WO2020074040A1 - Spannungswellengetriebe und übertragungselement hierfür sowie roboterarm und verfahren zum messen eines drehmomentes - Google Patents

Spannungswellengetriebe und übertragungselement hierfür sowie roboterarm und verfahren zum messen eines drehmomentes Download PDF

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WO2020074040A1
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transmission element
elastic transmission
strain gauges
elastic
strain
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Jens Heim
Jochen Damerau
Masato Izumi
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1457—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving resistance strain gauges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B25J9/1025—Harmonic drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
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    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • F16H2049/003—Features of the flexsplines therefor

Definitions

  • the invention relates to a voltage shaft gear and a robot arm and a method for measuring a torque on the elastic according to the invention
  • Transmission element of the voltage wave transmission are arranged.
  • a Kalman filter is used to eliminate high-frequency measurement signal components.
  • Torque detection mechanism on a flexible external gear includes several strain gauges with resistance wire areas that over
  • Lead wires are electrically connected.
  • JP 2000320622 A shows a shaft gear with a
  • Torque sensor mechanism which comprises a strain gauge on a flexible external gear, which is electrically connected via lead wires.
  • Connection areas for external wiring one of which is formed between the detection segments and the other of which is formed at the opposite ends thereof.
  • Shaft gear device is a flexible, circular external gear partially engaged with a rigid internal gear. Several sets of strain gauges are attached to the surface of the flexible external gear.
  • the CN 105698992 A relates to a high-precision wave gear with a built-in torque sensor.
  • the torque sensor includes u. a. a Wheatstone half bridge.
  • the RU 2 615 719 C1 teaches a wave gear which is used to measure a
  • WO 2010/142318 A1 shows a device for measuring a torque in a wave gear.
  • the device comprises at least one sensor for measuring forces between an outer ring with internal teeth and a housing.
  • JP 6320885 B2 describes a torque detection element which comprises a plurality of strain gauges which form a Wheatston bridge.
  • the strain gauges are arranged in the form of a pattern-like metallic film on a surface of a flexible film-like insulation.
  • Torque signal which depends on the rotational position of the shaft generator and is disturbed.
  • the shaft generator rotating with respect to the elastic transmission element partially expands the elastic transmission element and thus superimposes the shear strains caused by the torque.
  • the object of the present invention is to measure a mechanical load in one
  • the stated object is achieved by an elastic transmission element according to the appended claim 1.
  • the stated object is further achieved by a tension shaft transmission according to the attached independent claim 8, by a robot arm according to the attached independent claim 9 and by a method according to the attached independent claim 10 .
  • Torque transmitting component of a voltage shaft gear can also be used as a harmony drive, wave gear,
  • Internal teeth have a difference in their number of teeth, which is preferably two.
  • At least one strain gauge is arranged on the elastic transmission element and is used to measure a mechanical tension of the elastic transmission element.
  • the at least one strain gauge is preferably used to measure a torque that is due to the elastic
  • the one strain gauge extends or the plurality of strain gauges extend at least in their entirety on one
  • the circumference can be an axially arranged circumference or an axially laterally arranged circumference.
  • the circumference can be arranged on an outer or inner lateral surface or on an axial side surface of the elastic transmission element.
  • the circumference encloses at least a radially inner section of the
  • Strain gauges extend at least in their entirety around and around this circumference of the elastic transmission element. Thus, the one strain gauge encloses or enclose the several
  • Strain gauges at least in their entirety an axis of the elastic transmission element, in which the elastic transmission element
  • the one strain gauge preferably extends or the plurality of strain gauges extend at least in their entirety along a circle which is concentric and perpendicular to the axis of the elastic transmission element is arranged.
  • the one strain gauge extends or the plurality of strain gauges at least in their entirety extend in a closed manner on the circumference of the elastic one
  • the strain gauges extending around the circumference of the elastic transmission element preferably have the same axial position.
  • a particular advantage of the transmission element according to the invention is that interference arrangements caused by a rotating shaft generator of the voltage wave transmission are eliminated by means of a modified arrangement of the at least one strain gauge that is easy to implement. Are these disturbance excitations over the scope of the elastic
  • Interference excitation are eliminated in that the strains of the at least one strain gauge are integrated over an entire circumference of the elastic transmission element. This integration can take place circumferentially on a cylindrical region and / or circumferentially on an annular flange region of the elastic transmission element.
  • the individual strain gauge or the several strain gauges in total emit a signal which corresponds to the integral or mean value of the strain over the circumference. This signal is then independent of the rotational position of the rotating shaft generator and thus freed from its interfering influences.
  • Measurement signal processing unit preferably comprises measurement signal amplifiers, Measurement signal addition units, measurement signal inverters, analog filters, digital filters, AD converters, a microprocessor and data storage.
  • Transmission element several of the strain gauges are arranged on the elastic transmission element, which extend in their entirety around the circumference of the elastic transmission element.
  • the several strain gauges in their entirety enclose this range of elasticity
  • the elastic transmission element preferably comprises a hollow cylindrical part and an annular or
  • the elastic transmission element has the shape of a collar sleeve.
  • the circular part serves to attach a shaft to the
  • Coupling transmission element to transmit torque to the shaft.
  • the hollow cylindrical part and the circular or disc-shaped part have a common axis.
  • the one strain gauge or the plurality of strain gauges is arranged on a circumference on the hollow cylindrical part of the elastic transmission element having the lateral surface, the one has
  • Strain gauges or the plurality of strain gauges in their entirety preferably have the shape of a cylinder jacket. Is the one
  • the one strain gauge or the plurality of strain gauges in their entirety preferably have the shape of a circular ring.
  • at least one strain gauge extends over at least two circumferences of the elastic transmission element. At least two extensive measurements are therefore possible.
  • a first subset of the plurality of strain gauges extends around a circumference of the elastic transmission element and a second subset of the plurality of strain gauges extends around a circumference of the elastic transmission element.
  • the first subset and the second subset of the plurality of strain gauges can each extend on the hollow cylindrical part or on the annular part of the elastic transmission element, or they can extend together on the hollow cylindrical part or on the annular part of the elastic transmission element.
  • the first subset and the second subset of the plurality can each extend on the hollow cylindrical part or on the annular part of the elastic transmission element, or they can extend together on the hollow cylindrical part or on the annular part of the elastic transmission element.
  • these strain gauges are preferably arranged uniformly distributed around the circumference of the elastic transmission element. Consequently, these strain gauges have the same center angle with respect to the axis of the elastic transmission element.
  • the plurality of strain gauges extending around the circumference of the elastic transmission element preferably form a Wheatstone bridge.
  • the strain gauges are correspondingly electrically connected, the connection being able to be implemented as a full bridge or as a flaling bridge.
  • the four strain gauges or four each are preferred
  • the number of the plurality of strain gauges extending around the circumference of the elastic transmission element is preferably two or a multiple of two.
  • the two strain gauges, or respectively two of the strain gauges, are preferably connected as a Wheatstone half-bridge.
  • the voltage wave transmission according to the invention has a wave generator which comprises an elliptical disk and preferably a deformable race.
  • the elliptical disk preferably consists of a steel and preferably forms a drive for the stress wave transmission.
  • the tension shaft gearbox also includes a rigid outer ring with internal teeth.
  • the outer ring is preferably hollow cylindrical and is also referred to as a circular spline.
  • the stress wave transmission also includes the elastic transmission element according to the invention.
  • the voltage wave transmission preferably comprises one of the described preferred embodiments of the elastic transmission element according to the invention. Otherwise, the voltage wave transmission preferably also has those features which are described in connection with the transmission element according to the invention.
  • the robot arm according to the invention comprises at least one drivable
  • the at least one drivable arm element is preferably via one of the described preferred embodiments of the invention
  • the method according to the invention serves to measure a torque on the elastic transmission element according to the invention
  • the method according to the invention is used in particular to measure a torque on an embodiment of the
  • Elastic transmission element in which several of the strain gauges in their entirety around a circumference of the elastic Extend transmission element. A signal is tapped at each of the strain gauges. According to the invention, a linear combination of these signals is formed in order to eliminate interference excitations which are caused by the rotating wave generator of the voltage wave transmission. This linear
  • the combination of the signals is preferably formed by a sum of the signals.
  • the linear combination of the signals is proportional to the torque.
  • the method is preferably also designed to determine a rotational position of the shaft generator based on the signals of the individual strain gauges.
  • the determined rotational position is preferably used for a correction of interferences, which result in particular from component tolerances.
  • a rotational speed of the shaft generator is preferably determined based on the determined rotational position. This is advantageous since the signals of the strain gauges are dependent on the rotational speed of the shaft generator, particularly at a high speed of the shaft generator.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of an inventive
  • Fig. 2 is a circuit diagram of an interconnection of those shown in Fig. 1
  • Fig. 3 is a circuit diagram of an alternative connection of those shown in Fig. 1
  • Fig. 4 shows a second preferred embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a third preferred embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows a fifth preferred embodiment of the invention
  • the elastic transmission element which is also referred to as a flexspline, has the shape of a collar sleeve, so that it has a sleeve-shaped section 01 and an adjoining annular or flange-shaped section 02.
  • An external toothing 03 (shown in FIG. 6) is formed on the sleeve-shaped section 01, which engages in an internal toothing (not shown) of an outer ring of the stress wave transmission.
  • strain gauges 04 are arranged on the annular section 02 of the elastic transmission element, which together extend completely around the elastic
  • the four strain gauges 04 form a closed circumference on an axial side surface of the elastic
  • a first strain gauge 11 of the four strain gauges 04 A first strain gauge 11 of the four strain gauges 04, a second strain gauge 12 of the four strain gauges 04, a third
  • Strain gauges 14 of the four strain gauges 04 each have a center angle of 90 °, since the four strain gauges 04 are uniformly distributed over the circumference on the circular section 02 of the elastic one
  • Transfer element are arranged. Possible electrical connections of the four strain gauges 04 are shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of an interconnection of those shown in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an alternative connection of the strain gauges 04 shown in FIG. 1; 11, 12, 13, 14.
  • the four strain gauges 04; 11, 12, 13, 14 are cross-connected as a Wheatstone bridge, in particular as a full bridge.
  • the eight strain gauges 04; 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 are preferably connected as a Wheatstone bridge in a half-bridge connection, the first strain gauge 11 and the second strain gauge 12 forming a first half bridge, the third strain gauge 13 and the fourth

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonie Drive oder Wellgetriebe bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet und weist eine Außenverzahnung (03) auf. Auf dem elastischen Übertragungselement ist mindestens ein Dehnungsmessstreifen (04) zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes angeordnet ist. Erfindungsgemäß erstreckt sich der eine Dehnungsmessstreifen (04) bzw. erstrecken sich die mehreren Dehnungsmessstreifen (04) zumindest in ihrer Gesamtheit um einen Umfang auf einer Mantelfläche oder einer axialen Seitenfläche des elastischen Übertragungselementes. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe und einen Roboterarm sowie ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes an dem erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselement.

Description

Spannunqswellenqetriebe und Übertraqunqselement hierfür sowie Roboterarm und Verfahren zum Messen eines Drehmomentes
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonie Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet und weist eine Außenverzahnung auf. Das elastische Übertragungselement weist zudem mindestens einen Dehnungsmessstreifen zur Messung einer mechanischen
Spannung des elastischen Übertragungselementes auf. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe und einen Roboterarm sowie ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes an dem erfindungsgemäßen elastischen
Übertragungselement.
In dem Artikel von Hashimoto, M. et al. :„A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives” in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben. Zur Messung dienen Dehnungsmessstreifen, welche auf einem elastischen
Übertragungselement des Spannungswellengetriebes angeordnet sind.
Der Artikel von Taghirad, Hamid D. et al.:“Intelligent built-in torque sensor for harmonic drive Systems” in Proceedings of IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Sensing, Processing, Networking, Mai 1997, und die
Dissertation von Taghirad, Hamid D.:„Robust torque control of harmonic drive
Systems“, Department of Electrical Engineering. McGill University, Montreal, 1997, zeigen einen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes in einem
Spannungswellengetriebe. Es wird ein Kalman-Filter angewendet, um hochfrequente Messsignalanteile zu eliminieren.
Die DE 10 2004 041 394 A1 zeigt eine Wellengetriebevorrichtung mit einem
Drehmomentdetektionsmechanismus, welcher auf einem flexiblen Außenzahnrad mehrere Dehnungsmesser mit Widerstandsdrahtbereichen umfasst, die über
Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen sind.
Die JP 2000320622 A zeigt ein Wellengetriebe mit einem
Drehmomentsensormechanismus, welcher an einem flexiblen Außenzahnrad einen Dehnungsmessstreifen umfasst, der über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen ist.
Die US 2004/0079174 A1 lehrt eine Drehmomentdetektionsvorrichtung für ein
Wellengetriebe mit einer Dehnungsmesseinheit, welche ein
Dehnungsmesseinrichtungsmuster aufweist. Das Dehnungsmesseinrichtungsmuster umfasst kreisbogenförmige Detektionssegmente A und B sowie drei
Anschlussbereiche für eine externe Verdrahtung, von denen der eine zwischen den Detektionssegmenten ausgebildet ist und die anderen an den entgegengesetzten Enden derselben ausgebildet sind.
Die JP 2016-045055 A zeigt die Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke mit Dehnungsmesstreifen auf einer rotierenden Welle eines Wellgetriebes.
Aus der US 6,840,118 B2 ist ein Drehmoment-Messverfahren zum Messen eines in einer Wellengetriebevorrichtung übertragenen Drehmomentes bekannt. In der
Wellengetriebevorrichtung steht ein flexibles, kreisförmiges Außenverzahnungsrad teilweise im Eingriff mit einem starren Innenverzahnungsrad. Auf der Oberfläche des flexiblen Außenverzahnungsrades sind mehrere Sätze von Dehnungsfühlern befestigt.
Die CN 105698992 A betrifft ein hochgenaues Wellgetriebe mit einem eingebauten Drehmomentsensor. Der Drehmomentsensor umfasst u. a. eine Wheatstonesche Halbbrücke.
Die RU 2 615 719 C1 lehrt ein Wellgetriebe, welches zur Messung eines
Drehmomentes ausgebildet ist. Die WO 2010/142318 A1 zeigt ein Gerät zur Messung eines Drehmomentes in einem Wellgetriebe. Das Gerät umfasst mindestens einen Sensor zur Messung von Kräften zwischen einem Außenring mit Innenverzahnung und einem Gehäuse.
In der JP 6320885 B2 ist ein Drehmomentdetektionselement beschrieben, welches mehrere Dehnungsmessstreifen umfasst, die eine Wheatstonsche Brücke bilden. Die Dehnungsmessstreifen sind in Form eines musterartigen metallischen Filmes auf einer Oberfläche einer flexiblen folienartigen Isolierung angeordnet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Messung eines
Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe führen zu einem
Drehmomentsignal, welches von der Drehposition des Wellengenerators abhängig und gestört ist. Der in Bezug auf das elastische Übertragungselement rotierende Wellengenerator weitet das elastische Übertragungselement partiell auf und überlagert somit die durch das Drehmoment verursachten Scherdehnungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Messung einer mechanischen Beanspruchung in einem
Spannungswellengetriebe zu ermöglichen, welche unabhängig von der Drehposition des Wellengenerators ist.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein elastisches Übertragungselement gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Spannungswellengetriebe gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 8, durch einen Roboterarm gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement bildet eine
drehmomentübertragende Komponente eines Spannungswellengetriebes. Das Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonie Drive, Wellgetriebe,
Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Das elastische
Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet werden und ist bevorzugt durch eine Kragenhülse gebildet. Das elastische Übertragungselement ist bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmomentes ausgebildet.
Das elastische Übertragungselement weist eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des
Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung und die
Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die bevorzugt zwei beträgt.
Auf dem elastischen Übertragungselement ist mindestens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet, welcher zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes dient. Der mindestens eine Dehnungsmessstreifen dient bevorzugt zur Messung eines Drehmomentes, welches auf das elastische
Übertragungselement wirkt.
Erfindungsgemäß erstreckt sich der eine Dehnungsmessstreifen bzw. erstrecken sich die mehreren Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit auf einem
Umfang des elastischen Übertragungselementes. Bei dem Umfang kann es sich um einen axial innen angeordneten Umfang oder um einen axial seitlich angeordneten Umfang handeln. Der Umfang kann auf einer äußeren oder inneren Mantelfläche oder auf einer axialen Seitenfläche des elastischen Übertragungselementes angeordnet sein. Der Umfang umschließt zumindest einen radial inneren Abschnitt des
elastischen Übertragungselementes. Der Umfang umschließt bevorzugt zumindest einen radial inneren Hohlraum des hohl ausgebildeten elastischen
Übertragungselementes. Der eine Dehnungsmessstreifen bzw. die mehreren
Dehnungsmessstreifen erstrecken sich zumindest in ihrer Gesamtheit vollständig um und über diesen Umfang des elastischen Übertragungselementes. Somit umschließt der eine Dehnungsmessstreifen bzw. umschließen die mehreren
Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit eine Achse des elastischen Übertragungselementes, in welcher das elastische Übertragungselement ein
Drehmoment überträgt. Bevorzugt erstreckt sich der eine Dehnungsmessstreifen bzw. erstrecken sich die mehreren Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit entlang eines Kreises, welcher konzentrisch und senkrecht zu der Achse des elastischen Übertragungselementes angeordnet ist. Bevorzugt erstreckt sich der eine Dehnungsmessstreifen bzw. erstrecken sich die mehreren Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit geschlossen auf dem Umfang des elastischen
Übertragungselementes, wobei allenfalls nicht mehr als technisch unvermeidbare Spalte zwischen den Dehnungsmessstreifen verbleiben. Die sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position auf.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungselementes besteht darin, dass durch eine aufwandsarm zu realisierende veränderte Anordnung des mindestens einen Dehnungsmessstreifens Störanregungen, welche durch einen rotierenden Wellengenerator des Spannungswellengetriebes verursacht werden, eliminiert werden. Werden diese Störanregungen über den Umfang des elastischen
Übertragungselementes erfasst, so ergibt sich ein wellenförmiger Verlauf der
Störanregung. Diese Störanregungen werden erfindungsgemäß dadurch eliminiert, dass die Dehnungen des mindestens einen Dehnungsmessstreifens über einen gesamten Umfang des elastischen Übertragungselementes integriert werden. Diese Integration kann umfänglich auf einen zylindrischen Bereich oder/und umfänglich auf einem kreisringförmigen Flanschbereich des elastischen Übertragungselementes erfolgen. Erfindungsgemäß gibt der einzelne Dehnungsmessstreifen bzw. geben die mehreren Dehnungsmessstreifen in der Summe ein Signal aus, welches dem Integral bzw. Mittelwert der Dehnung über den Umfang entspricht. Dieses Signal ist dann unabhängig von der Drehposition des rotierenden Wellengenerators und somit von dessen störenden Einflüssen befreit.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen
Übertragungselementes bildet der mindestens eine Dehnungsmessstreifen eine Komponente eines Drehmomentsensors. Der Drehmomentsensor dient zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes. Der mindestens eine Dehnungsmessstreifen ist über elektrische Verbindungen mit einer Messsignalverarbeitungseinheit des Drehmomentsensors verbunden. Die
Messsignalverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt Messsignalverstärker, Messsignaladditionseinheiten, Messsignalinverter, analoge Filter, digitale Filter, AD-Wandler, einen Mikroprozessor und Datenspeicher.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen
Übertragungselementes sind mehrere der Dehnungsmessstreifen auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet, die sich in ihrer Gesamtheit um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstrecken. Die mehreren Dehnungsmessstreifen umschließen in ihrer Gesamtheit diesen Umfang des elastischen
Übertragungselementes vollständig.
Das elastische Übertragungselement umfasst bevorzugt einen hohlzylinderförmigen Teil und einen sich in axialer Richtung daran anschließenden kreisring- bzw.
scheibenförmigen Teil. Der hohlzylinderförmige Teil weist bevorzugt die Form einer Büchse auf. Auf dem hohlzylinderförmigen Teil ist die Außenverzahnung ausgebildet. Der kreisringförmige Teil weist bevorzugt die Form eines Kragens oder eines
Flansches auf. Entsprechend weist das elastische Übertragungselement die Form einer Kragenhülse auf. Der kreisringförmige Teil dient dazu, eine Welle an das
Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Welle zu übertragen. Der hohlzylinderförmige Teil und der kreisring- bzw. scheibenförmige Teil weisen eine gemeinsame Achse auf.
Ist der eine Dehnungsmessstreifen bzw. sind die mehreren Dehnungsmessstreifen auf einem Umfang auf dem die Mantelfläche aufweisenden hohlzylinderförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes angeordnet, so weist der eine
Dehnungsmessstreifen bzw. weisen die mehreren Dehnungsmessstreifen in ihrer Gesamtheit bevorzugt die Form eines Zylindermantels auf. Ist der eine
Dehnungsmessstreifen bzw. sind die mehreren Dehnungsmessstreifen auf einem seitlichen Umfang auf dem die axiale Seitenfläche bildenden kreisring- bzw.
scheibenförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes angeordnet, so weist der eine Dehnungsmessstreifen bzw. weisen die mehreren Dehnungsmessstreifen in ihrer Gesamtheit bevorzugt die Form eines Kreisringes auf. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes erstreckt auf mindestens zwei Umfängen des elastischen Übertragungselementes jeweils mindestens ein Dehnungsmesstreifen. Es sind somit mindestens zwei umfängliche Messungen möglich. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich eine erste Teilmenge der mehreren Dehnungsmessstreifen um einen Umfang des elastischen Übertragungselementes und es erstreckt sich eine zweite Teilmenge der mehreren Dehnungsmessstreifen um einen Umfang des elastischen Übertragungselementes. Die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge der mehreren Dehnungsmessstreifen können sich jeweils auf dem hohlzylinderförmigen Teil oder auf dem kreisringförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes erstrecken, oder sie können sich gemeinsam auf dem hohlzylinderförmigen Teil oder auf dem kreisringförmigen Teil des elastischen Übertragungselementes erstrecken. Somit weisen die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge der mehreren
Dehnungsmessstreifen jeweils die Form eines Zylindermantels bzw. eines Kreisringes auf. Die Formen des Zylindermantels bzw. des Kreisringes sind bevorzugt koaxial bzw. konzentrisch angeordnet.
Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes mit mehreren der sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen sind diese Dehnungsmessstreifen bevorzugt um den Umfang des elastischen Übertragungselementes gleichverteilt angeordnet. Folglich weisen diese Dehnungsmessstreifen einen gleichen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse des elastischen Übertragungselementes auf.
Die Anzahl der mehreren sich um den Umfang des elastischen
Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen beträgt bevorzugt vier oder ein Mehrfaches von vier. Entsprechend betragen die Mittelpunktswinkel der Dehnungsmessstreifen jeweils 90° bzw. 360 (4 n).
Die mehreren sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen bilden bevorzugt eine Wheatstonesche Brücke. Hierfür sind die Dehnungsmessstreifen entsprechend elektrisch verschaltet, wobei die Verschaltung als Vollbrücke oder auch als Flalbbrücke ausgeführt sein kann. Bevorzugt sind die vier Dehnungsmessstreifen bzw. jeweils vier der
Dehnungsmessstreifen als Wheatstonesche Brücke verschaltet.
Alternativ bevorzugt beträgt die Anzahl der mehreren sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen zwei oder ein Mehrfaches von zwei. Bevorzugt sind die zwei Dehnungsmessstreifen bzw. jeweils zwei der Dehnungsmessstreifen als Wheatstonesche Halbbrücke verschaltet.
Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe weist einen Wellengenerator auf, welcher eine elliptische Scheibe und bevorzugt einen verformbarem Laufring umfasst. Die elliptische Scheibe besteht bevorzugt aus einem Stahl und bildet bevorzugt einen Antrieb des Spannungswellengetriebes. Das Spannungswellengetriebe umfasst weiterhin einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung. Der Außenring ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet und wird auch als Circular Spline bezeichnet. Das Spannungswellengetriebe umfasst zudem das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement. Das Spannungswellengetriebe umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Im Übrigen weist das Spannungswellengetriebe bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Übertragungselement beschrieben sind.
Der erfindungsgemäße Roboterarm umfasst mindestens ein antreibbares
Armelement, welches über das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe angekoppelt ist. Das mindestens eine antreibbare Armelement ist bevorzugt über eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Spannungswellengetriebes angekoppelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen eines Drehmomentes an dem erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselement eines
Spannungswellengetriebes. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zum Messen eines Drehmomentes an einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes, bei welcher sich mehrere der Dehnungsmessstreifen in ihrer Gesamtheit um einen Umfang des elastischen Übertragungselementes erstrecken. An jedem der Dehnungsmessstreifen wird ein Signal abgegriffen. Erfindungsgemäß wird eine lineare Kombination dieser Signale gebildet, um Störanregungen, welche durch den rotierenden Wellengenerator des Spannungswellengetriebes verursacht werden, zu eliminieren. Diese lineare
Kombination der Signale ist bevorzugt durch eine Summe der Signale gebildet. Die lineare Kombination der Signale ist proportional zum Drehmoment.
Das Verfahren ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, eine Drehposition des Wellengenerators ausgehend von den Signalen der einzelnen Dehnungsmessstreifen zu bestimmen. Die ermittelte Drehposition wird bevorzugt für eine Korrektur von Störeinflüssen, welche insbesondere aus Bauteiltoleranzen resultieren, verwendet. Zudem wird bevorzugt eine Drehgeschwindigkeit des Wellengenerators ausgehend von der ermittelten Drehposition bestimmt. Dies ist vorteilhaft, da die Signale der Dehnungsmessstreifen insbesondere bei einer hohen Drehzahl des Wellengenerators von der Drehgeschwindigkeit des Wellengenerators abhängig sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
elastischen Übertragungselementes;
Fig. 2 einen Schaltplan einer Verschaltung von in Fig. 1 gezeigten
Dehnungsmessstreifen;
Fig. 3 einen Schaltplan einer alternativen Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten
Dehnungsmessstreifen;
Fig. 4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elastischen Übertragungselementes;
Fig. 5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elastischen Übertragungselementes; Fig. 6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes; und
Fig. 7 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elastischen Übertragungselementes.
Fig. 1 zeigt ein eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes eines Spannungswellengetriebes. Das elastische Übertragungselement, welches auch als Flexspline bezeichnet wird, besitzt die Form einer Kragenhülse, sodass es einen büchsenförmigen Abschnitt 01 und einen sich daran anschließenden kreisring- bzw. flanschförmigen Abschnitt 02 aufweist. Auf dem büchsenförmigen Abschnitt 01 ist eine Außenverzahnung 03 (gezeigt in Fig. 6) ausgebildet, welche in eine Innenverzahnung (nicht gezeigt) eines Außenringes des Spannungswellengetriebes eingreift.
Bei dieser ersten Ausführungsform sind auf dem kreisringförmigen Abschnitt 02 des elastischen Übertragungselementes vier Dehnungsmessstreifen 04 angeordnet, welche sich gemeinsam vollständig umfänglich um das elastische
Übertragungselement erstrecken. Die vier Dehnungsmessstreifen 04 bilden einen geschlossenen Umfang an einer axialen Seitenfläche des elastischen
Übertragungselementes. Da die vier Dehnungsmessstreifen 04 bei dieser ersten Ausführungsform seitlich auf dem kreisringförmigen Abschnitt 02 des elastischen Übertragungselementes angeordnet sind, weisen sie gemeinsam die Form eines Kreisringes auf, wobei jedes der vier Dehnungsmessstreifen 04 die Form eines Kreisringsegmentes besitzt.
Ein erster Dehnungsmessstreifen 11 der vier Dehnungsmessstreifen 04, ein zweiter Dehnungsmessstreifen 12 der vier Dehnungsmessstreifen 04, ein dritter
Dehnungsmessstreifen 13 der vier Dehnungsmessstreifen 04 und ein vierter
Dehnungsmessstreifen 14 der vier Dehnungsmessstreifen 04 weisen jeweils einen Mittelpunktswinkel von 90° auf, da die vier Dehnungsmessstreifen 04 umfänglich gleichverteilt auf dem kreisringförmigen Abschnitt 02 des elastischen
Übertragungselementes angeordnet sind. Mögliche elektrische Verschaltungen der vier Dehnungsmessstreifen 04 sind in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.
Fig. 2 zeigt einen Schaltplan einer Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten
Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14. Die vier Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14 sind als Wheatstonesche Brücke, insbesondere als eine Vollbrücke linear verschaltet.
Fig. 3 zeigt einen Schaltplan einer alternativen Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14. Die vier Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14 sind als Wheatstonesche Brücke, insbesondere als eine Vollbrücke kreuzweise verschaltet.
Alternativ können die vier Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14 als
Wheatstonesche Brücke in Flalbbrückenschaltung verschaltet sein, wobei der erste Dehnungsmessstreifen 11 und der zweite Dehnungsmessstreifen 12 eine erste Flalbbrücke bilden und wobei der dritte Dehnungsmessstreifen 13 und der vierte Dehnungsmessstreifen 14 eine zweite Flalbbrücke bilden.
Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Diese zweite bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser darin, dass sie acht statt vier der Dehnungsmessstreifen 04 umfasst. Die acht Dehnungsmessstreifen 04 erstrecken sich gemeinsam vollständig umfänglich um das elastische Übertragungselement.
Die acht Dehnungsmessstreifen 04 umfassen neben dem ersten
Dehnungsmessstreifen 11 , dem zweiten Dehnungsmessstreifen 12, dem dritten Dehnungsmessstreifen 13 und dem vierten Dehnungsmessstreifen 14 einen fünften Dehnungsmessstreifen 15, einen sechsten Dehnungsmessstreifen 16, einen siebenten Dehnungsmessstreifen 17 und einen achten Dehnungsmessstreifen 18. Die acht Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 sind bevorzugt als Wheatstonesche Brücke in Halbbrückenverschaltung verschaltet, wobei der erste Dehnungsmessstreifen 11 und der zweite Dehnungsmessstreifen 12 eine erste Halbbrücke bilden, wobei der dritte Dehnungsmessstreifen 13 und der vierte
Dehnungsmessstreifen 14 eine zweite Halbbrücke bilden, wobei der fünfte
Dehnungsmessstreifen 15 und der sechste Dehnungsmessstreifen 16 eine dritte Halbbrücke bilden, und wobei der siebente Dehnungsmessstreifen 17 und der achte Dehnungsmessstreifen 18 eine vierte Halbbrücke bilden.
Fig. 5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Diese dritte bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 4 gezeigten zweiten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser darin, dass sie nochmals acht der Dehnungsmessstreifen 04 umfasst. Die weiteren acht Dehnungsmessstreifen 04 erstrecken sich ebenfalls gemeinsam vollständig umfänglich um das elastische Übertragungselement und weisen gemeinsam die Form eines Kreisringes auf, welcher größer als der durch die ersten acht Dehnungsmessstreifen 04; 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 gebildete Kreisring ist, wobei die beiden Kreisringe konzentrisch und an einer gleichen axialen Position angeordnet sind.
Die zwei mal acht Dehnungsmessstreifen 04 umfassen neben dem ersten
Dehnungsmessstreifen 11 , dem zweiten Dehnungsmessstreifen 12, dem dritten Dehnungsmessstreifen 13, dem vierten Dehnungsmessstreifen 14, dem fünften Dehnungsmessstreifen 15, dem sechsten Dehnungsmessstreifen 16, dem siebenten Dehnungsmessstreifen 17 und dem achten Dehnungsmessstreifen 18 einen neunten Dehnungsmessstreifen 19, einen zehnten Dehnungsmessstreifen 20, einen elften Dehnungsmessstreifen 21 , einen zwölften Dehnungsmessstreifen 22, einen dreizehnten Dehnungsmessstreifen 23, einen vierzehnten Dehnungsmessstreifen 24, einen fünfzehnten Dehnungsmessstreifen 25 und einen sechszehnten
Dehnungsmessstreifen 26.
Die zwei mal acht Dehnungsmessstreifen 04 erlauben eine redundante Messung. Fig. 6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Diese vierte bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser darin, dass die vier Dehnungsmessstreifen 04 auf dem büchsenförmigen Abschnitt 01 des elastischen Übertragungselementes angeordnet sind. Entsprechend weisen die vier Dehnungsmessstreifen 04 gemeinsam die Form eines Zylindermantels auf.
Fig. 7 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Diese fünfte bevorzugte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 4 gezeigten zweiten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser darin, dass sie vier weitere Dehnungsmessstreifen 04; 19, 20, 22 auf dem büchsenförmigen Abschnitt 01 des elastischen Übertragungselementes wie die in Fig. 6 gezeigte vierte Ausführungsform umfasst. Somit umfasst die gezeigte fünfte Ausführungsform sowohl auf dem büchsenförmigen Abschnitt 01 des elastischen Übertragungselementes, als auch auf dem kreisringförmigen Abschnitt 02 des elastischen Übertragungselementes jeweils sich gemeinsam vollständig umfänglich erstreckende Dehnungsmessstreifen 04.
Bezuqszeichenliste büchsenförmiger Abschnitt
kreisringförmiger Abschnitt
Außenverzahnung
Dehnungsmessstreifen
- - - - - erster Dehnungsmessstreifen
zweiter Dehnungsmessstreifen
dritter Dehnungsmessstreifen
vierter Dehnungsmessstreifen
fünfter Dehnungsmessstreifen
sechster Dehnungsmessstreifen
siebenter Dehnungsmessstreifen
achter Dehnungsmessstreifen
neunter Dehnungsmessstreifen
zehnter Dehnungsmessstreifen
elfter Dehnungsmessstreifen
zwölfter Dehnungsmessstreifen
dreizehnter Dehnungsmessstreifen
vierzehnter Dehnungsmessstreifen
fünfzehnter Dehnungsmessstreifen 26 sechszehnter Dehnungsmessstreifen

Claims

Patentansprüche
1. Elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes, wobei auf dem elastischen Übertragungselement eine Außenverzahnung (03) ausgebildet ist, und wobei auf dem elastischen Übertragungselement mindestens ein
Dehnungsmessstreifen (04) zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der eine Dehnungsmessstreifen (04) oder die mehreren
Dehnungsmessstreifen (04) zumindest in ihrer Gesamtheit um einen Umfang auf einer Mantelfläche oder einer axialen Seitenfläche des elastischen
Übertragungselementes erstrecken.
2. Elastisches Übertragungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es einen hohlzylinderförmigen Teil (01 ) und einen sich an den
hohlzylinderförmigen Teil (01 ) in axialer Richtung anschließenden
kreisringförmigen Teil (02) umfasst.
3. Elastisches Übertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der eine Dehnungsmessstreifen (04) oder die mehreren Dehnungsmessstreifen (04) in ihrer Gesamtheit die Form eines Kreisringes oder eines Zylindermantels aufweisen.
4. Elastisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erste Teilmenge (11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) der mehreren Dehnungsmessstreifen (04) um einen Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckt und dass sich eine zweite Teilmenge (19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26) der mehreren Dehnungsmessstreifen (04) um einen Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckt.
5. Elastisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der mehreren sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen (04) vier oder ein Mehrfaches von vier beträgt.
6. Elastisches Übertragungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (11 , 12, 13, 14; 15, 16, 17, 18; 19, 20, 21 , 22; 23, 24, 25, 26) eine Wheatstonesche Brücke bilden.
7. Elastisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der mehreren sich um den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen (04) zwei beträgt, wobei die zwei Dehnungsmessstreifen (04) eine Wheatstonesche Halbbrücke bilden.
8. Spannungswellengetriebe, mit einem eine elliptische Scheibe umfassenden
Wellengenerator, einem starren eine Innenverzahnung aufweisenden Außenring und einem elastischen Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Roboterarm mit mindestens einem antreibbaren Armelement, welches über ein Spannungswellengetriebe nach Anspruch 8 angekoppelt ist.
10. Verfahren zum Messen eines Drehmomentes an einem elastischen
Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine lineare Kombination von Signalen der mehreren sich über den Umfang des elastischen Übertragungselementes erstreckenden Dehnungsmessstreifen (04) gebildet wird.
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