DE102023100473B3 - Storage unit with integrated sensor - Google Patents
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Abstract
Lagereinheit (2) mit einem Lager (4) und zumindest einem Sensor (22), wobei der der Sensor (22, 30, 34, 38) in das Lager (4) integriert ist, wobei der Sensor (22, 30, 34, 38) zur Erfassung des abtriebseitigen Drehmomentes einer elektrischen Maschine oder eines mechanischen Getriebes und/oder zur Messung der Querkraft und/oder des Kippmomentes ausgebildet ist.Bearing unit (2) with a bearing (4) and at least one sensor (22), the sensor (22, 30, 34, 38) being integrated into the bearing (4), the sensor (22, 30, 34, 38) is designed to detect the output-side torque of an electrical machine or a mechanical transmission and/or to measure the transverse force and/or the tilting moment.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a storage unit according to the preamble of claim 1.
Zu den wichtigsten physikalischen Größen einer elektrischen Maschine gehören die Drehzahl und das Drehmoment. Während die Drehzahl in vielen Fällen durch den vorhandenen Motorgeber (beispielsweise Encoder, Tachogenerator, Resolver) einfach zu ermitteln ist, bleibt das wirkliche Drehmoment unbekannt. Dieses Drehmoment lässt sich mittels Messungen des Stroms und der Drehmomentkonstante nur näherungsweise bestimmen. Wenn zusätzlich ein Getriebe zum Einsatz kommt, wird das Ergebnis durch dessen Wirkungsgrad deutlich verfälscht. Zwischen treibendem und bremsendem Betrieb entstehen so erhebliche Differenzen des zu ermittelten Drehmomentes. Auch Schwingungen am Abtrieb des Getriebes sind nicht immer auf der Motorseite erfassbar.The most important physical variables of an electrical machine include speed and torque. While the speed can in many cases be easily determined using the existing motor encoder (e.g. encoder, tachogenerator, resolver), the actual torque remains unknown. This torque can only be determined approximately by measuring the current and the torque constant. If a gearbox is also used, the result will be significantly distorted due to its efficiency. Significant differences in the torque to be determined arise between driving and braking operation. Vibrations on the transmission output cannot always be detected on the engine side.
Wenn in einer spezifischen Anwendung das Wissen um das aktuelle Drehmoment erforderlich ist, kann ein Drehmomentsensor eingesetzt werden. Die bekannten Drehmomentsensoren benötigen jedoch erheblichen Bauraum und reagieren z.T. empfindlich auf Querkräfte (Kippmoment). Zudem sind diese Sensoren kostenintensiv und erfordern einen erheblichen Integrationsaufwand. Ein Einbau solcher Sensoren verändert die Topologie der Anwendung, weshalb die Aussagekraft durch die Sensorintegration gemindert wird. Zur erfolgreichen Umsetzung ist zusätzliches Fachwissen erforderlich.If knowledge of the current torque is required in a specific application, a torque sensor can be used. However, the known torque sensors require considerable installation space and sometimes react sensitively to lateral forces (tilting moment). In addition, these sensors are cost-intensive and require considerable integration effort. Installing such sensors changes the topology of the application, which is why the meaningfulness is reduced by sensor integration. Additional specialist knowledge is required for successful implementation.
Lager bzw. Drehlager eignen sich auch insbesondere zur Drehlagerung von Spannungswellengetrieben, wobei das Drehlager und das Spannungswellengetriebe eine Lagereinheit, insbesondere Getriebebox, bilden. Derartige Getriebeboxen werden in vielfältiger Weise in vielen Technologiebereichen eingesetzt. Insbesondere finden derartige Getriebeboxen in der Robotertechnik und auch in der Prothetik vermehrt Anwendung. Ein als elliptischer Wave-Generator ausgebildetes Antriebbauteil verformt über ein Kugellager ein als außenverzahnter Flexspline ausgebildetes Übertragungsbauteil, welches sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit einem innenverzahnten, als Circular Spline ausgebildeten Rad im Eingriff befindet. Mit Drehen des Wave-Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich.Bearings or pivot bearings are also particularly suitable for the rotary mounting of tension shaft gears, with the pivot bearing and the tension shaft gear forming a bearing unit, in particular a gear box. Such gearboxes are used in a variety of ways in many technological areas. In particular, such gearboxes are increasingly being used in robotics and prosthetics. A drive component designed as an elliptical wave generator deforms via a ball bearing a transmission component designed as an externally toothed flexspline, which is in engagement in the opposite regions of the large elliptical axis with an internally toothed wheel designed as a circular spline. As the wave generator rotates, the large ellipse axis and thus the tooth engagement area shifts.
Da der Flexspline eines derartigen Harmonic Drive® Getriebes in der Regel zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, vollzieht sich während einer halben Umdrehung des Wave-Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um einen Zahn und während einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Antrieb. Der Circular Spline kann dabei in einem Lagerring des Lagers bzw. Drehlagers fixierbar angeordnet sein.Since the Flexspline of such a Harmonic Drive® transmission usually has two fewer teeth than the Circular Spline, there is a relative movement between the Flexspline and Circular Spline by one tooth during half a revolution of the wave generator and by two teeth during a whole revolution. When the circular spline is fixed, the flexspline as an output element rotates in the opposite direction to the drive. The circular spline can be arranged in a fixable manner in a bearing ring of the bearing or pivot bearing.
Derartige Spannungswellengetriebe werden zur Realisierung einer Drehbewegung zwischen zwei Bauteilen auf einen Drehlagerring aufgesetzt, auf dem sie drehbar gelagert sind. Dabei kann einerseits das Rad des Spannungswellengetriebes drehfest zu dem Drehlagerring angeordnet sein, wobei dann Wälzkörper zwischen Drehlagerflächen des Drehlagerrings und des Übertragungsbauteils angeordnet sind, wodurch die Drehbarkeit des Spannungswellengetriebes gegenüber dem Drehlagerring gewährleistet ist. Andererseits kann aber auch das Übertragungsbauteil des Spannungswellengetriebes drehfest zu dem Drehlagerring angeordnet sein, wobei dann Wälzkörper zwischen Drehlagerflächen des Drehlagerrings und des Rades angeordnet sind, wodurch die Drehbarkeit des Spannungswellengetriebes gegenüber dem Drehlagerring ebenfalls gewährleistet ist.In order to realize a rotary movement between two components, such tension wave gears are placed on a rotary bearing ring on which they are rotatably mounted. On the one hand, the wheel of the tension shaft gear can be arranged in a rotationally fixed manner with respect to the pivot bearing ring, with rolling bodies then being arranged between pivot bearing surfaces of the pivot bearing ring and the transmission component, whereby the rotatability of the tension shaft gear relative to the pivot bearing ring is ensured. On the other hand, the transmission component of the tension shaft gear can also be arranged in a rotationally fixed manner with respect to the pivot bearing ring, with rolling bodies then being arranged between pivot bearing surfaces of the pivot bearing ring and the wheel, whereby the rotatability of the tension shaft gear with respect to the pivot bearing ring is also guaranteed.
Aus der
Die
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lagereinheit mit kompakter Bauweise und reduzierter Komplexität bereitzustellen, welche die Bestimmung physikalischer Größen erlaubt.The invention is based on the object of providing an improved storage unit with a compact design and reduced complexity, which allows the determination of physical quantities.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das abgegebene Drehmoment einer elektrischen Maschine oder eines mechanischen Getriebes auch über ortsfeste Bauteile, wie z.B. das Gehäuse, übertragen wird. Oftmals ist auch der feststehende Außenring einer Abtriebslagerung, die mechanische Schnittstelle zur Applikation und somit zugleich auch Drehmomentstütze. Werden in diesem Bauteil Sensoren zur Messung des Drehmomentes integriert, kann das sogenannte Reaktionsdrehmoment gemessen werden. Voraussetzung ist, dass keine weitere Abstützung des Drehmomentes durch zusätzliche mechanische Anbindungen vorhanden ist.The invention is based on the idea that the torque delivered by an electrical machine or a mechanical transmission is also transmitted via stationary components, such as the housing. The fixed outer ring of an output bearing is often the mechanical interface to the application and therefore also the torque support. If sensors for measuring the torque are integrated into this component, the so-called reaction torque can be measured. The prerequisite is that there is no further support of the torque through additional mechanical connections.
Wie nunmehr erkannt wurde, kann die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden durch Integration einer Drehmoment-Sensorik in ein Lager. Eine derartige Integration wurde als möglich erkannt, ohne dass die Lagersteifigkeit bzw. Lebensdauer zu sehr eingeschränkt werden muss. Die Herausforderung besteht dabei in der Messung der Bauteilverformung und Berechnung des Drehmoments. Die Aussparrungen stellen lokale Messstellen dar, welche genutzt werden, um das Drehmoment zu erfassen. Das gesamte Bauteil ist jedoch steif und lässt sich nicht verformen. Alle bekannten Drehsensoren in Lagereinheiten messen die Winkelposition, dies ist jedoch eine andere physikalische Größe, sodass diese Herausforderung bisher im Stand der Technik keine Rolle spielte. Das Lager ist bevorzugt als Drehlager ausgebildet.As has now been recognized, the problem according to the invention can be solved by integrating a torque sensor system into a bearing. Such an integration was recognized as possible without having to limit the bearing rigidity or service life too much. The challenge lies in measuring the component deformation and calculating the torque. The recesses represent local measuring points that are used to record the torque. However, the entire component is rigid and cannot be deformed. All known rotation sensors in bearing units measure the angular position, but this is a different physical quantity, so this challenge has not yet played a role in the prior art. The bearing is preferably designed as a pivot bearing.
Vorteilhafterweise weist das Lager einen Lagerinnenring und einen Lageraußenring auf, wobei der jeweilige Sensor in zumindest einer im Lageraußenring gebildeten Sensortasche angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist kein zusätzlicher Bauraum notwendig, da sich der Sensor direkt im Bauteil befindet. Es sind darüber hinaus auch keine weiteren Bauteile notwendig, da der Lagerring Bauteil des Sensors ist und umgekehrt. Die Kundenschnittstelle kann gegenüber Lagern ohne Sensor unverändert bleiben.Advantageously, the bearing has a bearing inner ring and a bearing outer ring, with the respective sensor being arranged in at least one sensor pocket formed in the bearing outer ring. In this embodiment, no additional installation space is necessary since the sensor is located directly in the component. Furthermore, no other components are necessary since the bearing ring is a component of the sensor and vice versa. The customer interface can remain unchanged compared to warehouses without a sensor.
Der Außenring ist bevorzugt der Außenring eines Abtriebslagers, welches insbesondere gleichzeitig die feststehende mechanischen Kundenschnittstelle darstellt.The outer ring is preferably the outer ring of an output bearing, which in particular simultaneously represents the fixed mechanical customer interface.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest zwei Sensortaschen vorgesehen, die entlang des Umfangs des Lageraußenrings versetzt zueinander angeordnet sind. Durch mehrere Messstellen kann auf diese Weise eine höhere Messicherheit erreicht werden aufgrund der höheren Datenmenge. Bei kleinen Bauteilen sind nur kleine Taschen realisierbar, in welchen dann jeweils nur ein DMS platziert werden kann. Somit ist bei Vorhandensein von nur einer Tasche keine Brückenschaltung möglich. Die Dehnungsmesstreifen werden vorteilhafterweise mittels der Brückenschaltung verschaltet. Ist die Schaltung Symmetrisch, können unerwünschte thermische Ausdehnungen elektrisch kompensiert werden (Halbbrücke und Vollbrücke). Eine Vollbrücke mit vier DMS (vier Taschen), hat das größte Ausgangssignal und die besten Kompensationseigenschaften. Die Sensortaschen sind insbesondere bevorzugt um einen Winkel von 90° oder 180° zueinander versetzt angeordnet. Durch um 180° versetzt eingefräste Taschen wird die Steifigkeit des Bauteils lokal minimiert. Der Vorteil von gegenüberliegenden Sensortaschen liegt darin, dass sich durch eine räumlich gezielte Anordnung der Messtellen Fehler gegenseitig aufheben. Parasitäre Kräfte quer zur Messrichtung sind im Betrag gleich, können aber durch gegensätzliche Vorzeichen kompensiert werden. Zum Beispiel erzeugt ein Kippmoment auf eine Lagerung auf einer Seite Zug und auf der anderen Seite Druck. Durch gezielte Anordnung und Verschaltung kann der Einfluss auf ein zu messendendes Drehmoment aufgehoben werden.In a preferred embodiment, at least two sensor pockets are provided, which are arranged offset from one another along the circumference of the bearing outer ring. In this way, greater measurement reliability can be achieved through multiple measuring points due to the larger amount of data. For small components, only small pockets can be created, in which only one strain gauge can be placed. This means that no bridge connection is possible if there is only one pocket. The strain gauges are advantageously connected using the bridge circuit. If the circuit is symmetrical, unwanted thermal expansions can be electrically compensated (half bridge and full bridge). A full bridge with four strain gauges (four pockets) has the largest output signal and the best compensation properties. The sensor pockets are particularly preferably arranged offset from one another by an angle of 90° or 180°. The stiffness of the component is locally minimized by milling pockets offset by 180°. The advantage of opposing sensor pockets is that errors cancel each other out through a spatially targeted arrangement of the measuring points. Parasitic forces transverse to the measuring direction have the same magnitude, but can be compensated for by opposite signs. For example, a tilting moment on a bearing creates tension on one side and pressure on the other side. The influence on the torque to be measured can be eliminated through targeted arrangement and interconnection.
Auf dem Boden dieser Vertiefungen werden vorteilhafterweise Dehnungsmessstreifen (DMS) fixiert, um die Dehnung im Material zu messen. Dadurch können Drehmomente, aber auch Axialkräfte und Kippmomente erfasst werden. Die Auswertung und Kalibrierung der DMS erfolgt mittels bevorzugt externer Elektronik, welche aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums im Lager bevorzugt außerhalb des Lagers angeordnet ist. Die jeweilige Sensortasche weist erfindungsgemäß eine lagerinnenseitige Wandstärke zwischen 0,5 mm und 1 mm auf.Strain gauges (DMS) are advantageously fixed to the bottom of these depressions in order to measure the strain in the material. This allows torques, but also axial forces and tilting moments, to be recorded. The evaluation and calibration of the strain gauge is carried out using preferably external electronics, which is preferably arranged outside the warehouse due to the limited installation space available in the warehouse. According to the invention, the respective sensor pocket has a wall thickness on the inside of the bearing between 0.5 mm and 1 mm.
Durch diese lokale Schwächung des Materials können wiederum lokal höhere Dehnungen erzeugt werden, welche dann messtechnisch besser zu erfassen sind. Die Steifigkeit des gesamten Bauteils wird dadurch nur gering beeinflusst. Die Sensortaschen sind vorteilhafterweise alle gleich ausgebildet.This local weakening of the material can in turn generate locally higher strains, which can then be better measured. This only slightly influences the rigidity of the entire component. The sensor Bags are advantageously all designed the same.
Im Lageraußenring ist bevorzugt wenigstens eine Verkabelungstasche angeordnet. Die Sensortasche ermöglicht kurze elektrische Verbindungen mit geringen Widerstandswerten. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit ab der Verkabelungstasche, andere Typen von elektrischen Leitern zu verwenden. An die Leiter innerhalb der Brückenschaltung bestehen meist andre Ansprüche als an die Leiter zwischen Brücke und Auswerteelektronik.At least one cabling pocket is preferably arranged in the bearing outer ring. The sensor bag enables short electrical connections with low resistance values. It is also possible to use other types of electrical conductors from the cabling pocket onwards. There are usually different demands on the conductors within the bridge circuit than on the conductors between the bridge and the evaluation electronics.
Der Lageraußenring und/oder der Lagerinnenring sind vorteilhafterweise aus Stahl gefertigt.The bearing outer ring and/or the bearing inner ring are advantageously made of steel.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Lager ein Spannungswellengetriebe gelagert. Dies betrifft vorzugsweise die Lagerung der abtriebseitigen Last einer elektrischen Maschine (auch ohne Getriebe), z.B. bei einem Direktantrieb mit Kreuzrollen- oder Vierpunktlager.In a preferred embodiment, a tension shaft gear is mounted in the bearing. This preferably applies to the storage of the output-side load of an electric machine (even without a gearbox), e.g. in a direct drive with a crossed roller or four-point bearing.
Das Spannungswellengetriebe weist vorteilhafterweise ein Antriebsbauteil, ein mit einer Außenverzahnung versehenes, elastisches Übertragungsbauteil und ein mit einer Innenverzahnung versehenes Rad auf, wobei das Übertragungsbauteil auf das Antriebsbauteil aufsteckbar und dabei durch das Antriebsbauteil derart elliptisch verformbar ist, dass die Außenverzahnung des Übertragungsbauteils in gegenüberliegenden Bereichen einer großen Ellipsenachse mit der Innenverzahnung des Rades in Eingriff bringbar ist.The tension wave gear advantageously has a drive component, an elastic transmission component provided with external teeth and a wheel provided with internal teeth, the transmission component being pluggable onto the drive component and thereby elliptically deformable by the drive component in such a way that the external teeth of the transmission component are in opposite areas large elliptical axis can be brought into engagement with the internal teeth of the wheel.
Das Rad bildet bevorzugt den Lageraußenring. Der Lagerinnenring ist bevorzugt als Kupplungsrad ausgebildet mit einer Innenverzahnung, welche die gleiche Anzahl an Zähnen wie die Außenverzahnung des Übertragungsbauteils aufweist, wobei die Innenverzahnung des Kupplungsrades mit der Außenverzahnung des Übertragungsbauteils in Eingriff steht.The wheel preferably forms the bearing outer ring. The bearing inner ring is preferably designed as a clutch wheel with an internal toothing which has the same number of teeth as the external toothing of the transmission component, the internal toothing of the clutch wheel engaging with the external toothing of the transmission component.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die bereitgestellte Lagereinheit eine bauraumoptimierte Messung physikalischer Größen ermöglicht wird. Die Lagereinheit kann beispielsweise verwendet werden bei Roboterachsen, im Sondermaschinenbau, bei Automatisierungsanlagen oder in der Medizintechnik. Durch die Kenntnis der Kippmomente ist es möglich, eine Online-Lebensdauerabschätzung der Lager vorzunehmen, indem die Querkräfte und Umdrehungen ins Verhältnis zur Beanspruchbarkeit gesetzt werden.The advantages of the invention lie in particular in the fact that the storage unit provided enables a space-optimized measurement of physical variables. The storage unit can be used, for example, in robot axes, in special machine construction, in automation systems or in medical technology. By knowing the tilting moments, it is possible to carry out an online service life estimate of the bearings by relating the lateral forces and revolutions to the load capacity.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a drawing. All of the described and/or illustrated features, individually or in any sensible combination, form the subject matter of the present invention, regardless of their summary in the claims or their relationship.
Dabei zeigen zum Teil schematisch:
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1 eine Lagereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform in einem seitlichen Schnitt, -
2 die Lagereinheit gemäß1 in einer Draufsicht, -
3 die Lagereinheit gemäß1 in einer perspektivischen Darstellung, -
4 die Lagereinheit gemäß1 in einem Ausschnitt und -
5 die Lagereinheit gemäß1 in einem weiteren Ausschnitt. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 a storage unit in a preferred embodiment in a side section, -
2 the storage unit according to1 in a top view, -
3 the storage unit according to1 in a perspective view, -
4 the storage unit according to1 in a cutout and -
5 the storage unit according to1 in another excerpt. The same parts are given the same reference numbers in all figures.
Die
Die Lagereinheit 2 ist dazu ertüchtigt, in kompakter und robuster Bauart eine Messung eines Drehmomentes zu ermöglichen. Dazu ist im Außenring 6 eine Mehrzahl von Sensortaschen 20 ausgebildet, wobei die jeweilige Sensortasche 20 jeweils wenigstens einen Sensor 22 (siehe
Der in
Ein Pfeil 8 deutet die Richtung an, in der Kräfte in das Lager 4 eingeleitet werden. Ein weiterer Pfeil 12 deutet die Abstützung der Momente und Kräfte an. Im Außenring 6 ist eine Verkabelungstasche 52 für die Verkabelung 56 von einem oder mehreren Sensoren 22 gebildet. Die Lagereinheit 2 umfasst das Lager 4 und den jeweiligen Sensor 22.An
In
Die
Die
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