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Die Erfindung betrifft ein teleskopisches System.
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Als teleskopische Systeme bezeichnet man Mechanismen,
die aus mehreren Modulen zusammengesetzt sind, die sich beliebig
ausziehen und wieder ineinanderschieben lassen oder sich eventuell
nebeneinander befinden, um ihre Gesamtlänge zu verstellen.
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Man trifft sie auf zahlreichen technischen Gebieten an,
z.B. bei Kranen, Leitern oder den Roboteransätzen, um ein Ziel mit
variablem Abstand zu erreichen oder für andere Funktionen, die für
jedes Gerät, in das sie integriert sind, spezifisch sind. Im Falle
von Robotern, die über eine Serie von auf zwei Sätze verteilten
Beinen verfügen, die abwechselnd den Boden berühren, um den
Roboter zu tragen, und dann angehoben und vorwärtsbewegt werden,
ermöglichen teleskopische Mechanismen in den Beinen, um sie zu
verkürzen und zu verlängern, eine Vereinfachung dieses Vorgangs,
denn es genügt, die Beine des Roboters nach vorn gleiten zu
lassen, sobald sie vom Boden abgehoben sind. Die Beine können
dabei gerade bleiben und es ist nicht nötig, sie in aneineinander
und an den Roboter angelenkte Teilstücke zu unterteilen, um das
menschliche Gehen zu reproduzieren, was eine komplexere Struktur
erfordert und Gleichgewichtsprobleme verursacht.
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Man trifft eine erste Unterscheidung, indem man sich
nur für die Mechanismen interessiert, bei denen der teleskopische
Hub gräßer als die Länge der Mechanismen im ineinandergeschobenen
Zustand ist, was voraussetzt, wenigstens zwei Module zu verwenden,
die ein ausziehbares Verlängerungselement umfassen (z.B. ein
zusammenschiebbares Rohr) und einen Mechanismus, der dieses
Verlängerungselement mit einem vorgeschalteten oder einem festen
Element verbindet, das dem Mechanismus als Basis dient, um den sie
trennenden Abstand zu variieren und so das Ausfahren des
Verlängerungselements zu steuern. Das System wird dann durch die
Notwendigkeit kompliziert, mechanische Verbindungen zur
Vereinigung der Mechanismen hinzuzufügen, um das Ausfahren aller Elemente
gleichzeitig oder nacheinander zu steuern bzw. zu betätigen.
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Ein verbreitetes teleskopisches System, eingesetzt bei
gewissen hydraulischen Kränen, besteht aus einer Mehrzahl
konzentrischer Rohre, die miteinander durch in Reihe angeordnete
und untereinander über Fluidleitungen kommunizierende Zylinder
verbunden sind, so daß eine einzige Druckquelle sie nacheinander
ausfahren kann. Die Steuerung wird durch eine einzige Aktion
gewährleistet. Ein einziger Zylinder mit Mehrfachwirkung, d.h.
gebildet durch mehrere ineinandersteckende zusammenschiebbare
Zylinder, kann auch verwendet werden, mit demselben Vorteil.
Jedoch sind die Zylinder ziemlich schwere und sperrige
Vorrichtungen, die zudem Versorgungsschläuche und Fühler bzw.
Sensoren erforderlich machen, die ihre Installation komplizieren.
Diese Lösung kommt daher in der Robotertechnik nicht in Frage, wo
man das Gesamtgewicht des Systems und den Platzbedarf der
Betätigungs- und Steuereinrichtungen so klein wie möglich hält.
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Ein ganz anderes System besteht darin, die
Ausfahrelemente mit Rollen zu versehen und mit Kabeln, die sie
miteinander verbinden, wobei sie Zickzack-Anordnungen bilden. Es
genügt, an einem Kabelende zu ziehen, um die Elemente simultan
anzuheben. Dieses System, das für bestimmte Leitern und Aufzüge
benutzt wird, ist durch einen Mangel an Steifigkeit
gekennzeichnet, der für die Feuerwehr oder für Umzugunternehmen
vorteilhaft sein kann, die die Leitern an ein Gebäude anlehnen, ist
aber für andere Verwendungen unzulässig und weist zudem den
Nachteil einer geringen Belastbarkeit sowie die Problematik der
Langzeitfestigkeit der Kabeln und Rollen auf.
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Ein komplizierteres System, obgleich von einfacher
Bauweise, geringem Gewicht und guter Steifigkeit, wird mit Hilfe
der Figur 1 beschrieben. Es wurde in einem Roboter benutzt und
setzt sich aus drei ausfahrbaren Modulen 1a, 1b und 1c zusammen,
von denen jeder umfaßt: eine Spindel 2, eine auf die Spindel 2
geschraubte Mutter 3, eine an einem hinteren Ende der Spindel 2
befestigte Eingangsrolle 4, eine koaxial die Mutter 3 umgebende
Ausgangsrolle 5, eine Spindelabstützfläche 6, hinten an der
Spindel 2 aber vor der Rolle 4, eine Mutternabstützfläche 7, einen
hinterer Anschlag 8, auf der Spindel 2 befindlich, unmittelbar vor
der Spindelabstützfläche 6, und einen vorderer Anschlag 9, ganz
auf dem vorderen Ende der Spindel 2 befindlich. Die wesentlichen
Elemente dieser Anschläge sind Federn, koaxial zu der Spindel 2.
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Die Eingangsrolle 4 des Zwischenmoduls 1b ist mit einem
Riemen 10 mit der Ausgangsrolle 5 des ersten Moduls 1a verbunden,
und die Ausgangsrolle 5 des Moduls 1b ist durch einen anderen
Riemen 11 mit der vorderen Rolle 4 des dritten Moduls 1c
verbunden. Ein dritter Riemen 12 verbindet schließlich die Rolle 4
des ersten Moduls 1a mit einer Antriebsrolle 13 eines Motors 14,
befestigt auf einem Gestell 15.
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Die Module 1 umfassen jeder noch ein Rohr 16, versehen
mit einem Lager 17 für die Mutternabstützfläche 7 dieses Moduls,
und eine Lager 18 für die Spindelabstützfläche 6 des nächsten
Moduls, selbstverständlich mit Ausnahme des Rohrs 16 des dritten
Moduls 1c, der der letzte des Systems ist und daher kein Lager 18
aufweist. Die Rohre 16 sind konzentrisch, gleiten ineinander und
in einem Außenrohr 19, das fest mit dem Gestell 15 verbunden ist
und ein Lager 20 für die Spindelabstützfläche 6 des ersten Moduls
1a umfaßt. Elementare, nicht dargestellte mechanische
Einrichtungen wie z.B. Gleitschienen, Riffelungen bzw Rillen oder
Verschachtelungen mit polygonalem Querschnitt vereinigen die Rohre
16 und 19 miteinander und hindern sie daran, sich frei zu drehen,
wobei sie aber ineinander verschiebbar bleiben.
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Das Einschalten des Motors 14 versetzt die Spindel 2
des ersten Moduls 1a in Drehung, wobei von der Mutter 3 angenommen
wird, daß sie sich nicht dreht sondern verschiebt und das Rohr 16
des ersten Moduls 1a und die anderen Module 1b und 1c mitnimmt,
bis einer der Anschläge 8 und 9 erreicht wird, je nach
Drehrichtung des Motors 14. Die Mutter 3 wird dann blockiert, setzt
sich auf der Spindel 2 fest und überträgt ihre Drehung durch den
Riemen 10 auf die Spindel 2 des nächsten Moduls 1b, was die Mutter
3 und das Rohr 16 dieses Moduls 1b verschiebt usw., bis die
Mechanismen aller Module 1 blockiert sind. Jedoch zeigt die
Erfahrung, daß das System im Sinne der Kinematik nicht vollkommen
bestimmt ist, denn wenn größere Reibungen als vorgesehen zwischen
einer Spindel und einer Mutter auftreten, sitzt die Mutter von
Beginn an fest auf der Spindel und die Bewegung betrifft zunächst
die nachfolgenden Module, ehe eventuell eine vollständige
Blockierung dieser letzteren zu einer Überwindung der Reibung dieser
Mutter führt und sie eine Längsbewegung ausführt. Ein weiterer
Nachteil, vielleicht noch schwerwiegender, ist das Vorhandensein
der Anschläge 8 und 9, die mit Federn ausgestattet sind, um
Anprallstöße der Muttern 3 zu vermeiden. Ein totales Ausfahren ist
möglich, aber diese Anschläge verursachen dynamische Veränderungen
der Reibungen und der Trägheit, Störungsquellen für ein geregeltes
Systems. Ein gleichmäßigeres und vorhersehbareres Verhalten des
Systems wäre wünschenswert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dieses System
zu verbessern, indem ein gleichmäßiges Ausfahren der Module
sichergestellt wird und eventuell, bei einer Ausführung, ein
annähernd perfektes Rundlaufen der Mechanismen, um ein besseres
statisches Gleichgewicht und einen geringen Gesamtplatzbedarf des
Systems zu erzielen.
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Die Erfindung betrifft also ein teleskopisches System,
gebildet durch mehrere Module, von denen jeder ein Gehäuse, eine
frei drehende, gegen Längsverschiebung blockierte Mutter in dem
Gehäuse, und eine in die Mutter eingesetzte Spindel umfaßt, wobei
die Gehäuse gegenseitig frei ineinander verschiebbar aber gegen
Drehung blockiert sind und die Module kettenförmig angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kette benachbarten
Module miteinander verbunden sind durch eine
Rotationsübertragungskupplung zwischen einem der drehbaren Teile, Spindel und
Mutter, von jedem von ihnen, und daß jeder Modul eine
Rotationsübertragungsverbindung zwischen seiner Spindel und seiner
Mutter aufweist.
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Die Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben, mit
Hilfe der beigefügten, nicht einschränkenden Figuren:
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- die Figur 1, schon beschrieben, zeigt ein System der
vorhergehenden Technik,
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- die Figur 2 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung,
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- die Figur 3 zeigt eine Ausführungsvariante,
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- die Figur 4 zeigt einen Modul einer zweiten Ausführung der
Erfindung,
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- und die Figur 5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung
vollständig.
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Die Vorrichtung der Figur 2 umfaßt wenigstens zwei
ausfahrbare Module 25a und 25b, die durch weitere Module
beliebiger Anzahl verlängert werden können, wie bei der folgenden
Ausführung. Diese Module umfassen eine Spindel 26, eine auf die
Spindel 26 geschraubte Mutter 27, ein Spindelzahnrad 28 vorn an
der Spindel 26, ein Mutternzahnrad 29 an der Mutter 27, eine zur
Spindel 26 parallele Übertragungsachse 30, ein Achsenzahnrad 31
vorn an der Übertragungsachse 30 und im Eingriff mit dem
Spindelzahnrad 28, eine Hülse 32, in der die Übertragungsachse 30 gleitet
und dabei durch Rillen 33 gegen Drehung blockiert ist, und ein
Hülsenzahnrad 34, im Eingriff mit dem Mutternzahnrad 29.
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Jeder Modul umfaßt noch eine Rohr 35, versehen mit
einem Lager 36, in dem eine Auflagefläche 37 der Spindel 26 ruht,
zwischen dem gewindeten Teil der Spindel 26 und dem Spindelzahnrad
28, und einem Lager 41, das eine Auflagefläche der
Übertragungsachse 30 direkt hinter dem Achsenzahnrad 31 trägt. Die Mutter 27
und die Hülse 32 werden in Lagern 38 und 39 des Rohrs 35 des
vorangehenden Moduls 25 gehalten oder, den ersten Modul 25a
betreffend, von einem Basisrohr 42, koaxial zum Rohr 35 und
befestigt an einem Gestell 37 des Systems.
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Es ist wichtig festzustellen, daß - außer für den
letzten Modul - das Spindelzahnrad 28 mit dem Hülsenzahnrad 34 des
nachfolgenden Moduls 25 im Eingriff ist. Unter diesen Bedingungen
wird die Bewegung der von einem auf dem Gestell 43 befestigten
Motor 40 angetriebene Mutter 27 des ersten Moduls 25a durch das
Mutternzahnrad 29, das Büchsenzahnrad 34, das Achsenzahnrad 31 und
das Spindelzahnrad 28 auf die Spindel 26 dieses Moduls 25a
übertragen, sowie auf das Büchsenzahnrad 34 des nachfolgenden
Moduls 25b, dann auf die Mutter 27 dieses Moduls 25b durch das
Mutternzahnrad 29, auf die Spindel 26 dieses Moduls 25b durch das
Mutternzahnrad 31 und das Schraubenzahnrad 28, und wieder auf die
Spindeln 26 und die Muttern 27 der nachfolgenden Module 25c etc..
Da die Drehungen der Muttern 27 und der Spindeln 26 durch die
Zahnverhältnisse der Verzahnungen bestimmt werden, werden es die
Verschiebungen der Spindeln 26 und folglich der Rohre 35
ebenfalls. Es gibt kein Anprallen gegen einen Anschlag und da die
Bewegungen simultan sind und keine Verzögerung auftritt, wenn man
die mechanischen Spiele vernachlässigt, erfolgt das Ausfahren bei
allen Rohren 35 simultan. Diese Resultate erzielt man mit einem
einzigen Motor 40 oder, allgemeiner, mit einer einzigen
Betätigungseinrichtung. Es ist zu jedem Zeitpunkt des Aus- oder
Einfahrens möglich, die Trägheit der Teile des Mechanismus genau
und ihre Reibungen ziemlich genau zu bewerten und folglich
dynamische Kontrolleinrichtungen zu wählen, die diese Faktoren
berücksichtigen und daher eine gute Genauigkeit des Antriebs
ermöglichen. Schließlich kann das System leicht reversibel gemacht
werden, wenn die Winkel bzw. Steigungen der Spindeln 26 und die
Wirkungsgrade der Übertragungen ausreichend sind. Man kann dazu
Kugelumlaufspindeln mit großen Steigungswinkeln in der
Größenordnung von 45º wählen. Ein reversibles System ermöglicht
ein automatisches Anhalten des Ausfahrens selbst dann, wenn der
Motor weiterläuft, durch Begrenzung der Motorkraft auf einen
richtig bestimmten bzw. ermittelten Wert des auftretenden
Widerstands. Die zahlreichen Zahnräder bieten große Möglichkeiten
zum Einstellen des Verhältnisses der Mechanismen, d.h. des
Verhältnisses der Verschiebung der Spindel, auf die Drehung der
Mutter.
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Diese erste Ausführung der Erfindung weist in bezug auf
die vorhergehenden Mechanismen den Nachteil auf, schwerer zu sein
aufgrund der Übertragungsachsen 30, und sie verbessert nicht den
Rundlauf der Mechanismen der verschiedenen Module 25. Hingegen
weist die Variante der Figur 3 diese Mängel nicht auf, denn die
Mechanismen ihrer Module sind alle konzentrisch und zudem einfach
und leicht. Man hat hier wieder ein teleskopisches System mit drei
Modulen 45a, 45b und 45c dargestellt, auch wenn der dritte Modul
45c am Ende des Systems ein unvollständiger Modul ist und sich auf
ein Rohr 35c beschränkt, an dem eine Spindel 26c befestigt ist.
Theoretisch ist eine unbegrenzte Anzahl Module möglich.
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Die mit 26a, 26b und 26c bezeichneten Spindeln dieser
Ausführung sind mit Ausnahme der Spindel 26c hohl und sitzen
ineinander, wobei sie in Richtung Ende immer dünner werden.
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Die Muttern 27b und 27c sind hier fest verbunden bzw.
aus einem Stück mit den Spindeln 26a oder 26b des Vormoduls und
selbstverständlich koaxial zu dieser Spindel, und zudem sind die
Hülsen 32b und 32c aus einem Stück bzw. fest verbunden mit den
Übertragungsachsen 30a und 30b des Vormoduls mit der Konsequenz,
daß die Übertragungsachsen 30a und 30b der sie umfassenden Module,
nämlich die beiden ersten 35a und 35b, konzentrisch sind und
ineinander gleiten. Diese Ausführung funktioniert in etwa wie die
vorgehende dank der Rotationen des Motors, die zugleich an alle
Spindeln und an alle Muttern übertragen werden, und mit
verschiedenen bzw. unterschiedlichen Winkeln bzw. Steigungswinkeln
zwischen den Spindeln und den Muttern, um eine Schraubung und eine
Verschiebung der Module zu erzeugen. Ihr einziger Mangel,
zurückzuführen auf die kleinere Anzahl von Zahnrädern, ist dabei
die Tatsache, daß die Übertragungsverhältnisse weniger leicht frei
zu wählen sind.
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Eine Ausführung anderer Art wird nun mit Hilfe der
Figur 4 beschrieben. Ein Ausfahrmodul 55 des teleskopischen
Systems umfaßt wieder eine Spindel 56, eine Mutter 57 und eine
Büchse 58, wobei jene mit dieser im Eingriff sind durch Gewinde 59
und Rillen 60 der Spindel 56. Die Spindel 56 ist also eine
gerillte Spindel, die die Büchse 58 in Drehung versetzt, sich ihr
gegenüber aber frei verschieben kann. Kugellager 61 und 62
ermöglichen der Mutter 57 und der Hülse 58, sich frei in einem zu
ihnen und zu der Spindel 56 koaxialen Rohr 63 zu drehen.
Schließlich gibt es ein Mutternzahnrad 64, ein Hülsenzahnrad 65
und zwei Ritzel 66 und 67, jeweils im Eingriff mit diesen beiden
Zahnrädern 64 und 65, die eine Verbindungsachse 68, die in einer
Bohrung des Rohrs 63 sitzt, vereinigt. Da die Verbindungsachse 68
sich frei in der Bohrung drehen kann und die Ritzel 66 und 67 mit
ihr fest verbunden sind, bildet das Ganze ein
Untersetzungsgetriebe. Die Spindel 56 durchquert die ausgesparten
ringförmigen Zahnräder 64 und 65, ohne sie zu berühren.
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Eine Drehung der Mutter 57 hat eine unterschiedliche
Drehung der Hülse 58 und der Spindel 56 zur Folge und daher eine
Verschiebung dieser letzteren durch Schraubung. Die Drehung der
Mutter 57 kann durch eine weitere, die andere 56 umgebende
gerillte Spindel erfolgen, fest verbunden mit der Mutter 57 und
dem Untersetzungsgetriebe gegenüberstehend oder, wie dargestellt,
durch ein weiteres, mit dem vorhergehenden identisches oder
analoges Getriebe, das ein zweites Mutternzahnrad 69, ein
Spindelzahnrad 70 und zwei Ritzel 71 und 72 umfaßt, die sich
zusammen mit einer Verbindungsachse 73 drehen, die in einer
Bohrung des Rohrs 63 sitzt, und die im Eingriff sind mit den
Zahnrädern 69 und 70; die gerillte Spindel des mit 74 bezeichneten
Vormoduls ist fest verbunden mit dem Spindelzahnrad 70. Weitere
mit diesem Funktionsprinzip kompatible Konzeptionen sind möglich.
Man kann auch das Kugellager 62 weglassen und die Hülse 58 fest
mit Rohr 63 verbinden mit der Konsequenz, daß die Spindel 56
dieses Moduls rotationsblockiert ist. Diese Konstruktion kann für
das Ende des Systems vorgesehen werden. Man kann die Spindel auch
an das Ende eines am Ende verschlossenen Rohrs schweißen, um
denselben Effekt zu erhalten. Die Hülse 58 wird dann weggelassen.
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Die Figur 5 zeigt ein vollständiges teleskopisches
System mit dem Modul der Figur 4. Man erkennt zwei Module 55a und
55b, wobei die Spindel 56a des ersten starr mit der Mutter 57b des
zweiten verbunden ist. Die Spindel 56b des zweiten Moduls 55b, der
das Ende des Systems bildet, schließt mit einem angelenkten Fuß 79
ab, der als Abstützelement dienen kann: das System ist dann ein
Bein eines Gehroboters. Die Mutter 57a des ersten Moduls 55a wird
durch einen Motor 80 bewegt, der in dem Rohr 63a sitzt. Es handelt
sich um einen Ringmotor, in dessen Hohlraum sich die Spindel 56a
befindet. Hinter dem Motor 80 in dem Rohr 63a ist Platz für
weitere Motoren, Fühler bzw. Sensoren oder andere Einrichtungen.
Ein Zylinder 81 kann die Rohre 63a und 63b verbinden: er bildet
dann den Mechanismus zum Verstellen ihrer Position anstelle der
vorher erwähnten Motoren, wobei der Motor 80 dann entfällt. Ein
solcher Zylinder, parallel zur Ausfahrrichtung angeordnet, kann
unabhängig von der sonst gewählten Ausführung eingesetzt werden,
wenn die Spindel-Mutter-Systeme reversibel sind.
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Diese Systeme können gleichermaßen durch eine Mutter
betätigt bzw. angetrieben werden, wie bisher vorgeschlagen, oder
durch eine Spindel. Es ist dann normalerweise die Endspindel, die
durch einen an ihrem Ende angeordneten Motor angetrieben wird.