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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugmodul zur Anordnung an ein Robotersystem und ein entsprechendes Robotersystem vor allem für industrielle Anwendungen.
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Industrieroboter sind heutzutage weit verbreitet und in vielen verschiedenen Ausführungsformen erhältlich und für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt. Beispielhaft sind hier etwa Schweiß- oder Montageroboter genannt, die meist 5 oder 6 Freiheitsgrade besitzen. Andererseits gibt es jedoch auch Industrieroboter, die weniger Freiheitsgrade besitzen, etwa zum Bestücken oder Sortieren von Teilen. Beispielhaft sind hier etwa SCARA-Roboter genannt, die in der Regel 4 Freiheitsgrade besitzen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gemacht, den Einsatzbereich von Robotern zu erweitern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeugmodul gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Das Werkzeugmodul zur Anordnung an ein Robotersystem, mit einer Aufnahme zur Befestigung an dem Robotersystem, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugmodul als serielle Kinematik mit zwei Bewegungsachsen ausgebildet ist, wobei die erste Bewegungsachse eine Schwenkachse und die zweite Bewegungsachse eine zu der Schwenkachse senkrecht ausgerichtete Drehachse ist. Mit einem solchen Modul können Robotersysteme um zwei serielle Freiheitsgrade erweitert werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise bestehende Robotersysteme ergänzen, um neue Funktionen und Anwendungsgebiete zu erschließen. Oder es können dadurch in einem industriellen Umfeld Robotersysteme vereinfacht werden, wodurch beispielsweise die Investitionskosten und/oder Instandhaltungskosten reduzierbar sind.
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Das erfindungsgemäße Werkzeugmodul kann dazu beispielsweise an einem bestehenden Robotersystem anstelle eines Effektors, also anstelle des ursprünglichen Werkzeugs, angeordnet werden. Dieser Effektor kann dann an dem Werkzeugmodul angeordnet werden. Auf diese Weise kann das so ausgestattete Robotersystem neben den bisherigen Funktionen weitere Funktionen übernehmen, die ohne die beiden zusätzlichen Freiheitsgrade nicht möglich gewesen wären.
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In einer beispielhaften Anwendung, in der etwa Teile gedreht und umplatziert werden müssen, sind bisher zwei unterschiedliche Robotersysteme notwendig. Durch die Erfindung kann nun ein einzelner Roboter ein Teil während dem Umplatzieren drehen, so dass eines der bisher benötigten Robotersysteme gänzlich entfallen kann. Ein erfindungsgemäßes Robotersystem ist demnach vielfältiger einsetzbar.
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In einer anderen Anwendung kann beispielsweise ein sogenannter SCARA-Roboter um zwei weitere Freiheitsgrade ergänzt werden, wodurch hier ebenfalls neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden können.
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Dabei spielt es keine Rolle, wie viele Freiheitsgrade das Robotersystem besitzt, an den das Werkzeugmodul montiert wird. Das Robotersystem kann etwa 2 bis 4 Freiheitsgrade aufweisen.
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Ebenfalls spielt es keine Rolle, um welche Freiheitsgrade es sich dabei handelt.
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In einer Ausführung weist das Werkzeugmodul eine Aufhängung und einen Modulkörper auf, wobei die Aufnahme an der Aufhängung angeordnet ist, und der Modulkörper gegenüber der Aufhängung schwenkbar ist. Auf diese Weise wird eine serielle Kinematik realisiert. Die Aufhängung wird über die Aufnahme mit einem Robotersystem verbunden. Der Modulkörper ist gegenüber dieser Aufhängung schwenkbar, wodurch der erste Freiheitsgrad des Werkzeugmoduls gebildet ist. In dem Modulkörper ist eine Drehachse als zweiter Freiheitsgrad gebildet.
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In einer Ausführung ist die Aufhängung L-förmig ausgebildet. Auf diese Weise ist eine kompakte Ausführung möglich und eine stabile Aufhängung gewährleistet
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In einer Ausführung ist der Modulkörper über ein erstes Getriebe mit der Aufhängung verbunden, wobei das erste Getriebe über einen ersten Elektromotor angetrieben ist. Dabei kann der Schwenkbereich durch entsprechende Begrenzungsmittel begrenzt sein. Beispielsweise kann der Schwenkbereich 270° umfassen, also etwa +-135° aus der Mittelstellung. Je nach Anwendung können auch andere Schwenkbereiche vorgesehen sein.
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Die Begrenzungsmittel können beispielsweise mechanisch, etwa durch Anschläge gebildet sein. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Anschläge verstellbar ausgebildet sind, um eine Anpassung des Schwenkbereichs zu ermöglichen.
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Alternativ oder zusätzlich können die Begrenzungsmittel elektronisch realisiert sein, etwa in einer Steuerungselektronik. Dies hat den Vorteil, dass der Schwenkbereich einfach einstellbar und veränderbar ist.
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In einer Ausführung weist das Werkzeugmodul eine Werkzeugaufnahme auf, die mit der Drehachse verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Werkzeuge, also Effektoren, an dem Werkzeugmodul anzuordnen. Die Werkzeugaufnahme kann beispielsweise einen universellen Flansch aufweisen, an den verschiedene Werkzeuge montierbar sind. Die Werkzeugaufnahme kann jedoch auch speziell für ein bestimmtes Werkzeug ausgebildet sein.
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Solche Werkzeuge können beispielsweise Greifer, Schweißköpfe, Messwerkzeuge, Klebstoffdüsen, und viele mehr sein.
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In einer Ausführung ist die Werkzeugaufnahme über ein zweites Getriebe mit dem Modulkörper verbunden und das zweite Getriebe ist durch einen zweiten Elektromotor angetrieben.
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In einer Ausführung sind die beiden Elektromotoren in dem Modulkörper angeordnet. Auf diese Weise ist eine kompakte Bauweise ermöglicht und eine gute Bewegungsfreiheit ermöglicht.
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Der Modulkörper kann im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Ecken des Modulkörpers abgeflacht oder angeschrägt ausgebildet, wodurch etwa ein abgestumpfter Quader oder Würfel entsteht. Auf diese Weise ist eine gute Bewegungsfreiheit gegeben.
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In einer Ausführung ist der erste Elektromotor im Modulgehäuse auf der dem ersten Getriebe gegenüberliegenden Modulgehäuseseite angeordnet, wobei eine Verbindung zwischen Motor-Abtrieb und Getriebe-Antrieb über Zahnriemen erfolgt. Auf diese Weise ist ein kompakter Aufbau des Werkzeugmoduls ermöglicht. Darüber hinaus ergibt sich damit eine gleichmäßige Gewichtsverteilung, so dass bei Bewegungen keine Unwuchten entstehen.
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Die Elektromotoren können verschiedene Ausgestaltungen besitzen. Es können beispielsweise Schrittmotoren oder Servomotoren verwendet werden.
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In einer Ausführung ist das erste Getriebe und/oder das zweite Getriebe als sogenanntes Spannungswellengetriebe oder Harmonic Drive Getriebe ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Untersetzung, so dass mit recht kompakten Elektromotoren große Stellkräfte erzeugt werden können. Zudem ist es möglich, durch Elektromotoren mit hohen Drehzahlen eine große Stellgeschwindigkeit bei dennoch großer Genauigkeit zu erzielen. Durch die hohe Untersetzung ergibt sich eine inhärente Selbsthemmung, so dass eine Position auch bei ausgeschaltetem Elektromotor erhalten bleibt.
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Die Erfindung umfasst auch ein Robotersystem mit zwei Freiheitsgraden, wobei ein erster Freiheitsgrad eine Translationsbewegung entlang einer Bewegungsachse und ein zweiter Freiheitsgrad eine Drehung um die Bewegungsachse ermöglicht, wobei das Robotersystem für den zweiten Freiheitsgrad eine Drehmomentwelle aufweist, die über einen Elektromotor drehbar antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentwelle als Hohlwelle ausgebildet ist.
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In der Regel wird bei solchen Robotersystemen an dem freien Ende der Drehmomentwelle ein Werkzeug oder Effektor angeordnet.
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Der Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Robotersystem besteht nun darin, dass durch die Hohlwelle eine oder mehrere Versorgungsleitungen des Werkzeugs geführt werden können. Auf diese Weise ist der Arbeitsbereich des Robotersystems frei von solchen Versorgungsleitungen und somit weniger Störungsanfällig. Zudem kann der Arbeitsbereich des Robotersystem größer sein.
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Eine solche Versorgungsleitung kann etwa eine elektrische und/oder fluidische Leitung sein.
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Ein solches Robotersystem kann beispielsweise ein Rotations-Hub-Modul sein. Bei einem solchen Robotersystem ist die Drehmomentwelle insgesamt entlang ihrer Drehachse translatorisch bewegbar.
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In einer Ausführung weist das Robotersystem für den ersten Freiheitsgrad einen zur Drehmomentwelle parallel angeordneten Kugelgewindetrieb auf, wobei die Drehmomentwelle über einen Mitnehmer mit der Mutter des Kugelgewindetriebs gekoppelt ist, so dass die Drehmomentwelle der Bewegung der Mutter folgt. Der Vorteil dabei ist, dass durch den Kugelgewindetrieb eine schnelle und genaue translatorische Bewegung ermöglicht ist.
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In einer alternativen Ausführung weist das Robotersystem eine integrierte Hub-Rotations-Welle auf, bei der eine Drehmomentwelle mit einem Kugelgewindetrieb kombiniert ist. Erfindungsgemäß ist aber auch hier die Drehmomentwelle als Hohlwelle ausgebildet.
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Die Erfindung umfasst weiter einen Roboter mit einem Robotersystem, insbesondere einem erfindungsgemäßen Robotersystem, und einem erfindungsgemäßen Werkzeugmodul, wobei das Werkzeugmodul an der Werkzeugaufnahme des Robotersystems angeordnet ist und Versorgungsleitungen des Werkzeugmoduls durch die Hohlwelle des Robotersystems geführt sind. Auf diese Weise ist ein kompakter Roboter gebildet.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1: eine Schrägansicht einer ersten Ausführung eines Werkzeugmoduls,
- 2: eine Seitenansicht des Werkzeugmoduls der 1,
- 3: eine Schnittansicht des Werkzeugmoduls der 1 entlang der Linie A-A in 2,
- 4: eine Schrägansicht einer zweiten Ausführung eines Werkzeugmoduls,
- 5: eine Untersicht des Werkzeugmoduls der 4,
- 6: eine Draufsicht des Werkzeugmoduls der 4,
- 7: eine Schnittansicht des Werkzeugmoduls der 4, entlang der Linie A-A in der 8,
- 8: eine Frontansicht des Werkzeugmoduls der 4,
- 9: eine Schnittansicht des Werkzeugmoduls der 4, entlang der Linie B-B in der 6,
- 10: eine Schrägansicht einer ersten Ausführung eines Rotations-Hub-Moduls,
- 11: eine Schnittansicht des Rotations-Hub-Moduls der 10,
- 12: eine Schrägansicht einer zweiten Ausführung eines Rotations-Hub-Moduls,
- 13: eine Schnittansicht des Rotations-Hub-Moduls der 12,
- 14: eine Schrägansicht einer dritten Ausführung eines Rotations-Hub-Moduls, und
- 15: eine Schnittansicht des Rotations-Hub-Moduls der 14.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Werkzeugmoduls 1.
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Das Werkzeugmodul 1 weist eine L-förmige Aufhängung 2 auf. An einem ersten Schenkel 3 der Aufhängung ist eine Aufnahme 4 ausgebildet, um das Werkzeugmodul mechanisch mit einem Robotersystem zu verbinden. Im Beispiel ist die Aufnahme 4 als Flansch ausgebildet, wobei die Aufnahme 4 eine Öffnung 19 aufweist, durch die beispielsweise Versorgungsleitungen des Werkzeugmoduls 1 geführt werden können.
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Das Werkzeugmodul 1 weist einen Modulkörper 7 auf, der an dem zweiten Schenkel 5 der Aufhängung über ein erstes Spannungswellengetriebe 6 schwenkbar angeordnet ist. Hierzu ist der Abtrieb des Spannungswellengetriebe 6 fest mit dem Schenkel 5 der Aufhängung 2 verbunden.
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Innerhalb des Modulkörpers 7 ist ein erster Elektromotor 8 angeordnet, dessen Welle 9 mit dem Antrieb des Spannungswellengetriebe 6 verbunden, so dass bei einer Drehung des ersten Elektromotors 8 der Modulkörper 7 gegenüber der Aufhängung 2 verschwenkt wird.
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Der Schwenkbereich des ersten Elektromotors 8 oder des Spannungswellengetriebe 6 ist begrenzt. Hierzu kann eine mechanische und/oder elektrische Bewegungsbegrenzung vorgesehen sein. Im Beispiel beträgt der Schwenkbereich +-135° um die in 1 gezeigte Mittelstellung, also 270° insgesamt.
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Senkrecht zu dem ersten Elektromotor 8 ist innerhalb des Modulkörpers 7 ein zweiter Elektromotor 9 angeordnet. Die Welle 9 des zweiten Elektromotors 10 ist mit dem Antrieb eines zweiten Spannungswellengetriebes 11 verbunden. Der Abtrieb des zweiten Spannungswellengetriebes 11 weist eine Werkzeugaufnahme 12 auf, die im Beispiel als runder Flansch ausgebildet ist. An diese Werkzeugaufnahme 12 sind verschiedene Werkzeuge oder Effektoren anbringbar. Der zweite Elektromotor 10 und das zweite Spannungswellengetriebe 11 sind in ihrer Drehbewegung nicht begrenzt und somit kontinuierlich drehbar.
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Die 4 bis 9 zeigen eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Werkzeugmoduls, das im Wesentlichen gleich aufgebaut ist, wie das Werkzeugmodul der 1 bis 3. Gleiche Teile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind nicht nochmals erläutert.
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In diesem Beispiel ist an der Aufhängung 2 als Aufnahme 4 ein Zapfen 18 angeordnet, der zur Verbindung mit einem Robotersystem verwendet werden kann.
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Das Werkzeugmodul ist insgesamt etwas kleiner ausgebildet. Aus diesem Grund ist der erste Elektromotor 8 nicht direkt mit dem ersten Spannungswellengetriebe 6 verbunden. Stattdessen ist der erste Elektromotor 8 dem ersten Spannungswellengetriebe 6 gegenüberliegend auf der anderen Seite des zweiten Elektromotors 9 angeordnet. Eine Kraftübertragung zwischen dem ersten Elektromotor 8 und dem ersten Spannungswellengetriebe 6 erfolgt über eine Zahnriemenumlenkung 13. Dazu ist auf der Motorwelle und am Antrieb des ersten Spannungswellengetriebes 6 jeweils eine Zahnscheibe 14 angeordnet. Um 90° versetzt sind zwei parallele und voneinander beabstandete Umlenkwellen 16 oberhalb des zweiten Elektromotors 9 angeordnet. Auf diesen Umlenkwellen sind jeweils zwei Zahnscheiben 15 angeordnet. Jeweils zwei Zahnriemen laufen jeweils von einer Zahnscheibe 14 auf zwei Zahnscheiben 15 der Umlenkwellen 16, wobei der Zahnriemen jeweils um 90° verdreht wird.
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Die Umlenkwellen 16 sind so gelagert, dass ihr Abstand zu den Zahnscheiben 14 verstellbar ist, so dass die Spannung der Zahnriemen einstellbar ist. Hierzu sind insgesamt vier Schrauben 17 vorgesehen, die von außen zugänglich sind.
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Durch diese Anordnung ist ein kompakter Aufbau ermöglicht, wobei eine ausgewogene Gewichtsverteilung erzielt wird. Dies ermöglicht eine hohe Dynamik der Bewegungen.
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Die Elektromotoren 8, 10 sind im Beispiel als Servomotoren ausgebildet.
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Die 10 und 11 zeigen ein Robotersystem 20, das als Rotations-Hub-Modul ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Robotersystem 20 zwei Freiheitsgrade besitzt, wobei eine Drehachse für eine freie Rotation vorhanden ist und ein Werkzeug entlang dieser Drehachse translatorisch bewegbar ist.
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Im Beispiel weist das Robotersystem 20 einen Kugelgewindetrieb 21 auf, der über einen ersten Elektromotor 22 angetrieben ist.
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Das Robotersystem 20 weist weiter eine Drehmomentwelle 23 auf, die über einen zweiten Elektromotor 24 drehbar antreibbar ist. Im Beispiel weist der zweite Elektromotor 24 ein Getriebe 30 auf. Die Drehmomentwelle 23 ist darüber hinaus entlang ihrer Drehachse 25 translatorisch beweglich geführt. Hierzu ist eine Gleitführung 26 vorhanden, innerhalb der die Drehmomentwelle 23 verschieblich gelagert ist. Gleichzeitig weist die Gleitführung 26 eine Verzahnung mit der Drehmomentwelle 23 auf, so dass eine Drehbewegung des zweiten Elektromotors 24 über einen Zahnriemen (nicht gezeigt) auf die Drehmomentwelle 23 übertragen werden kann.
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Die Drehmomentwelle 23 weist zudem einen Mitnehmer 27 auf, der fest mit der Mutter 28 des Kugelgewindetriebs 21 verbunden ist. Somit ist die Drehmomentwelle 23 über den Kugelgewindetrieb 21 linear entlang ihrer Drehachse bewegbar.
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Erfindungsgemäß ist die Drehmomentwelle 21 als Hohlwelle ausgebildet. Auf diese Weise können jegliche Versorgungsleitungen eines Werkzeugs, das an dem freien Ende der Drehmomentwelle 23 angeordnet ist, durch die Hohlwelle geführt werden. Dies ermöglicht eine größtmögliche Ausnutzung des Arbeitsbereichs, da keine Versorgungsleitungen im Arbeitsbereich zu einem Werkzeug geführt werden müssen.
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Besonders vorteilhaft ist dies, wenn ein solches Robotersystem 20 mit einem Werkzeugmodul 1 gemäß einem der 1 bis 9 zu einem Roboter kombiniert wird. Ein solcher Roboter besitzt dann vier Freiheitsgrade und ermöglicht vielfältige Anwendungen. Insbesondere durch die Führung der Versorgungsleitungen durch die Hohlwelle ist der volle Schwenkbereich als Arbeitsbereich nutzbar.
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Das Robotersystem 20 der 12 und 13 ist ähnlich aufgebaut, wie das Robotersystem 20 der 10 und 11, weshalb auch hier gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Detail unterscheidet sich das Robotersystem 20 durch die Anordnung der Elektromotoren 22, 24 und weiterer Komponenten. Die Funktion ist jedoch gleich zu dem Robotersystem der 10 und 11.
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Das Robotersystem 20 der 14 und 15 ist ebenfalls ein Rotations-Hub-Modul wie die Robotersysteme der der 10 bis 13.
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Anstelle der parallelen Anordnung des Kugelgewindetriebs 21 und der Drehmomentwelle 23 kommt hier eine integrierte Welle 29 zum Einsatz. In dieser ist eine Drehmomentwelle 23 koaxial zu einem Kugelgewindetrieb 21 angeordnet. Auch bei dieser Ausführung treibt ein erster Elektromotor 22 den integrierten Kugelgewindetrieb 21 an und ein zweiter Elektromotor treibt die Drehmomentwelle 23 an. Hierbei wird jedoch über die unterschiedliche oder gleichzeitige Ansteuerung der beiden Elektromotoren 22, 24 bestimmt, ob eine Drehbewegung der Drehmomentwelle 23 ausgeführt wird oder eine translatorische Bewegung durch den Kugelgewindetrieb 21.
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Auch hier ist die Drehmomentwelle 23 als Hohlwelle ausgebildet, so dass sich die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugmodul
- 2
- Aufhängung
- 3
- erster Schenkel der Aufhängung
- 4
- Aufnahme
- 5
- zweiter Schenkel der Aufhängung
- 6
- erstes Spannungswellengetriebe
- 7
- Modulkörper
- 8
- erster Elektromotor
- 9
- Welle
- 10
- zweiter Elektromotor
- 11
- zweites Spannungswellengetriebe
- 12
- Werkzeugaufnahme
- 13
- Zahnriemenumlenkung
- 14
- Zahnscheibe
- 15
- Zahnscheiben
- 16
- Umlenkwellen
- 17
- Schrauben
- 18
- Zapfen
- 19
- Öffnung
- 20
- Robotersystem
- 21
- Kugelgewindetrieb
- 22
- erster Elektromotor
- 23
- Drehmomentwelle
- 24
- zweiter Elektromotor
- 25
- Drehachse
- 26
- Gleitführung
- 27
- Mitnehmer
- 28
- Mutter
- 29
- integrierte Welle
- 30
- Getriebe
