oder einer elektrischen Stromversorgung zu kontaktieren.
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Vorzugsweise ist oder umfasst der jeweilige Temperatursensor eine Diode. Anders gesagt kann ein erster Temperatursensor als Diode ausgebildet sein. Alternativ können mehrere Dioden den ersten Temperatursensor bilden. Eine Diode ist ein Halbleiter-Sensor, wobei bei der Diode die Eigenschaften eines Halbleiterübergangs in Sperrrichtung genutzt werden. Der Sperrstrom ist direkt proportional zur Temperatur des Siliziums der Diode. Mit entsprechender Vorspannung lässt sich mit einer preiswerten Diode eine Sperrspannung erzeugen, welche proportional zu ihrer Temperatur ist.
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Bevorzugt ist der jeweilige Temperatursensor durch Löten mit dem Dünnschichtsystem verbunden. Anders gesagt ist der jeweilige Temperatursensor auf dem flexiblen Ringelement aufgelötet, und zwar dort, wo das Dünnschichtsystem angeordnet bzw. ausgebildet ist, so dass eine elektrische und thermische Verbindung zwischen dem jeweiligen Temperatursensor und dem Dünnschichtsystem besteht. Der als Diode ausgebildete Temperatursensor weist bevorzugt zwei Elektroden auf, wobei jede Elektrode über das Lötmaterial elektrisch mit dem Dünnschichtsystem verbunden ist. In diesem Sinn umfasst die jeweilige Diode eine erste Elektrode und eine in Längsrichtung auf einer entgegengesetzten Seite der Diode angeordnete zweite Elektrode, wobei die jeweilige Diode in ihrer Längserstreckung senkrecht zur radialen Erstreckung des flexiblen Ringelement am flexiblen Ringelement angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die jeweilige Diode in Umfangsrichtung, also tangential, am flexiblen Ringelement angeordnet. Dies erleichtert die Kontaktierung der Diode mit anderen Bauteilen oder Leitungen der Temperatursensoreinrichtung.
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Da sich das flexible Ringelement im Betrieb permanent elastisch verformt, ist es von Vorteil, Maßnahmen zu treffen, die eine Lötablösung verhindern. Um eine Lötablösung zwischen der Diode und dem Dünnschichtsystem zu verhindern, ist das Lötmaterial in einem bestimmten Länge-Höheverhältnis zwischen der Diode und dem Dünnschichtsystem ausgebildet. Es hat sich für vorteilhaft erwiesen, wenn die Länge der Verlötung auf dem Dünnschichtsystem größer ist als die Höhe der Verlötung, mit der das Lötmaterial an der jeweiligen Elektrode der Diode angebunden ist. Alternativ oder ergänzend ist der jeweilige Temperatursensor, insbesondere die jeweilige Diode, durch einen wärmeleitenden Klebstoff auf einen Abschnitt des Dünnschichtsystems geklebt. Damit wird ebenfalls eine Lötablösung verhindert sowie eine Wärmeübertragung zwischen dem Dünnschichtsystem und dem Temperatursensor verbessert.
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Im Betrieb des Wellgetriebes ist es nicht erforderlich, eine Temperatur im Inneren des Wellgetriebes permanent zu messen und zu überwachen, sodass der jeweilige Temperatursensor zur Erhöhung der Lebensdauer von einer Stromversorgung trennbar ausgeführt sein kann. Mit anderen Worten kann ein Schalter vorgesehen sein, der den Temperatursensor an eine Stromversorgung koppeln bzw. von der Stromversorgung trennen kann. Bei mehreren Temperatursensoren kann jedem Temperatursensor ein Schalter zugeordnet sein, der gezielt einzelne Temperatursensoren von der Stromversorgung trennen kann. Alternativ können mehrere oder alle Temperatursensoren durch einen einzigen Schalter von der Stromversorgung entkoppelt bzw. mit der Stromversorgung verbunden werden.
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Das Dünnschichtsystem kann derart ausgebildet und insbesondere am flexiblen Ringelement angeordnet sein, dass der Temperatursensor möglichst weit von einer Wärmequelle entfernt angeordnet ist und trotzdem eine möglichst genaue Temperatur des flexiblen Ringelements messen kann. In diesem Sinn weist das Dünnschichtsystem wenigstens eine Wärmeleitungsbahn auf, die dazu ausgebildet ist, Wärme von einer Wärmequelle innerhalb des Wellgetriebes zum jeweiligen Temperatursensor leitet. Die jeweilige Wärmeleitungsbahn ist Teil des Dünnschichtsystems, wobei die jeweilige Wärmeleitungsbahn eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sodass der Temperatursensor eine möglichst genaue Temperatur erfassen kann. Die jeweilige Wärmeleitungsbahn bildet eine leitfähige Oberfläche auf dem flexiblen Ringelement, welche Wärme vergleichsweise leicht zum Temperatursensor leitet. Damit wird der Temperatursensor, insbesondere die Diode, vor Schäden durch zu hohe Temperaturen geschützt. Die jeweilige Wärmeleitungsbahn erstreckt sich somit von der Wärmequelle bzw. der Stelle, wo die höchste Bauteiltemperatur während des Betriebs auftritt, zum Anschlussstelle des Temperatursensors an das flexible Ringelement.
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Vorzugsweise ist das Dünnschichtsystem mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden, die am flexiblen Ringelement befestigt ist. Damit sind am Dünnschichtsystem sowohl der jeweilige Temperatursensor wie auch die Leiterplatte elektrisch angebunden. Die Leiterplatte ist innerhalb des Wellgetriebes angeordnet und über das Dünnschichtsystem mit dem jeweiligen Temperatursensor elektrisch verbunden. Die Leiterplatte kann am flexiblen Ringelement verschraubt sein.
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Bevorzugt weist das Dünnschichtsystem Anschlussabschnitte auf, wobei elektrisch leitfähige Anschlusselemente vorgesehen sind, um jeweils eine Kontaktstelle der Leiterplatte mit einem jeweiligen Anschlussabschnitt des Dünnschichtsystems elektrisch zu verbinden. Die Anschlusselemente sind bevorzugt aus Blei ausgebildet. Außerdem bevorzugt ist das jeweilige Anschlusselement abgewinkelt ausgebildet, umfassend einen ersten Schenkel zur Anbindung an die Kontaktstelle der Leiterplatte, einen zweiten Schenkel zur Anbindung an den dazugehörigen Anschlussabschnitt des Dünnschichtsystems sowie einem Verbindungsabschnitt, der die beiden Schenkel miteinander einteilig verbindet. Im Querschnitt weist das jeweilige Anschlusselement eine Stufenform, S-Form oder Z-Form auf. Das jeweilige Anschlusselement kann beliebig ausgestaltet sein. Von Vorteil ist es, das jeweilige Anschlusselement im Querschnitt derart abgewinkelt auszubilden, dass elastische Verformungen des flexiblen Ringelements während des Betriebs absorbiert werden können.
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Vorzugsweise ist das jeweilige Anschlusselement durch Löten mit dem Dünnschichtsystem verbunden. Anders gesagt ist das jeweilige Anschlusselement auf dem flexiblen Ringelement aufgelötet, und zwar bevorzugt an einem dazugehörigen Anschlussabschnitt des Dünnschichtsystems. Der jeweilige Anschlussabschnitt ist ein Bereich des Dünnschichtsystems, der derart ausgebildet ist, dass eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Dünnschichtsystem herstellbar ist.
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Die Leiterplatte weist nach einem Ausführungsbeispiel wenigstens einen Analog-Digital-Umsetzer, nachfolgend A/D-Wandler genannt, wenigstens einen Mikrocontroller, wenigstens ein Schalt-IC sowie wenigstens eine externe Verbindungselektrode auf, die so eingerichtet ist, das der Mikrocontroller, der Signale von den anderen Elementen der Leiterplatte empfängt, mit einer Steuerungsvorrichtung oder dergleichen kommunizieren kann.
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Das Schalt-IC ist bevorzugt dazu eingerichtet, einen Kreislauf zwischen einem Temperatursensor, insbesondere einer Diode, und einem dazugehörigen A/D-Wandler zu bilden. Das Schalt-IC schaltet die Spannung am zugehörigen Temperatursensor an bzw. aus. Wenn die Spannung abgeschaltet wird, fließt kein Strom zum Temperatursensor, sodass mit diesem Temperatursensor keine Temperatur messbar ist. Das Schalt-IC ist vom Mikrocontroller steuerbar. Der A/D-Wandler erfasst das vom jeweiligen Temperatursensor erzeugte Messsignal und übermittelt dies an den Mikrocontroller, der die Daten derart aufarbeitet, dass diese der Steuerungsvorrichtung oder einer anderen Einrichtung übermittelt werden können. Demnach ist der A/D-Wandler ein Bauelement, das ein Messsignal des jeweiligen Temperatursensors aufnimmt und einen Datenstrom, insbesondere einen digitalen Messdatenstrom, zur Verfügung stellt und an den Mikrocontroller sendet. Der A/D-Wandler kommuniziert ebenfalls mit dem Mikrocontroller.
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Vorzugsweise ist jedem Temperatursensor, insbesondere jeder Diode, ein A/D-Wandler sowie ein Schalt-IC zugeordnet. Wenn mehrere Dioden vorgesehen sind, können alle A/D-Wandler und zugehörige Schalt-ICs mit einem einzigen Mikrocontroller verbunden sein, der über die externe Verbindungselektrode mit einer externen Vorrichtung kommunizieren kann. Die Leiterplatte kann zudem eine Vielzahl von Verdrahtungen in Form von elektrischen Leitungen mit unterschiedlichen Funktionen aufweisen, insbesondere um die genannten Elemente sinnvoll miteinander zu verbinden. Insbesondere weist die Leiterplatte eine Stromversorgungsleitung auf, die dazu eingerichtet ist, alle genannten Elemente der Leiterplatte sowie den jeweiligen Temperatursensor, insbesondere die jeweilige Diode, mit elektrischem Strom zu versorgen. Außerdem weist die Leiterplatte eine digitale Ausgangsleitung auf, die dazu eingerichtet ist, ein digitales Signal des A/D-Wandlers an den Mikrocontroller zu leiten.
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Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in oder an einem Roboterarm des Roboters angeordnet und wirkt zumindest mittelbar auf zumindest einen der Roboterarmsegmente ein. Das Wellgetriebe ist bevorzugt Teil eines Aktuators. Der Aktuator umfasst das genannte Wellgetriebe sowie eine Antriebseinheit, vorzugsweise in Form eines PCB-Motors, der mit dem Wellgetriebe antriebswirksam verbunden ist. Das Wellgetriebe reduziert eine eingangsseitige Rotationsgeschwindigkeit einer Antriebswelle der Antriebseinheit und wirkt somit als Untersetzungsgetriebe. Der Aktuator kann ferner Sensoren, insbesondere Drehmomentsensoren, Winkelkodierer, und andere Bauteile umfassen. Der Aktuator, insbesondere das hier vorgeschlagene Wellgetriebe, kann sowohl in einem Armroboter als auch in einem X-Y-Roboter vorteilhaft eingesetzt werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines nur teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Roboters in Form eines Armroboters,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellgetriebes des Roboters nach 1,
- 3 eine teilweise dargestellter, schematischer Längsschnitt des erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß 2,
- 4 eine teilweise dargestellter, stark vereinfachter Längsschnitt eines flexiblen Ringelements des erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß 2 und 3,
- 5 eine schematische Ansicht einer Temperatursensoreinrichtung, umfassend eine Leiterplatte mit mehreren damit elektrisch verbundenen Dioden als Temperatursensoren,
- 6 eine schematische Teilansicht des flexiblen Ringelements des erfindungsgemäßen Wellgetriebes zur Veranschaulichung von Wärmeleitungsbahnen der Temperatursensoreinrichtung,
- 7 eine erste stark schematische Querschnittdarstellung durch die Temperatursensoreinrichtung zur Veranschaulichung der Anbindung eines Temperatursensors an das Dünnschichtsystem der Temperatursensoreinrichtung, und
- 8 eine zweite stark schematische Querschnittdarstellung durch die Temperatursensoreinrichtung zur Veranschaulichung der Anbindung der Leiterplatte an das Dünnschichtsystem der Temperatursensoreinrichtung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Roboter 12 in der Ansicht. Der Roboter 12 ist als Armroboter ausgebildet und weist zwei Roboterarmsegmente 12a, 12b auf, wobei die Roboterarmsegmente 12a, 12b über ein Gelenk 13 miteinander wirksam verbunden sind. Zur Veränderung der Position des ersten Roboterarmsegments 12a weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen - hier nicht gezeigten - Elektromotor und ein damit wirkverbundenes erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1, das wiederum mit dem ersten Roboterarmsegment 12a wirkverbunden ist. Der Aufbau des Wellgetriebes 1 ist anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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2 zeigt den allgemeinen Aufbau des Wellgetriebes 1. Das Wellgetriebe 1 umfasst ein von einem Wellgenerator 2 umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außenverzahnung 3a und ein als Hohlrad ausgebildetes, starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a. Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a einteilig ausgebildet. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen 5 mit der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4 im Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist über ein Vierpunktlager 24 gegenüber einem Gehäuse 25 des Wellgetriebes 1 gelagert.
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Der Wellgenerator 2 weist einen unrund ausgebildeten Innenring 8 und einen umlaufend in radialer Richtung verformbaren, flexiblen Außenring 16 auf, wobei zwischen dem Innenring 8 und dem Außenring 16 Wälzkörper 7 abrollen, die durch einen - hier nicht gezeigten - Käfig geführt sind. Der Innenring 8, der Außenring 16 und die Wälzkörper 7 bilden ein Lagerelement 6 des Wellgenerators 2. Das Lagerelement 6 ragt in das flexible Ringelement 3 hinein bzw. ist darin räumlich aufgenommen. Der Innenring 8 ist einteilig mit einer Welle 9 verbunden. Der flexible Außenring 16 ist an einem Innenumfang 3b des flexiblen Ringelements 3 angeordnet. Der Wellgenerator 2 ist über die Welle 9 von dem - hier nicht dargestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar. Vorliegend ist die Welle 9 als Hohlwelle ausgebildet, so dass beispielsweise eine Elektronik des Roboters 12 durch die Welle 9 hindurchführbar ist. Die Welle 9 ist zudem durch weitere Lager 26 drehbar gelagert.
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3 und 4 zeigen stark vereinfachte Teilausschnitte des Wellgetriebes 1 jeweils im Längsschnitt. Das Wellgetriebe 1 weist demnach ferner eine Temperatursensoreinrichtung 15 mit vier als Diode 10 ausgebildeten Temperatursensor 17 auf. Die Dioden 10 sind zur Erfassung einer Betriebstemperatur innerhalb des Wellgetriebes 1 ausgebildet. Die Temperatursensoreinrichtung 15 ist direkt auf einem Oberflächenabschnitt 3c des flexiblen Ringelements 3 angeordnet und umfasst ein auf dem Oberflächenabschnitt 3c ausgebildetes strukturiertes Dünnschichtsystem 18, das beispielsweise durch ein PVD-Verfahren mit anschließender Mikrostrukturbearbeitung auf dem Oberflächenabschnitt 3c aufgebracht ist. Das Dünnschichtsystem 18 dient zur Wärmeweiterleitung von einer Wärmequelle zu den Temperatursensoren 17 bzw. den Dioden 10 sowie zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte 20. Der Oberflächenabschnitt 3c ist hier eine ringscheibenförmige Stirnfläche des flexiblen Ringelements 3, die sich ausgehend von einer Rotationsachse 11 radial erstreckt.
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Gemäß 5 ist die Temperatursensoreinrichtung 15 mit der ringförmigen Leiterplatte 20 und vier Dioden 10 in der Draufsicht dargestellt. Jede Diode 10 ist in einer am Außenumfang der Leiterplatte 20 ausgebildeten Ausnehmung 35 angeordnet. Jeder Diode 10 ist ein A/D-Wandler 27 sowie ein Schalt-IC 28 („IC“ steht für „integrated circuit“ bzw. auf deutsch „intergrierter Schaltkreis“) zugewiesen. Die A/D-Wandler 27 und die die Schalt-ICs sind mit einem Mikrocontroller 29 elektrisch verbunden, welcher über eine externe Verbindungselektrode 30 mit einer - hier nicht gezeigten - Steuervorrichtung oder dergleichen kommunizieren kann. Alternativ kann eine Ausgabeeinheit vorgesehen sein, welche die erfassten Temperaturdaten der Dioden 10 darstellen kann. Die Leiterplatte 20 weist eine Vielzahl von Leitungen auf, um die genannten Elemente miteinander zu verbinden. Insbesondere weist die Leiterplatte eine Stromversorgungsleitung 31 auf, die alle genannten Elemente der Leiterplatte 20 sowie die Dioden 10 mit elektrischem Strom versorgt. Außerdem weist die Leiterplatte 20 eine digitale Ausgangsleitung 32 auf, über die ein digitaler Messdatenstrom von den A/D-Wandlern 27 an den Mikrocontroller 29 geleitet wird.
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Durch Messung der Temperatur im Innenraum des Wellgetriebes 1 mit vier Dioden 10 kann eine relativ genaue durchschnittliche Temperatur des flexiblen Ringelements 3 ermittelt und zur Beurteilung einer Schmiermittellebensdauer sowie zur Eliminierung von Temperaturdrifts herangezogen werden. Zudem können die Dioden 10 derart überwacht werden, dass ausgefallene oder fehlerhafte Dioden 10 erkannt werden und ausgetauscht werden können.
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Gemäß den 4, 5 und 7 weist jede Diode 10 eine erste Elektrode 10a und eine in Längsrichtung auf einer entgegengesetzten Seite der Diode 10 angeordnete zweite Elektrode 10b auf. 5 zeigt zudem, dass jede Diode 10 in ihrer Längserstreckung senkrecht zur radialen Erstreckung der Leiterplatte 20 und damit auch zur radialen Erstreckung des flexiblen Ringelement 3 am flexiblen Ringelement 3 angeordnet ist. Dadurch kann die Verdrahtung der Elektroden 10a, 10b mit der Leiterplatte 20 sicherer und einfacher erfolgen.
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Das Dünnschichtsystem 18 ist vollumlaufend an der Stirnfläche des flexiblen Ringelements 3 bzw. am Oberflächenabschnitt 3c ausgebildet. Dies ist hier nicht näher dargestellt. 6 zeigt jedoch einen Teil des Dünnschichtsystems 18, der an der jeweiligen Diode 10, die hier gestrichelt angedeutet ist, drei Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c aufweist, die sich von radial innen des flexiblen Ringelements 3 nach radial außen hin zur Diode 10 erstrecken. Die Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c können prinzipiell beliebig ausgeformt sein, hier ist die zweiten Wärmeleistungsbahn 19b breiter als die erste und dritte Wärmeleistungsbahn 19a, 19c. Es soll mit 6 verdeutlicht werden, dass die jeweilige Diode 10 möglichst weit außen, insbesondere im Bereich des Außendurchmessers 34 des sich wenigstens radial erstreckenden Abschnitts des flexiblen Ringelements 3, angeordnet ist, sodass die jeweilige Diode 10 möglichst weit von der tatsächlichen Wärmequelle im Betrieb des Wellgetriebes 1 entfernt liegt. Damit wird eine temperaturbedingte Beschädigung der Dioden 10 vermieden. Um trotzdem eine möglichst genaue tatsächliche Bauteiltemperatur des flexiblen Ringelements 3 erfassen zu können, erstrecken sich die Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c im Wesentlichen radial von radial innen, wo die Wärmequelle des flexiblen Ringelements 3 im Betrieb des Wellgetriebes 1 liegt, nach radial außen hin zur Diode 10. Die Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c sind Teil des Dünnschichtsystems 18 und ermöglichen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, dass die jeweilige Diode 10 eine genaue Temperatur des flexiblen Ringelements 3 von den Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c abgreifen kann. Die Wärmeleitungsbahnen 19a, 19b, 19c leiten somit Wärme von wärmeren, insbesondere von den wärmsten Bereichen des flexiblen Ringelements 3 zur Diode 10.
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6 zeigt zudem in Verbindung mit 8, dass das Dünnschichtsystem 18 Anschlussabschnitte 21 zur elektrischen Anbindung der Leiterplatte 20 an das Dünnschichtsystem 18 aufweist. Dazu sind elektrisch leitfähige Anschlusselemente 22 in Stufenform vorgesehen, die sowohl mit einer jeweiligen Kontaktstelle 23 an der Leiterplatte 20 sowie mit dem dazugehörigen Anschlussabschnitt 21 des Dünnschichtsystems 18 elektrisch verbunden sind. Die spezifische Form der Anschlusselemente 22 ermöglicht die Absorption von horizontalen und vertikalen Kräften, die während des Betriebs auf das flexible Ringelement 3 einwirken. Zwischen dem Dünnschichtsystem 18 und dem Anschlusselement 22 liegt nach 8 zudem eine Lötverbindung vor. Um ein Ablösen der Anschlusselements 22 von dem Dünnschichtsystem 18, insbesondere von dem Anschlussabschnitt 21 des Dünnschichtsystems 18, zu verhindern, überlappt das Lötmaterial 33 den Anschlussabschnitt 21 des Dünnschichtsystems 18 sowie einen dem Dünnschichtsystem 18 zugeordneten ersten Schenkel 22a des Anschlusselements 21 über eine bestimmte Überlappungslänge L2. Es hat sich herausgestellt, dass eine Lötablösung wirksam verhindert wird, wenn eine erste Überlappungslänge L2 des Lötmaterials 33 am Dünnschichtsystem 18 größer ist als eine zweite Überlappungslänge L3 des Lötmaterials 33 an einem dem Dünnschichtsystem 18 zugeordneten zweiten Schenkel 22b des Anschlusselements 22.
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Um ein Ablösen der Dioden 10 vom Dünnschichtsystem 18 zu vermeiden, sind diese einerseits durch einen - hier nicht gezeigten - wärmeleitenden Klebstoff auf dem Dünnschichtsystem 18 aufgeklebt. Andererseits sind sie ebenfalls durch Löten mit dem Dünnschichtsystem 18 verbunden, wie 7 zeigt. Und zwar werden die Elektroden 10a, 10b der jeweiligen Diode 10 über das Lötmaterial 33 mit dem Dünnschichtsystem 18 elektrisch verbunden. Eine sichere Befestigung der Dioden 10 am Dünnschichtsystem 18 liegt insbesondere dann vor, wenn beim Löten eine dritte Überlappungslänge L1 des Lötmaterials 33 auf dem Dünnschichtsystem 18 größer ist als eine vierte Überlappungslänge H1 des Lötmaterials 33, mit der das Lötmaterial 33 an der jeweiligen Elektrode 10a bzw. 10b der Diode 10 angebunden ist. Die vierte Überlappungslänge H1 entspricht hier etwa der Höhe der jeweiligen Elektrode 10a, 10b der Diode 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Wellgenerator
- 3
- flexibles Ringelement
- 3a
- Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement
- 3b
- Innenumfang des flexiblen Ringelements
- 3c
- Oberflächenabschnitt des flexiblen Ringelements
- 4
- starres Ringelement
- 4a
- Innenverzahnung an dem starren Ringelement
- 5
- Zahneingriffsbereich
- 6
- Lagerelement
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Innenring
- 9
- Welle
- 10
- Diode
- 10a
- erste Elektrode der Diode
- 10b
- zweite Elektrode der Diode
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Roboter
- 12a
- erstes Roboterarmsegment
- 12b
- zweites Roboterarmsegment
- 13
- Gelenk
- 14
- Antriebseinheit
- 15
- Temperatursensoreinrichtung
- 16
- flexibler Außenring
- 17
- Temperatursensor
- 18
- strukturiertes Dünnschichtsystem
- 19a
- erste Wärmeleitungsbahn
- 19b
- zweite Wärmeleitungsbahn
- 19c
- dritte Wärmeleitungsbahn
- 20
- Leiterplatte
- 21
- Anschlussabschnitt des strukturierten Dünnschichtsystems
- 22
- Anschlusselement
- 22a
- erster Schenkel
- 22b
- zweiter Schenkel
- 23
- Kontaktstelle der Leiterplatte
- 24
- Vierpunktlager
- 25
- Gehäuse
- 26
- Lager
- 27
- A/D-Wandler
- 28
- Schalt-IC
- 29
- Mikrocontroller
- 30
- externe Verbindungselektrode
- 31
- Stromversorgungsleitung
- 32
- digitale Ausgangsleitung
- 33
- Lötmaterial
- 34
- Außendurchmesser
- 35
- Ausnehmung
- H1
- vierte Überlappungslänge
- L1
- dritte Überlappungslänge
- L2
- erste Überlappungslänge
- L3
- zweite Überlappungslänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012000058 T5 [0002]
- JP 2017173073 A [0003]
