DE202020107523U1

DE202020107523U1 - Antriebssystem

Info

Publication number: DE202020107523U1
Application number: DE202020107523.3U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2030-12-24

Abstract

Antriebssystem (1) mit
- einem Elektromotor (2) zum Antreiben einer Motorwelle (W),
- einer Bremse (3) zum Bremsen der Motorwelle (W), wobei die Bremse (3) einen Bremsenrotor (3b), der mit der Motorwelle (W) fest verbunden ist, und einen Bremsenstator (3a) zum Bremsen des Bremsenrotors (3b) aufweist,
- einem Drehgeber (4) zum Erfassen einer Winkelposition der Motorwelle (W), der eine Erfassungseinheit (4a) aufweist, die eine Maßverkörperung (4b) erfasst und die abhängig von den Signalen der Erfassungseinheit (4a) ein Winkelpositionssignal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Drehgeber (4) integral in der Bremse (3) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem gemäß dem Anspruch 1, das dazu verwendet wird, um Maschinen anzutreiben bzw. im Bereich der Automatisierung verwendet zu werden.
In der heutigen Welt werden beispielsweise Roboter in der Industrie eingesetzt, die an einer Produktionslinie selbstständig oder in Kollaboration mit Menschen arbeiten. Die Roboter werden auch im medizinischen Bereich, wie beispielsweise Chirurgieroboter, eingesetzt, um beispielweise einem Chirurgen in seiner Arbeit zu unterstützen. Hierdurch ist eine Erhöhung eines Automatisierungsgrads im Alltag erreichbar.
Obwohl die Roboter aufgrund ihres unterschiedlichen Einsatzgebietes sehr verschieden aufgebaut sind, weisen alle Roboter jeweils mindestens ein Antriebssystem auf, das sie antreibt. Das Antriebssystem besteht im Wesentlichen aus einem Elektromotor, der eine Motorwelle antreibt. Zusätzlich kann ein Getriebe vorgesehen sein, das vom Elektromotor angetrieben wird. Weiterhin ist eine Bremse zum Bremsen der Motorwelle vorgesehen, die einen drehenden Teil und einen stationären Teil umfasst. Der drehende Teil der Bremse wird im Folgenden als Bremsenrotor bezeichnet, der mit der Motorwelle fest verbunden ist, und dadurch mit der Motorwelle mitdreht. Der stationäre Teil der Bremse wird im Folgenden als Bremsenstator bezeichnet, der bei Aktivierung den Bremsenrotor bremst.
Ein Drehgeber ist zusätzlich vorgesehen, der eine Winkelposition der Motorwelle erfasst, die als Winkelpositionssignal zur Verfügung gestellt wird. Hierzu weist der Drehgeber eine Erfassungseinheit auf, die eine Maßverkörperung erfasst und die abhängig von den Signalen der Erfassungseinheit das Winkelpositionssignal bereitstellt.
Der Elektromotor, gegebenenfalls das Getriebe, die Bremse und der Drehgeber werden sequenziell aneinander montiert, woraus das Antriebssystem für den Roboter hergestellt ist. Da in der Regel jede der zuvor genannten Komponenten von einem anderen Hersteller angefertigt wird, die an sich von dem jeweiligen Hersteller bei ihrem Herstellungsprozess optimiert wurden, ist das zusammenmontierte Antriebssystem insgesamt bzgl. Platzbedarf nicht optimal ausgelegt.
Das heißt mit anderen Worten, der Elektromotor, das mögliche Getriebe, die Bremse und der Drehgeber haben ein jeweiliges Gehäuse, das jeweils eigene innere Freiräume aufweisen, so dass die sequentielle Montage der Gehäuse zu einem räumlich ausgedehnteren Antriebssystem führt. Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass das gesamte Antriebssystem kein platzoptimiertes System darstellt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass das gesamte Antriebssystem kompakter aufgebaut sein kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierbei umfasst das Antriebssystem einen Elektromotor zum Antreiben einer Motorwelle, eine Bremse zum Bremsen der Motorwelle, wobei die Bremse einen Bremsenrotor, der mit der Motorwelle fest verbunden ist und einen Bremsenstator zum Bremsen des Bremsenrotors aufweist, einen Drehgeber zum Erfassen einer Winkelposition der Motorwelle, der eine Erfassungseinheit aufweist, die eine Maßverkörperung erfasst und die abhängig von den Signalen der Erfassungseinheit ein Winkelsignal bereitstellt, wobei der Drehgeber integral in der Bremse ausgebildet ist.
Durch die Integration des Drehgebers in die Bremse kann zum einen ein Freiraum in der Bremse ausgenutzt und zum anderen auf ein äußeres Gehäuse für den Drehgeber verzichtet werden, so dass das Antriebssystem kleiner aufgebaut werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Maßverkörperung auf dem Bremsenrotor vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass der Drehgeber Drehungen des Bremsenrotors zum Erfassen der Winkelposition der Motorwelle nutzt, so dass der Drehgeber auf eine eigene Codescheibe verzichten kann. Hierdurch können Kosten durch Einsparung von Bauteilen reduziert werden. Zusätzlich kann das Antriebssystem noch weiter platzoptimiert aufgebaut werden, da zusätzlich zu dem Platz für das Gehäuse des Drehgebers der Platz für die Codescheibe des Drehgebers eingespart werden kann.
Ferner umfasst gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Bremsenrotor eine Bremsscheibe, eine Reibscheibe oder eine Bremstrommel. Der Bremsenrotor dient damit als Codescheibe des integrierten Drehgebers.
Vorteilhafterweise ist der Drehgeber ein magnetischer Drehgeber und die Maßverkörperung weist dementsprechend magnetische Codierungselemente auf. Insbesondere bestehen die magnetischen Codierungselemente aus auf dem Bremsenrotor angeordneten Magneten oder aus durch Magnetisierung in den Bremsenrotor eingeschriebenen Teilungen.
In diesem Zusammenhang sei hier erwähnt, dass unter „Teilungen einschreiben“ verstanden wird, die magnetischen Domänen des Bremsenrotors durch gezielte Magnetisierung derart auszurichten, dass die magnetischen Domänen die Teilungen in Form eines Gitters entsprechend einer Codierung ausbilden, um ein entsprechend moduliertes Magnetfeld zu erhalten.
Bei der Drehung des Bremsenrotors wird die Codierung aufgrund der Teilungen bzw. des Gitters durch die Erfassungseinheit erfasst, die vorzugsweise Hallelemente oder magnetoresistive Sensoren umfasst, die das durch die magnetischen Codierungselemente modulierte Magnetfeld erfassen.
Weiterhin ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Drehgeber ein optischer oder induktiver Drehgeber, wobei die Maßverkörperung dementsprechend optische oder induktive Codierungselemente aufweist. Insbesondere bestehen die optischen Codierungselemente aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen oder lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Teilungen, die auf dem Bremsenrotor aufgebracht sind.
Vorzugsweise weist der optische Drehgeber zumindest eine Lichtquelle auf, insbesondere eine Light-Emitting Diode (LED) Einheit, die die optischen Codierungselemente bestrahlt, und die Erfassungseinheit des optischen Drehgebers weist optische Lichtempfänger auf, die gegenüber dem Bremsenrotor angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich der technische Vorteil, dass Komponenten des Drehgebers innerhalb der Bremse angeordnet werden können, so dass Freiräume in der Bremse noch besser ausgenutzt werden.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann auf ähnliche Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüche beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Grundaufbaus eines bekannten Antriebssystembeispiels, und
2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Grundaufbaus eines bekannten Antriebssystems 1, das beispielweise in einem Gelenk eines nicht dargestellten Roboters eingebaut sein kann.
Das Antriebssystem 1 dient zum Antreiben einer Motorwelle W, die beispielsweise Gelenke des Roboters antreibt. Hierzu umfasst das Antriebssystem 1 einen Elektromotor 2, der einen Motorstator 2a und einen Motorrotor 2b aufweist. Der Motorrotor 2b ist beispielsweise mittels einer Passfeder 2d mit der Motorwelle W fest verbunden. Der Motorstator 2a ist stationär mit einem Motorgehäuse 2c des Elektromotors 2 verbunden.
An dem Elektromotor 2 ist eine Bremse 3 vorgesehen, die dazu dient, die Motorwelle W bei Bedarf zu stoppen. Die Bremse 3 weist einen Bremsenstator 3a und einen Bremsenrotor 3b auf, wobei der Bremsenstator 3a an einem Bremsengehäuse 3c und der Bremsenrotor 3b an die Welle W befestigt sind. Der Bremsenstator 3a bremst den Bremsenrotor 3b entweder elektrisch oder mechanisch. Bei einem elektrischen Bremsvorgang ist der Bremsenstator 3a als Spulen ausgebildet, die ein Erregerfeld erzeugen, um einen Bremsstrom zu initialisieren. Der Bremsstrom bremst den Bremsenrotor 3b ab. Bei einem mechanischen Bremsvorgang ist der Bremsenstator 3a als Bremsklötze ausgebildet, die gegen den Bremsenrotor 3b gepresst werden, um den Bremsenrotor 3b zu bremsen.
Ferner ist ein Drehgeber 4 an dem Elektromotor 2 vorgesehen, der Drehungen der Motorwelle W erfasst und ein Winkelpositionssignal zur Verfügung stellt, um den Elektromotor 2 zu regeln. Der Drehgeber 4 umfasst eine Maßverkörperung 4a, die fest mit der Motorwelle W verbunden ist und mit der Motorwelle W mitdreht, und eine Erfassungseinheit 4b, die Drehungen der Maßverkörperung 4a erfasst und abhängig von den Signalen der Erfassungseinheit 4b das Winkelpositionssignal bereitstellt. Die Erfassungseinheit 4b ist an einem Drehgebergehäuse 4c befestigt, das wiederum an dem Motorgehäuse 2c des Elektromotors 2 befestigt ist.
Die Maßverkörperung 4a ist insbesondere in Form einer Codescheibe ausgebildet, die beispielsweise durch eine nicht dargestellte Passfeder mit der Motorwelle W fest verbunden ist.
Der dargestellte und bekannte sequentielle Aufbau des Antriebssystems 1 erfordert Bauraum.
In der 2 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 gezeigt, wobei die gleichen Komponenten wie die Komponenten des Antriebssystems 1 der 1 die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sind.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 umfasst den Elektromotor 2 zum Antreiben der Motorwelle W. Der Elektromotor 2 weist den Motorstator 2a und den Motorrotor 2b auf, wobei der Motorstator 2a an dem Motorgehäuse 2c befestigt ist. Der Motorrotor 2b ist über die Passfeder 2d mit der Motorwelle W fest verbunden.
An dem Motorgehäuse 2c ist das Bremsengehäuse 3c der Bremse 3 befestigt. Die Bremse 3 weist den Bremsenstator 3a und den Bremsenrotor 3b auf, wobei der Bremsenrotor 3b mit der Motorwelle W fest verbunden ist.
Das Antriebssystem 1 weist einen Drehgeber 4 zum Erfassen der Winkelposition der Motorwelle W auf, wobei erfindungsgemäß der Drehgeber 4 integral in der Bremse 3 ausgebildet ist.
Hierdurch ist das Antriebssystem 1 viel kompakter aufgebaut, da der Drehgeber 4 in dem Freiraum der Bremse 3 angeordnet ist, so dass insbesondere auf das Drehgebergehäuse 4c verzichtet werden kann. Hierbei kann die Erfassungseinheit 4a des Drehgebers 4 an dem Bremsengehäuse 3c befestigt werden.
Wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1 ist die Maßverkörperung 4b auf dem Bremsenrotor 3b vorgesehen, so dass gegenüber dem Drehgeber 4 des bekannten Antriebssystems 1 auf die zusätzliche Codescheibe mit der Maßverkörperung 4b verzichtet werden kann.
Mit anderen Worten, die Maßverkörperung 4b des Drehgebers 4 ist integral in dem Bremsenrotor 3b ausgebildet und stellt ein Teil der Bremse 3 dar. Hierbei umfasst der Bremsenrotor 3b eine Bremsscheibe, eine Reibscheibe oder eine Bremstrommel, die gleichzeitig als Codescheibe für den Drehgeber 4 dient.
Der Drehgeber 3 ist vorzugsweise ein magnetischer Drehgeber 3, so dass die Maßverkörperung 4b entsprechend magnetische Codierungselemente aufweist. Die magnetischen Codierungselemente bestehen hierbei aus den auf dem Bremsenrotor 3b angeordneten Magneten.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Bremsenrotor 3b aus magnetischem Material ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, dass durch gezielte Magnetisierung die magnetischen Domänen des Bremsenrotors 3b als Teilungen auf den Bremsenrotor 3b ausgerichtet werden kann, so dass die Codierungselemente in den Bremsenrotor 3b geschrieben sind. Die magnetischen Codierungselemente bzw. die eingeschriebenen Teilungen stellen ein Gitter dar und erzeugen ein moduliertes Magnetfeld, das durch die Erfassungseinheit 4a des Drehgebers 4 erfassbar ist. Hierzu umfasst die Erfassungseinheit 4 insbesondere Hallelemente oder magnetoresistive Sensoren.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Drehgeber 4 ein optischer oder induktiver Drehgeber 4, wobei die Maßverkörperung 4b dementsprechend optische oder induktive Codierungselemente aufweist.
Die optischen Codierungselemente bestehen aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen oder lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Teilungen in Form des Gitters, das auf dem Bremsenrotor 3b aufgebracht ist.
Zum Erfassen der Teilungen weist die Erfassungseinheit 4a zumindest eine Lichtquelle auf, insbesondere eine LED-(Light-Emitting-Diode) Einheit, die die optischen Codierungselemente bzw. Teilungen in Form des Gitters bestrahlt.
Optische Lichtempfänger der Erfassungseinheit 4a sind vorgesehen, die auf einer gleichen Seite des Bremsenrotors 3b wie die Lichtquelle angeordnet sind, wenn der optische Drehgeber 4 auf dem Prinzip der Reflexion basiert. Wenn der optische Drehgeber 4 auf dem Prinzip der Transmission basiert, sind die optischen Lichtempfänger der Erfassungseinheit 4a auf einer anderen Seite des Bremsenrotors 3b wie die Lichtquelle angeordnet.
Im Falle eines transmittierenden Drehgebers 4 sind die Teilungen als ein durchgehendes Gitter auf dem Bremsenrotor 3b vorgesehen, so dass die Teilungen zusätzlich zum Kühlen des Bremsenrotors 3b, wie beispielsweise Kühlschlitze für eine Bremsscheibe, dienen können.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Elektromotor
2a: Motorstator
2b: Motorrotor
2c: Motorgehäuse
2d: Passfeder
3: Bremse
3a: Bremsenstator
3b: Bremsenrotor
3c: Bremsengehäuse
4: Drehgeber
4a: Erfassungseinheit
4b: Maßverkörperung
4c: Drehgebergehäuse
W: Motorwelle

Claims

Antriebssystem (1) mit - einem Elektromotor (2) zum Antreiben einer Motorwelle (W), - einer Bremse (3) zum Bremsen der Motorwelle (W), wobei die Bremse (3) einen Bremsenrotor (3b), der mit der Motorwelle (W) fest verbunden ist, und einen Bremsenstator (3a) zum Bremsen des Bremsenrotors (3b) aufweist, - einem Drehgeber (4) zum Erfassen einer Winkelposition der Motorwelle (W), der eine Erfassungseinheit (4a) aufweist, die eine Maßverkörperung (4b) erfasst und die abhängig von den Signalen der Erfassungseinheit (4a) ein Winkelpositionssignal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Drehgeber (4) integral in der Bremse (3) ausgebildet ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (4b) auf dem Bremsenrotor (3b) vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsenrotor (3b) eine Bremsscheibe, eine Reibscheibe oder eine Bremstrommel umfasst.
Antriebssystem (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber (4) ein magnetischer Drehgeber (4) ist und die Maßverkörperung (4b) dementsprechend magnetische Codierungselemente aufweist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Codierungselemente aus auf dem Bremsenrotor (3b) angeordneten Magneten oder aus durch Magnetisierung in den Bremsenrotor (3b) eingeschriebenen Teilungen in Form eines Gitters bestehen.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (4a) Hallelemente oder magnetoresistive Sensoren umfasst, die ein durch die magnetischen Codierungselemente moduliertes Magnetfeld erfassen.
Antriebssystem (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber (4) ein optischer oder induktiver Drehgeber (4) ist und die Maßverkörperung (4b) dementsprechend optische oder induktive Codierungselemente aufweist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Codierungselemente aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen oder lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Teilungen bestehen, die auf dem Bremsenrotor (3b) aufgebracht sind.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (4a) zumindest eine Lichtquelle, insbesondere eine LED-Einheit aufweist, die die optischen Codierungselemente bestrahlt, und die Erfassungseinheit (4a) optische Lichtempfänger aufweist, die auf einer gleichen Seite des Bremsenrotors (3b) wie die Lichtquelle oder auf einer anderen Seite des Bremsenrotors (3b) wie die Lichtquelle angeordnet sind.