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Die Erfindung betrifft eine Gelenkvorrichtung,
insbesondere für
Robotersysteme, Manipulatoren etc.
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Gelenkvorrichtungen werden in einer
Vielzahl von technischen Gebieten eingesetzt. Sie dienen dazu, zwei
Teile um eine Gelenkachse drehbar miteinander zu verbinden. Während Gelenkvorrichtungen
bzgl. des Widerstehens von in Drehrichtung und gegebenenfalls Längsrichtung
der Gelenkachse relativ stabil ausgeführt werden können, besteht
bei ihnen die Gefahr der Zerstörung,
wenn Kräfte
in Querrichtung der Gelenkachse auf die Lager wirken.
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Aus
DE 44 11 085 A1 ist eine Gelenkvorrichtung
der eingangs genannten Art bekannt, deren erstes Teil die Form eines
Bügels
aufweist, wodurch vergleichsweise große, auf die Gelenkachse wirkende Querkräfte aufgenommen
werden können.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Gelenkvorrichtung zur gelenkigen Verbindung eines ersten Teils
mit einem zweiten Teil zu schaffen, die auch bei leichtgewichtiger
Ausführung
und kostengünstiger
Herstellung dennoch relativ großen
auf die Gelenkachse wirkenden Querkräften standhält.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit
der Erfindung eine Gelenkvorrichtung zur gelenkigen Verbindung eines
ersten Teils mit einem zweiten Teil vorgesehen, die versehen ist
mit
- – einem
elektromechanischen Stellglied, das ein Gehäuse und eine Antriebswelle
an einer Seite des Gehäuses
aufweist,
- – einem
Lagerblockelement, das an der der Antriebswelle abgewandten Seite
des Gehäuses
des Stellgliedes angeordnet und mit diesem verbunden ist,
- – wobei
das Lagerblockelement an seiner dem Gehäuse des Stellgliedes abgewandten
Seite ein Gegenlager aufweist, und
- – einem
das Gehäuse
des Stellgliedes und das Lagerblockelement umgreifenden Bügel, der
zwei Enden aufweist,
- – wobei
das eine Ende des Bügels
drehfest mit der Antriebswelle des Stellgliedes und das andere Ende
des Bügels
an dem Gegenlager des Lagerblockelements drehbar gelagert ist.
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Nach der Erfindung ist das drehfest
und damit von der Antriebswelle eines Stellgliedes gedrehte Element
als Bügel
ausgebildet, der an seinem der Antriebswelle gegenüberliegenden
Ende gegengelagert ist.
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Hierzu weist ein mit dem Gehäuse des
Stellgliedes verbundenes Lagerblockelement ein Drehlager auf, dessen
Drehachse mit der Antriebswelle des Stellgliedes fluchtet. Durch
die Lagerung des Bügels an
zwei Punkten können
auf die Gelenkachse der Gelenkvorrichtung (gedachte Linie durch
die Drehachse des Gegenlagers und die Antriebswelle) wirkende Querkräfte zuverlässig aufgenommen
werden.
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Für
die erfindungsgemäße Gelenkvorrichtung
kann man auf Standardbauteile zurückgreifen. Z. B. kann als elektromechanisches
Stellglied ein aus dem Modellbau her bekannter Servomotor eingesetzt werden.
Um auf der der Antriebswelle abgewandten Seite des Gehäuses des
Servomotors ein Gegenlager anordnen zu können, wird, damit der Servomotor unverändert verwendet
werden kann, ein Distanz- oder Lagerblockelement eingesetzt, das
"Rückenan-Rücken" mit
dem Servomotorgehäuse
verbunden wird, so dass sich die Antriebswelle auf der einen Seite
dieser Gesamtanordnung und das Gegenlager auf der gegenüberliegenden
Seite befindet. Damit umgreift der Bügel diese Anordnung aus Servomotorgehäuse und
Lagerblockelement.
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Als Material für den Bügel, das Lagerblockelement
und das Gehäuse
des Stellgliedes kommt insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in
Frage. Zum einen ist die Gelenkvorrichtung damit leichtgewichtig
und zum anderen wird in dem Stellglied entstandene (Verlust-)Wärme gut
an die Umgebung abgeführt.
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Zur Verbindung der Gelenkvorrichtung
mit den beiden Teilen ist es von Vorteil, wenn an das Gehäuse des
Stellgliedes und/oder an das Lagerblockelement ein Verbindungselement – vorzugsweise
in Form einer Platte, eines Steges o.dgl. – anbringbar ist, und zwar
gegen unbeabsichtigte Verdrehungen gesichert. Dies erfolgt z. B.
durch eine Formschlussverbindung, indem von dem Gehäuse und/oder
dem Lagerblockelement Vorsprünge
abstehen, die in komplementäre
Vertiefungen des Verbindungselementes eintauchen. Die Anordnung
der Vorsprünge und
Vertiefungen kann auch umgekehrt sein, so dass sich die Vorsprünge an dem
Verbindungselement und die Vertiefungen an dem Stellglied-Gehäuse bzw.
dem Lagerblockelement befinden. Als Vorsprünge kommen insbesondere Rippen,
also längliche
Vorsprünge,
in Frage; die Vertiefungen sind dann als Nuten ausgeführt. Gesichert
kann das Verbindungselement an dem Gehäuse bzw. dem Lagerblockelement
durch eine Verschraubung o.dgl. sein. Um das Gehäuse der Standard-Stellglieder
(Servomotoren) für
die formschlüssige
Anbringung des Verbindungselementes nicht ändern zu müssen, ist es von Vorteil, wenn
der Formschluss an dem Lagerblockelement erfolgt.
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Vorzugsweise ist das Verbindungselement an
der dem Bügel
abgewandten Seite des Gehäuses und
des Lagerblockelementes angeordnet. Diese Seite erstreckt sich quer
zu dem mit der Antriebswelle und dem Gegenlager versehenen Seite
und parallel zur Gelenkachse und am weitesten von dieser beabstandeten
Seite.
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Aus dem Gehäuse des Stellgliedes heraus erstreckt
sich ein Kabel, und zwar derart, dass diese Kabelführung die
Bewegung des Bügels
nicht beeinträchtigt.
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Die drehfeste Verbindung zwischen
der Antriebswelle des Stellgliedes und dem Bügel wird zweckmäßigerweise
durch eine Formschlussverbindung realisiert. Das diesbezügliche auf
die Antriebswelle aufgesetzte Formschlussteil ist vor zugsweise konstruktiv
oder aufgrund seiner Materialwahl so ausgeführt, dass es Drehmomente bis
zu einem vorgebbaren Maximalwert überträgt (Sollbruchstelle).
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Um auf einfache Weise zwei erfindungsgemäße Gelenkvorrichtungen
direkt miteinander verbinden zu können, ist es von Vorteil, wenn
der Bügel und
das Verbindungselement übereinstimmende Lochmuster
für Befestigungsschrauben
aufweisen. Zumindest ein Teil der Lochmuster sollte so gestaltet sein,
dass eine Überdeckung
dieses Teillochmusters und damit eine einfache Verbindung in unterschiedlichen
Relativausrichtungen beider Gelenkvorrichtungen gegeben ist. Eine
erste Relativausrichtung ist z. B. bei parallelen Gelenkachsen beider
Gelenkvorrichtungen gegeben, wohingegen die beiden Gelenkachsen
in einer zweiten Relativanordnung beider Gelenkvorrichtungen quer
zueinander verlaufen.
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Durch Verwendung von diversen Dichtungsmaßnahmen
wie z. B. Dichtringe und Fett kann die Gelenkvorrichtung zumindest
spritzwassergeschützt oder
aber wasserdicht gestaltet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher
erläutert.
Im einzelnen zeigen dabei
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1 eine
perspektivische Explosionszeichnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gelenkvorrichtung
und
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2 und 3 zwei Möglichkeiten der Kopplung zweier
identischer Gelenkvorrichtungen nach 1.
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In 1 ist
eine Explosionsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Gelenkvorrichtung 10 gezeigt.
Diese Gelenkvorrichtung 10 weist einen handelsüblichen
Servomotor 12 mit einem aus zwei Ge häuseteilen 14,16 bestehenden
Gehäuse 18 auf.
Aus der Oberseite 20 des Gehäuses 18 ragt eine
Antriebswelle 22 heraus, an der sich ein Vier-Kant-Kunststoff-Bauteil 24 befindet.
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An der Unterseite 26 des
Gehäuses 18 ist
ein Lagerblockelement 28 angeordnet, das mit dem Gehäuse 18 verbunden
ist. Dieses Lagerblockelement 28 weist an seiner der Oberseite 20 des
Gehäuses 18 abgewandten
Unterseite 30 einen Lagerzapfen 32 auf, der entlang
einer (gedachten) Gelenkachse 34 mit der Antriebswelle 22 angeordnet
ist.
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Der Lagerzapfen 32 ist Teil
eines Gegenlagers 36 und ist mit einem Scheibenelement 38 mit mittig
angeordneter Innengewindehülse 40 verschraubt.
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Die Gelenkvorrichtung 10 weist
des weiteren einen in diesem Ausführungsbeispiel U-förmigen Bügel 42 auf,
der einen Basisschenkel 44 und einen ersten sowie einen
zweiten Seitenschenkel 46,48 aufweist. Der Bügel 42 umgreift
die Anordnung aus Gehäuse 18 und
Lagerblockelement 28 und ist an seinem einen Seitenschenkel 46 formschlüssig mit
dem Vier-Kant-Kunststoff-Bauteil 24 verbunden. Zu diesem
Zweck weist dieser Seitenschenkel 46 auf seiner Innenseite
eine komplementär
zum Vier-Kant-Kunststoff-Bauteil 24 ausgebildete Vertiefung 50 auf.
Damit steht die Antriebswelle 22 in drehfester Verbindung mit
dem Bügel 42 und
verschwenkt diesen um die Gelenkachse 34.
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An seinem anderen Seitenschenkel 48 ist der
Bügel 42 an
dem Gegenlager 36 drehbar gelagert. Zu diesem Zweck weist
dieser Seitenschenkel 48 eine Durchgangsbohrung 52 auf,
durch die hindurch sich die Innengewindehülse 40 des Scheibenelements 38 hindurch
erstreckt. Mittels zweier Schrauben 54 lässt sich
das Scheibenelement 38 fest mit dem Seitenschenkel 48 des
Bügels 42 verbinden.
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Der Basisschenkel 44 des
Bügels 42 weist ein
Lochmuster 56 bestehend aus sechs Löchern 58 auf, die
jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind, wobei drei Paare
von Löchern 58 äquidistant
unterhalb voneinander angeordnet sind. Mittels dieses Lochmusters
lässt sich
nun der Bügel 42 an einem
(nicht dargestellten) Teil befestigen.
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Auf der dem Bügel 42 abgewandten
Seite 60 der Anordnung aus Gehäuse 18 und Lagerblockelement 28 lässt sich
ein plattenförmiges
Verbindungselement 62 anbringen. Dieses Verbindungselement 62 stellt
die Schnittstelle zu dem zweiten mit der Gelenkvorrichtung 10 verbindbaren
Teil dar. Das Plattenelement 62 weist eine quer verlaufende
Vertiefung 64 auf, in die ein quer verlaufender komplementärer Vorsprung
des Lagerblockelements 28 eintaucht. Mit der Unterseite 30 des
Lagerblockelements 28 fluchtend erstreckt sich von der
Seite 60 aus ein weiterer Vorsprung 68. In die
durch die beiden Vorsprünge 66 und 68 gebildete
Vertiefung 70 ist ein Teil des plattenförmigen Verbindungselements 62 im
angebrachten Zustand eingetaucht. Der diesem Teil gegenüberliegende
und zur anderen Seite der Vertiefung 64 des Verbindungselements 62 angeordnete
Teil des Verbindungselements 62 wird von oben durch einen
Vorsprung 72 am Gehäuseteil 14 des
Servomotors 12 übergriffen.
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Durch diese formschlüssige Anlage
des plattenförmigen
Verbindungselements 62 an dem Gehäuse 18 und dem Lagerblockelement 28 ist
das Verbindungselement 62 gegen Relativverdrehungen zwischen
Verbindungselement 62 und Gehäuse 18 bzw. Lagerblockelement 28 um
eine quer zur Gelenkachse 34 verlaufende Achse 74 gesichert.
Mittels dreier Schrauben 76 lässt sich das Verbindungselement 62 an
den Vorsprüngen 66,68 gegen
ein unbeabsichtigtes Ablösen
fixieren.
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Des weiteren ist noch anzumerken,
dass aus dem Gehäuse 18 ein
Kabel 78 herausgeführt
ist, und zwar auf einer Längsseite
des Gehäuses 18 und
außerhalb
des Bewegungspfades des Bügels 42 und insbesondere
von dessen Basisschenkel 44, während der Bügel 42 entlang seines
maximalen Verschwenkweges um die Gelenkachse 34 verschwenkt.
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Der Vorteil der Gelenkvorrichtung 10 gemäß 1 ist insbesondere darin
zu sehen, dass durch die Gegenlagerung des Bügels 42 dieser stabil
und zur Aufnahme von quer zur Gelenkachse 34 wirkenden
Kräften
geeignet gelagert ist. Derartige Querkräfte wirken auf die Gelenkachse 34 dann,
wenn beispielsweise das Gehäuse 18 und
das Lagerblockelement 28 um die Achse 74 gedreht
werden. Wenn derartige Drehbewegungen ruckartig und plötzlich erfolgen,
entstehen nicht unbeträchtliche
Kräfte
und Momente, die auf die Lagerung des Bügels 42 wirken. Diese
ist aber wegen der Doppellagerung des Bügels äußerst stabil.
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Wie man anhand von 1 erkennen kann, weist auch das Verbindungselement 62 ein
Lochmuster 80 auf, das sechs Löcher 82 umfasst, die
exakt so angeordnet sind wie die Löcher 58 des Lochmusters 56 des
Bügels 42.
Dadurch ist es beispielsweise möglich,
das Verbindungselement 62 direkt mit dem Bügel 42 an
einer weiteren Gelenkvorrichtung 10 zu verbinden, und zwar
dergestalt, dass die beiden Gelenkachsen 34 parallel zueinander
ausgerichtet sind. Dies ist in 2 gezeigt.
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Dadurch, dass für beide Lochmuster 56,80 gilt,
dass der Abstand der Löcher 58 bzw. 82 eines Paares
gleich dem Abstand zweier benachbarter Lochpaare ist, lässt sich
nun der Bügel 42 einer
mit dem Verbindungselement 62 verbundenen weiteren Gelenkvorrichtung
um 90° verdreht
gegenüber
der ersten Gelenkvorrichtung anordnen. Damit verlaufen also die
Gelenkachse 34 quer zueinander. Diese Situation ist in 3 gezeigt.