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Beschreibung:
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Fl und scher Gel e n k a n t r i eb Die Erfindung betrifft eine Vorricntung
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Bei Industrierobotern und Handnabungssystemen werden menrere Antriebseinneiten,
Gelenke und Gelenkverbindungsglieder zu einer kinematiscnen Kette angeordnet. Da
die Antriebselemente mitbewegt werden müssen, bestimmen die Antriebe selbst maßgeblicn
die vornandenen Tragheitsmomente sowie die erforderlicnen Antriebsmomente und erreichbare
Dynamik des Gesamtaufbaus. Zugleicn beeirflussen die baulicne Anordnung der Drenantriebe
und deren Energiezuführung den Arbeitsbereicn des Gerätes. Von Bedeutung für mitbewegte
Drenantriebe sind daner die Hone des Leistungs/Gewicntsvernaltnisses, der Arbeitsbereich
und die Dynamik.
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Es ist bekannt, daß nydrauliscne oder pneumatische Drenflügelmotoren
als Antriebe fUr Gelenkacnsen von Industrierobotern oder Handnabungssystemen verwendet
werden. Weiterhin ist bekannt, daß die Druckmittelweiterleitung über den Drenflügelmotor
von dessen Gehäuse zur Abtriebswelle über geeignete Bonrungen und Ringkanäle erfolgen
kann. Die Integration eines rotatoriscn oder translatorisch bewegten Ventils in
einen hydraulischen Drenflügelmotor, wobei die Antriebswelle des Motors zugleich
das Ventilgenäuse darstellt, ist mit Offenlegungsschrift 2231063 bekannt geworden.
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Heute bekannte Gelenkantriebe werden in Komponentenbauweise d.n. durcn
usammenbau baulichen und funktionell getrennnter Einzelkomponenten für die Energiewandlung,
Ansteuerung, mecnaniscnem Drehgelenk und Druckmittelweiterleitung aufgebaut.
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Dieser Aufbau Desitzt folgende Nacnteile: a.) Großer Geamtbauraum
des Drehgelenks durcn die Vielzahl der erforderlichen Einzelkomponenten und Einricntungen
für deren gegenseitige Befestigung.
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b.) Daraus resultiert nones Geamtgewicnt.
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c.) Zur Realisierung der Einzelfunktionen in diskreten Funktionselementen
wird eine Vielzahl von Bauelementen benötigt.
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d.) Es wird eine große Zahl von Befestigungs- und Dicntelementen benötigt.
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e.) Es treten menrere Funktionselemente redundant auf (z.B. Lagerung
der Abtriebswelle im Energiewandler und die gegenseitige Lagerung des Gelenkpaares).
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f.) Große Leitungslangen zwiscnen den Funktionselementen bewirken
damit große Totvolumina mit der Folge einer geringen fluid-mecnanischen Steifigkeit
des Antriebs.
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g. ) Die bis neute bekannt gewordenen Vorrichtungen zur Weiterleitung
des Druckmittel am Ort der Momentenübertragung zwiscnen Welle und Nabe in Form einer
formscniüssigen Verbindung erlauben nur eine geringe spezi.fiscne Belastung der
Verbindung und folglicn bei gegebenem zu übertragendem Moment eine große Baulange.
Die Vorteile einer formscnlüssigen Momentenübertragung mit einer Kerb- oder Evolventenverzannung,
die nohe spezifiscne Belastungen ermoglicnen, konnten Disner bei gleicnzeitiger
Druckmittelweiterleitung nicnt genützt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selbsttragende Gelenk drenantriebe
in Kompaktbauweise als in sich geschlossene Baueinneit mit noher Leistungdicnte
aufzubauen, wobei die oben bezeichneten Nacnteile beseitigt werden sollen.
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Erfindungsgemaß wird dies durcn die im Hauptansprucn dargestellten
Merkmale gelost. Diese Lösung nat unter anderem folgende Vorteile: a. ) Da jetzt
alle Funktionselemente zu einer baulichen Einneit zusammengefügt sind, entstent
ein komplexer Aufbau des Antriebs, wodurcn sich der erforderlicne Bauraum verringert.
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Dieser wird im wesentlichen nur durcn die außeren Abmessungen des
fluidmecnaniscnen Energiewandlers bestimmt, ohne daß andere Funktionselemente auskragen.
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O.) Das Gewicht Dz. d e Masse des Gelenkantriebes wird verringert.
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c.) Die Bauelemente des Gelenkantriebes erfüllen gleicnzeitig menrere
Teilfunktionen, so daß die Anzahl der benötigten Bauteile zur Realisierung aller
erforderlicnen Teilfunktionen verringert wird. So stellt die Abtriebswelle des Drenflügelmotors
zugleich - das Element zur Momentenübertragung, - das Element zur Druckmittelweiterleitung,
- das Gehause und Tragerelement von Steuerkanten des den Drehflügel ansteuernden
Ventils, - den Träger der Vorsteuerstufe, - das gehause zur Aufnanme des elekromecnaniscnen
Wandlers zur Ansteuerung des Ventils dar.
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d.) Als mitbewegter Gelenkantrieb in einer kinematiscnen Kette können
aufgrund des geringen Gewicntes bzw. Tragneitsmomentes die innernalb der Kette davor
liegenden Gelenkantriebe kleiner ausgelegt werden.
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e.) An den Gelenkantrieb können ohne zusal~zlicne Lagerstellen - -direkt
Verbindungsgl ieder zu vor- bzw. nacngeordneten Gelenken z.B. in Flanscnbauweise
starr befestigt werden, wobei die Verbindungsglieder die Druckmittelweiterleitung
in Form einer starren Rohrverbi ndungs leitung beinnalten können.
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f.) Die Druckmittelweiterleitung am Ort der momentenübertragenden
Wellen - Nabenverbindung in Form radial auf die Welle einmündender druckmittelfünrender
Hülsen ermöglicnt absolute Dichtheit der Leitungsverbindung auch bei verzanntem
Formschluß onne maßgebliche Reduzierung der Tragfähigkeit der Verbindung.
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g.) Durch die baulicne Integration einer oder mehrerer Ventilvorsteuerungen
in die Abtriebswelle des Drenflügelmotors wird gegenüber der bekannten einstufigen
Bauweise von Motoren mit axial innernalb der Drenflügelwelle angeordnetem Ventil
eine wesentlicn nönere Leistungsverstärkung der Anordnung ermöglicht, ohne daß zusatzlicner
Bauraum erforderlich wird.
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Durch die Merkmale der Ansprücne 2, 3 und 4 wird der funktionell beliebige
Einbau des Gelenkantriebes in je nach Randbedingung unterscniedlichen kinematischen
Ketten ermöglicht.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird die Verwendung konventioneller
Ventilscnieberbauformen ermöglicnt. Diese sind fertigungstecnniscn einfacner durch
eine Drebearbeitung nerstellbar.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 6 kann je nacn Anwendungsfall und
Baugröße auf die Vorsteuerstufe verzicntet werden, wodurcn sich der Bauaufwand weiter
reduziert und sich fluidische Energieverluste durcn Leckspalte vermindern.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 7 und 8 kann mit Hilfe des Elementes
zur mecnaniscnen Bewegungsumformung eine Anpassung der Verstärkung der Vorsteuerstufe
vorgenommen werden.
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Merkmal 7 erllloglicnt in jedem Fall die Verwendung eines drenenden
elektromecnaniscnen Umformers zur Ansteuerung.
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Merkmal 8 ermöglicht in jedem Fall die Verwendung eines translatorisch
bewegten elektromecnaniscnen Umformers zur Ansteuerung.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 9 und 10 kann der Gelenkantrieb ohne
wesentlicne Daulicne Anderungen als Rotationsverstarker mit integrierter mecnaniscner
Lagerückfunrung oder als Antrieb in offener Steuerkette betrieben werden.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 11 wird die Anzanl der erforderlichen
Lagerstellen vermindert und damit die Kosten reduziert.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 12 können einerseits samtliche Lagerstellen
neben der eigentlicnen Lagerung der Antriebs welle im Drenflügelmotor entfallen.
Weiternin können höhere Momente symmentriscn übertragen werden.
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Durch die Merkmale des Ansprucns 13 können innerhalb einer externen
Signalverarbeitung geeignete Gescnwindigkeits- und Lageregelkreise für die Funktionselemente
Vorsteuerung, Ventilschieber und Gelenk realisiert werden.
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Durch die Merkmale des Ansprucnsl4 können unter Beibenaltung sämtlicher
Vorteile des Gelenkantriebes mit begrenztem Scnwenkbereich auch Antriebe mit umlaufendem
Abtriebsglied aufgebaut werden.
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Aufbau In Figur 1 wird das Prinzip der Erfindung anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiel erläutert. Dargestellt ist ein Antrieb 1 für Schwenkbewegungen,
der als Drehflügelmotor ausgebildet und mit einem Druckmittel - Drucköl oder Druckluft
-beaufschlagt ist. Der Antrieb 1 weist als Stator ein Gehäuse 2 auf mit einer zentralen
Bohrung 3, in der ein Rotor 4 aufgenommen und mittels Lagern gegenüber dem Gehäuse
2 gelagert ist. Der Rotor 4 trägt mindestens einen damit drehfest verbundenen, radialen
Flügel 5. Im Gehäuse 2 ist ein der Randkontur des Flügels 5 entsprechend geformter
Ringraum 6 gebildet, der durch eine gehäusefeste, flügelartige Trennwand 7 unterteilt
ist, die bis auf die äußere Umfangsfläche des Rotors 4 reicht. Die Trennwand 7 ist
gegenüber der Umfangsfläche des Rotors 4 abgedichtet, ebenso wie der Rand des rotorseitigen
Flügels 5 gegenüber dem Ringraum 6 abgedichtet ist. Der Flügel 5 teilt den Ringraum
6 in zwei Ringraumhälften, eine dieseits und die andere jenseits des Flügels 5.
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Bei bekannten Drehflügelantrieben dieser Art wird zur Aktivierung
Druckmittel - Drucköl oder Druckluft - in eine Ringraumhälfte eingeleitet und die
andere, jenseits des Flügels 5 befindliche Ringraumhälfte mit dem Rücklauf oder
der Entlüftung, bei Drucköl z.B. mit dem Tank, verbunden.
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Beim gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einleitung des Druckmittels
in die eine Ringraumhälfte durch den Rotor 4 hindurch, ebenso wie die Ableitung
aus der anderen Ringraumhälfte zum Tank hin. In den Rotor 4 ist ein Steuerventil
8 unter Bildung einer einzigen baulichen Einheit integriert, wobei Teile des Rotors
4 zugleich Teile des Steuerventils 8 bilden. Das Steuerventil 8 weist einen hier
als drehenden Ventilschieber 9 ausgebildeten inneren Teil und ein Gehäuse 10 auf,
das Teil des Rotors 4 ist.
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Der Drehschieber 9 enthält eine achsparallele innere Bohrung 11, die
das Druckmittel führt und über zwei Querkanäle 12 a,b mit in der äußeren Umfangsfläche
des Drehschiebers 9 enthaltenen Nuten 16 kommuniziert.
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Am linken Ende weist der Drehschieber 9 eine Ringnut 13 auf, die auf
Höhe eines Radialkanales 15 im Gehäuse 2 und im Rotor 4 des Antriebes angeordnet
ist. Durch letztere hindurch erfolgt die Versorgung mit Druckmittel mit dem-Druck
P. Die Ringnut 13 steht über eine Radialbohrung im Drehschieber 9 mit der achsparallelen
Bohrung 11 in Verbindung, so daß durch den Radialkanal 15 Druckmittel eingespeist
wird, bis hin zum Querkanal 12, aus dem es aus treten und in die Nut 16 eintreten
kann.
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Der Druckmittelrücklauf zum Tank erfolgt über beidseitig angeordnete
Nuten 17, 18 in die zugeordneten Querkanäle 19, 20 einmünden, die mit einer etwa
achsparallelen Bohrung 21 innerhalb der Ausgangswelle 4 kommunizieren, die ihrerseits
über einen radialen Durchstich in Fig. 1 rechts mit einer Ringnut 22 kommuniziert,
in die ein Radialkanal 23 im Gehäuse 2 einmünden.
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Der Rotor 4 weist zwei axial benachbarte Radialbohrungen 25 und 26
auf, von denen die Radialbohrung 26 über einen Anschlußkanal 27 mit Öffnung 28 mit
der einen Ringraumhälfte auf der einen Seite des Flügels 5 verbunden ist, während
die andere Radialbohrung 26 über einen Anschlußkanal 29 und eine Öffnung 30 mit
der anderen Ringraumhälfte auf der anderen Seite des Flügels 14 kommuniziert.
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Für die Drehverstellung ist dem Drehschieber 8 ein Vorsteuerventil
41 zugeordnet, dessen Details in Fig. 2 und 3 zu sehen sind. Der in Fig.l bzw Fig.
2 dargestellte Drehschieber 8 weist am rechten Ende zwei diametral gegenüberstehende,
damit drehfest verbundene Flügel 32,33 auf, die von der Stirnseite abstehen.
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In der Stirnseite münden vier Druckkanäle 34 a-d aus, die alle an
die innere Bohrung 11 angeschlossen und von dort mit Druckmittel unter Druck P versorgt
werden. Den Flügeln 32, 33 sind nach dem Drehflügelprinzip an die Abtriebswelle
bildenden Gehäuse 35 fest angeordnete Trennwände 36 a,b zugeordnet( Fig.3), die
mit den Flügeln 32, 33 insgesamt vier Kammern 37 a-d bilden, in die je ein Druckkanal
34 a-d ausmündet. Die Flügel 32, 33 sowie die Trennwände 36, a,b belassen im Inneren
einen Raum in den eine Hohlwelle 38 hineinführt. Diese ist mit dem Drehschieber
8 fest verbunden.
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Sie enthält vier radiale Austrittsöffnungen 39 a-d. In der Hohlwelle
38 befindet sich eine mit axialen Nuten 40 a-b versehene Welle 41, die eine Verbindung
mit der Tankleitung herstellen. Die Ränder der Nuten bilden mit den Austrittsöffnungen
39 a-d Steuerkanten, die in der Ausgangsstellung der Welle 41 verschlossen sind.
Am im Fig. 1 rechten Ende ist ein nur schematisch angedeuteter Drehsteuerantrieb
42 eingebaut, der auf die Welle 41 eine Drehstellbewegung ausübt.
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Verbunden mit dem Druck- und Rücklauf führenden Leitungen 13 bzw.
21 sind über die Ausgangswelle 4 im Abtriebsglied 47 eingebrachte Leitungen 44 und
45, die an der Flanschfläche 48 austreten und somit nachgeschalteten, hier nicht
eingezeichneten hydraulischen Aktoren als Versorgungsanschlüsse zur Verfügung stehen.
Im Abtriebsglied 47 befinden sich zwei radial angeordnete Hülsen 46 a+b zur Weiterleitung
des Druckmittels über die Wellen-Naben-Verbindung. Diese münden in radiale Einsenkungen
43 a,b im Bereich der Verzahung 51. Sie werden durch Dichtelemente (O-Ringe) 49
a,b und 50 a,b abgedichtet.
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Funktionsweise Nachfolgend ist die Funktionsweise des Antriebes beschrieben,
ausgehend vom Zustand des Vorsteuerventils 41 gemäß Fig.3.
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Wird über den Drehsteuerantrieb 42 die Welle 31 um einen entsprechenden
Winkel gedreht, gelangen die Austrittskanäle 40 a,b aus dem diese verschließenden
überdeckungsbereich mit der Hohlwelle 38, so daß nun die betreffenden Viertelkammern
zwischen einer Trennwand 36 a,b einerseits und einem Flügel 32,33 andererseits durch
die Austrittsöffnung 39 a,c bzw 39 b,d den Ableitungskanälen 40 a,b und 21 mit dem
Tank verbunden ist. Das über die Druckkanäle 34 a-d in die Viertelkammern eingespeiste
und durch Konstantblenden gedrosselte Druckmittel kann nun über die Flügel 32,33
ein Drehmoment auf den Drehschieber 8 wirken lassen. Dadurch wird der Drehschieber
8 gedreht. Bei Drehung in Pfeilrichtung 52 gelangt die Nut 16 in mehr oder weniger,
vom Winkel abhängiger Überdeckung mit der Öffnung der Radialbohrung 26 während links
daneben die Nut 17 in entsprechende, mehr oder weniger große Überdeckung mit der
Öffnung der Radialbohrung 25 gelangt.
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Durch die Verbindung 15, 11, 12 wird ein entsprechender Volumenstrom
Druckmittel, durch die Radialbohrung 26, den Anschlußkanal 29 und die Öffnung 30
in die eine Ringraumhälfte diesseits des Flügels 5 eingeleitet. Da zugleich im Bereich
der anderen Ringraumhälfte jenseits des Flügels 5, eine Verbindung mit dem Tank
hergestellt ist, und zwar durch die Öffnung 28, den Anschlußkanal 27 die Radialbohrung
25, die Nut 17, den Querkanal 20 und die Bohrung 31 ergibt sich dadurch ein Druckunterschied,
so daß die sichtbare Fläche des Flügels 5 mit dem Druckmittel beaufschlagt wird
und der äußere, das Gehäuse 10 bildende Teil des Rotors in Pfeilrichtung 52 drehverstellt
wird, und zwar den gleichen Winkel wie durch den Drehschieber 8 vorgegeben.
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Der Drehschieber 8 bleibt demgegenüber stehen. Bei der Drehung bewegt
sich die innere Mündungsöffnung der Radialbohrung 25 wieder von der Nut 12 weg,
unter stetiger Abnahme der überdeckung. Gleiches ist auch bezüglich der Ausmündungsöffnung
der Radialbohrung 25 in Bezug auf die Nut 17, der Fall. Der durch das Gehäuse 10
gebildetet äußere, drehverstellte Teil des Rotors wird so weit in Pfeilrichtung
52 gedreht, bis die genannte überdeckung der Radialbohrung 25 und 26 mit den zugeordneten
Nuten 12 bzw. 17 völlig aufgehoben ist und damit die Mündungsöffnungen der Radialbohrungen
25 und 26 durch die äußere Umfangsfläche des Drehschiebers 8 versperrt sind. Dann
herrscht in den Ringraumhälften beiderseitig des Flügels 5 Gleichgewicht.
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Der sich drehende Teil des Rotors, d.h. das Gehäuse 10 mit Flügel
5, steht still, nach Durchlaufen des durch den Drehschieber 8 vorgegebene Soll-Schwenkwinkels.
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Der gleiche Vorgang ist in gegensinniger Drehrichtung möglich. Aus
Fig. 3 sieht man, daß durch eine Drehverstellung der Welle 41 z.B. im Uhrzeigersinn
die beiden Flügel 32, 33 und damit der Drehschieber 8 ebenfalls im Uhrzeigersinn
gedreht werden, bis die Hohlwelle 38 die Austrittsöffnungen 40 a,b wieder überdecken
und verschließen. Überlagert damit erfolgt die über das Steuerventil 9 gesteuerte
Drehverstellung des Rotors 4 ebenfalls im Uhrzeigersinn, wobei die damit drehfesten
Trennwände 36 a,b in gleicher Weise gedreht werden.
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