WO2020192993A1 - Mechanisches überlast-schaltwerk - Google Patents

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WO2020192993A1
WO2020192993A1 PCT/EP2020/052964 EP2020052964W WO2020192993A1 WO 2020192993 A1 WO2020192993 A1 WO 2020192993A1 EP 2020052964 W EP2020052964 W EP 2020052964W WO 2020192993 A1 WO2020192993 A1 WO 2020192993A1
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WO
WIPO (PCT)
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force
transmission
spring means
switching mechanism
rocker
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/052964
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Riedel
Jannes LERF
Original Assignee
Kuka Deutschland Gmbh
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Publication date
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Priority to DE212020000561.3U priority patent/DE212020000561U1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/06—Safety devices
    • B25J19/063—Safety devices working only upon contact with an outside object
    • B25J19/065—Mechanical fuse
    • 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
    • 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
    • F16H35/00—Gearings or mechanisms with other special functional features
    • F16H35/10—Arrangements or devices for absorbing overload or preventing damage by overload
    • 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
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D43/00—Automatic clutches
    • F16D43/02—Automatic clutches actuated entirely mechanically
    • F16D43/20—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by torque, e.g. overload-release clutches, slip-clutches with means by which torque varies the clutching pressure
    • F16D43/202—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by torque, e.g. overload-release clutches, slip-clutches with means by which torque varies the clutching pressure of the ratchet type

Definitions

  • the invention relates to a mechanical overload switching mechanism for separating the transmission of a force and / or a moment between a first
  • Transmission element cooperating second transmission element in a drive train
  • the arm assembly being a screw element
  • Gear member engaged with the worm member and including an arm member, wherein the worm member is rotatable to drive the gear member and move the arm member, and wherein the worm member is between a first position in which the worm member is rotatable to drive the gear member, and a second position in which relative movement between the screw element and the gear element is prevented, further comprising a pneumatic cylinder for moving the screw element between the first position and the second position, the screw element being held on a platform which is movable by said pneumatic cylinder and wherein said platform is supported over a base and is pivotable or rotatable relative thereto.
  • the object of the invention is to create a mechanical overload switching mechanism which switches reliably into its released state even under high transmission loads and reliably remains in the released state after it has been released.
  • the object is achieved according to the invention by a mechanical overload switching mechanism for separating the transmission of a force and / or a moment between a first transmission element and a second which interacts with the first transmission element in the state of transmission
  • Transmission link in a drive train comprising a first
  • Transfer member superimposed switching element which is adjustably mounted in a frame is adjustable from a first stable position by a
  • first spring means and a second spring means working at least partially against the first spring means are maintained and in which the first transmission member to transmit the force and / or the moment interacts with the second transmission member, in the event of an overload, either in a second stable position, in which the switching element is moved in when a maximum force or a maximum torque is exceeded during the transmission of the force and / or the moment by the first spring means, or into a third stable position in which the switching element is moved in when an opposite maximum force or a
  • the mechanical overload switching mechanism is designed in particular to monitor the transmitted force or the forces and / or the transmitted torque or the torques within a drive train, whether they exceed a predefined maximum force or a maximum torque. If the respective force exceeds the predefined maximum force or the respective torque exceeds the predefined maximum torque, the mechanical overload switching mechanism disconnects the drive train so that a transmission is interrupted, i.e. no more force and / or torque can be transmitted via the drive train via the mechanical overload switching mechanism.
  • the mechanical overload switching mechanism is set up to work purely mechanically, i.e. the mechanical overload switching mechanism is designed to work without an energy supply external to the mechanical overload switching mechanism, such as an electrical, hydraulic or pneumatic energy supply.
  • the mechanical overload switching mechanism is actuated solely by the force or torque transmitted through the drive train, i.e. the switching element moves.
  • Mechanical spring means control and / or support the switching processes of the switching element or define them by their positions, positions and / or
  • the drive train can have a push rod via which, in the simplest case, only a single tensile force and / or pressure force is transmitted.
  • the drive train can have a lever, via which in the simplest case only a single lever
  • Drive train have a shaft, for example a shaft in one
  • the first transmission member and the second transmission member can be, for example, only two interlocking claws that switch a clutch, frictionally interacting friction elements, or in the case of a gearbox, for example, two gearwheels meshing with one another in an engaged state.
  • the switching element can thus either be a slide switch or a rocker switch.
  • the switching element would be at least essentially translatory, i.e. move linearly and in the case of a rocker switch, the switching element would at least essentially rotate in this respect, i.e. move rotating.
  • the switching element can optionally also be a
  • the first transmission element In the first stable position of the switching element, the first transmission element is in operative connection with the second transmission element, in particular in a non-positive and / or positive engagement, so that at least one force and / or at least one torque is transmitted via the drive train.
  • the transmitted force and / or the transmitted torque has an amount that is smaller than the specified maximum force or the specified maximum torque.
  • the mechanical overload switching mechanism assumes the second stable position when the triggering maximum force moving the actuator or the triggering maximum torque acts in one direction and the mechanical overload switching mechanism assumes the third stable position when the triggering maximum force moving the actuator or the triggering maximum torque acts in the other, ie opposite, direction.
  • the first spring means and the second spring means are designed to hold the actuator in the first stable position, to hold it in the second stable position or to hold it in the third stable position, depending on the force or moment acting.
  • both the first spring means and the second spring means act on the actuator in order to keep the actuator in the first stable position by antagonistic spring means when the transmitted force is less than the maximum force and / or that transmitted torque is smaller than the maximum torque.
  • Spring means to hold the actuator in the second stable position when the maximum force and / or the maximum torque has triggered the actuator. In the second stable position, the second spring means preferably has no effect on the actuator.
  • Spring means to hold the actuator in the third stable position when the opposite maximum force and / or the opposite maximum torque the actuator has triggered.
  • the first spring means preferably has no effect on the actuator.
  • the frame forms a bearing seat for the movable actuator.
  • the frame is preferably rigidly coupled with spring seats on which the first spring means and the second spring means are supported, namely an opposite side of the first spring means and the second spring means from the side with which the first spring means and the second spring means to the Actuator is coupled.
  • the frame can be a housing of a machine or the
  • the frame is a housing part of a robot arm.
  • the switching element can be designed as a rocker switch by the
  • Switching element is mounted in the frame by means of a four-bar arrangement, the switching element having a first swivel joint on which a first end section of a first rocker is pivotably mounted, the frame a second
  • the switching element has a third swivel joint on which a first end portion of a second rocker is pivotably mounted
  • the frame has a fourth swivel joint on which a second end portion of the second rocker is pivotably mounted
  • the switching member also has a first spring application point at which the first spring means to the
  • Switching member is coupled and has a second spring application point at which the second spring means is coupled to the switching member.
  • the four-bar arrangement thus forms a coupling gear with four
  • Solid limbs that are connected by four swivel joints.
  • a first solid member is formed by the frame in this coupling gear
  • a (opposite) second solid member is formed by the switching member, in particular the rocker switch
  • the third solid member is formed by the first rocker
  • the fourth solid member is formed by the second rocker.
  • the four-bar arrangement is a planar coupling mechanism in that the axes of rotation of the four swivel joints are aligned parallel to one another.
  • Switching element i.e. the rocker switch.
  • the first are
  • Swing arm and the second swing arm are the same length.
  • the first spring means and the second spring means are preferably arranged symmetrically and / or embodied identically, in particular the first spring means and the second spring means have the same spring characteristics, in particular spring stiffness.
  • Positions and spacings of the first swivel joint, the second swivel joint, the third swivel joint and the fourth swivel joint can thus form a trapezoidal joint coupling arrangement, which of one of the second
  • Transmission element on the opposite side of the switching element holding the switching element in the first stable position of the overload switching mechanism when the articulated coupling arrangement forms a symmetrical trapezoid.
  • the distance between the two swivel joints on the rocker switch i.e. the distance between the first swivel joint and the third swivel joint is in particular smaller than the distance between the two swivel joints on the frame, i.e. the distance between the second pivot and the fourth pivot.
  • the four-bar arrangement is arranged in particular on the rocker switch opposite the area of engagement of the first transmission element with the second transmission element.
  • Articulated coupling arrangement can be formed, in the decoupling point of the rocker switch, in which the first transmission element is completely disengaged from the second transmission element when the overload switching mechanism swings from the first stable position to the second stable position, the first swivel joint via a connecting line between the second Swivel joint and the fourth swivel joint crosses over, so that the first swivel joint lies opposite the third swivel joint with respect to the connecting line, and in the Decoupling point of the rocker switch, in which the first transmission element is completely disengaged from the second transmission element when the overload switching mechanism swivels from the first stable position to the third stable position, the third swivel joint crosses over a connecting line between the second swivel joint and the fourth swivel joint , so that the third swivel joint lies opposite the first swivel joint with respect to the connecting line.
  • the first spring engagement point and the second spring engagement point of the four-bar arrangement can be arranged opposite one another on the rocker switch, namely in terms of position and distance, as well as in terms of the
  • the four-joint arrangement can generally also be implemented using a solid-state joint arrangement instead of a multi-part mechanical framework in an analogous application.
  • the solid-state hinge arrangement can be in one piece.
  • the solid-state joint arrangement can in particular be formed by a correspondingly shaped, flexible body, such as a rubber body or an elastomer body.
  • the first transmission element mounted on the switching element can be driven by means of a motor which is arranged on the switching element, so that the motor together with the first transmission element during a switching movement of the switching element is moved.
  • the engine is used to generate a
  • Transmission link is initiated in order to control the drive train
  • the motor can in particular be an electric motor.
  • the motor can be a drive within a
  • the first transmission member can be a first gear, in particular a
  • the drive gear of a transmission and the second transmission element can be a second gear, in particular an output gear, of the transmission, in which transmission the overload switching mechanism is integrated.
  • the gearbox can be part of a robot arm.
  • the transmission can form part of a drive train for moving a joint of the robot arm.
  • the gear can be designed as a worm gear or the gear can have a worm gear stage, wherein the first transmission member by a worm of the worm gear or the worm gear stage and the second transmission member by one with the worm
  • the first transmission element can also be a first coupling element of a disengageable clutch and the second transmission element can be connected to the first coupling element
  • the overload switching mechanism can be a component in the drive train, in particular in a transmission or a coupling of a drive of a joint in a robot arm.
  • the first transmission element can be formed by a worm of a worm gear.
  • the second transmission member can be designed as a worm wheel.
  • the frame can, for example, be a housing of the robot arm.
  • the switching element can be formed by a rocker switch on which the worm is rotatably mounted about its worm axis.
  • the first spring means can be formed by a first compression spring and the second
  • Spring means can be formed by a second compression spring.
  • the compression spring and / or the second compression spring can in particular each be designed as at least one spring coil or as at least one elastomer spring body.
  • the mechanical overload switching mechanism can have a force sensor, in particular a load cell, which is designed and / or set up to detect an axial force on the bearing arrangement of the shaft that carries the worm.
  • the force flow is represented as follows: it runs from the worm wheel over the worm into the bearing of the worm and from there into a cover of the force sensor or the load cell and after the force sensor or the load cell, for example, over a cover plate and a
  • the worm can be preloaded with half the measuring range.
  • two springs for example two disc springs
  • the bearing is implemented, for example, using angular contact ball bearings.
  • plain bearings with a collar or deep groove ball bearings can also be used. If the axial force now acts in the direction of the springs, the force acting on the force sensor or the load cell decreases. If, on the other hand, the axial force acts in the other direction, the force sensor or the load cell is more heavily loaded. In order to infer the torque, the axial force is multiplied by the radius of the effective circle of the worm wheel.
  • the object is also achieved by a method for load interruption in a drive train of a joint drive, in particular a joint of a
  • Robotic arm comprising the step of separating the transmission of a force and / or a moment between a first transmission element and a second transmission element in a drive train which interacts with the first transmission element in the state of transmission, with one being the first transmission element and the second in a first stable position Transmission element separating and / or coupling switching element, a transmission of the force and / or torque takes place, the switching element is moved into a second stable position in the event of an overload, depending on when a
  • the switching element in the event of an overload, can either be moved into the second stable position by a pretensioned first spring force, if a maximum force or a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a drive train with a mechanical overload switching mechanism according to the invention
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of an exemplary worm gear with a specific embodiment of a mechanical overload switching mechanism according to the invention
  • FIG. 11 shows a side view of the overload switching mechanism in an end position of the overload switching mechanism disengaged in the opposite direction to that of FIG. 10,
  • FIG. 12 shows three representations of coupling curves with the spring application point on the coupling carrier in the different areas in the phases
  • FIG. 13 shows a sectional representation of the overload switching mechanism with a load cell.
  • Fig. 1 shows a robot, a robot arm 7 and a
  • the robot arm 7 includes in the case of
  • the links 22 are in particular a base frame 23 and a carousel 24 which is rotatably mounted relative to the base frame 23 about a vertically running axis of rotation A1
  • Rocker 25 is at the lower end e.g. on a not shown
  • Swing arm bearing head mounted on the carousel 24 so as to be pivotable about a preferably horizontal axis of rotation A2.
  • At the upper end of the rocker arm 25 is in turn about a likewise preferably horizontal axis of rotation A3
  • Arm extension 26 pivotably mounted. This end carries the robot hand 27 with its preferably three axes of rotation A4, A5, A6.
  • the arm extension 26 has a base arm 29 pivotably mounted on the rocker arm 25.
  • a forearm 30 of the arm extension 26 is mounted on the base arm 29 so that it can rotate about the axis of rotation A4.
  • further links of the robot arm 7 are, in addition to the base frame 23, the carousel 24, the rocker 25 and the base arm 29, as well as the links 22 of the preferably multi-axis robot hand 17 with a fastening device designed as a connecting flange 28 for
  • Fig. 2 shows schematically a general, inventive mechanical overload switching mechanism 1 for separating the transmission of a force and / or a torque, generated by a motor 11, between a first
  • FIGS. 3 to 13 describe the structural design of a specific example of a mechanical overload switching mechanism 1 according to the invention.
  • the first transmission member 2 is formed by a worm 2 a of a worm gear 3.
  • the second transmission member 4 is designed as a worm wheel 4a.
  • the frame 5 can be, for example, a housing 6 of a robot arm 7.
  • the switching element 8 is formed by a switching rocker 8a on which the worm 2a is rotatably mounted about its worm axis.
  • Spring means 9 is formed by a first compression spring 9a and the second
  • Spring means 10 is formed by a second compression spring 10a.
  • the overload switching mechanism 1 either switches to a second stable position according to FIG. 10, in which the rocker switch 8a at
  • the worm 2a is set in motion on the drive side, for example as shown in FIG. 3, via an electric motor 11 with an upstream gear unit 12.
  • an electric motor 11 with an upstream gear unit 12.
  • a brushless motor for example, a brushless motor
  • DC motor used with a maximum speed of 32000 revolutions per minute. To reduce the speed is a two-stage
  • the safety function is preferably implemented via a four-joint structure.
  • the two rockers 13.1 and 13.2 form the connection between the frame 5 or the robot structure and a coupling carrier, which also forms a screw holder and is the rocker switch 8a.
  • the coupling carrier, ie the rocker switch 8a is designed in such a way that it can be manufactured from plastic in a later series application using the cost-effective injection molding process. However, it is also possible to manufacture these from aluminum or other metals.
  • Coupling beam i.e. the rocker switch 8a serves as a carrier for the worm 2a and its storage as well as components described later for a force measurement.
  • the motor 11 is connected to the coupling support via a motor holder, i.e. the rocker switch 8a connected.
  • the axial forces caused by the screw engagement, as well as the torsional forces applied by the motor 11, thus act on the coupling carrier.
  • the coupling carrier must absorb the joint forces of the two rockers 13.1 and 13.2, which depending on the position of the
  • Coupling carrier train or pressure are claimed. Since the compressive forces tend to be higher, the coupling beam was designed in such a way that the joints are arranged in a joint socket and thus the forces are directed over the largest possible area and directly into the coupling beam.
  • Robot structure i.e. connected to the housing 6 and are compressed by the disengagement of the coupling carrier.
  • the geometric parameters of the four-joint structure follow from the
  • the size of the worm 2a and the worm wheel 4a and the installation space of the motor 11 are specified. This means that there must be sufficient freedom of rotation for the components.
  • the coupling girder has to be guided on its smooth outer surfaces in the plane, since the structure is a two-dimensional mechanism.
  • the motor 1 1 moves with it, since it is rigidly connected to the coupling carrier ie the rocker switch 8a. It is necessary to observe this freedom of movement for the motor 1 1 within the structure.
  • the installation space of the joint can be optimized.
  • a different pair of screws e.g. minimize the size by choosing a different gear ratio.
  • the two spring forces F1 and F2 can also be implemented as elastomer spring elements in this example, as is indicated in FIG. 3, for example.
  • the use of other types of springs is possible.
  • disk springs, compression springs or the elastic properties of the robot structure of the robot arm 7 can be used.
  • the mechanism of the overload switching mechanism 1 essentially comprises four elements, namely the two rockers 13.1 and 13.2, the coupling carrier ie the rocker switch 8a and the frame 5, which are connected via four swivel joints AO, A, B, BO so that the structure results in a non-rotating double rocker.
  • the rockers 13.1 and 13.2 form tension-compression bars during operation.
  • the coupling carrier ie the rocker switch 8a supports the worm 2a and the motor 11, as well as all of the associated
  • the frame 5 can correspond to a structural part of the robot arm 7 here.
  • the mechanism is constructed symmetrically and is located in the working point i.e. in the coupled state in the central position, as in FIG. 4
  • the kinematic points A and B support the coupling beam i.e. the rocker switch 8a and define the movement of the rockers 13.1 and 13.2
  • Coupling beam i.e. the rocker switch 8a and introduce all driving forces and torques into the frame 5 or structural part.
  • the kinematic contact point K is the point of engagement of the worm 2a in the worm wheel 4a.
  • the kinematic points U1 and U2 form force introduction points of the compression springs F1 and F2 on the coupling beam.
  • the kinematic points 11x1 and Ux2 form force introduction points of the
  • a striking virtual variable is the momentary pole P of the coupling beam.
  • This momentary pole P describes the momentary pivot point of the rocker switch 8a with respect to the frame 5. At this momentary pole P, the rocker switch 8a rests at the point in time and only rotates around it
  • the momentary center P results from the joint position and moves constantly on both relative to the frame 5 and relative to the rocker switch 8a (see in specialist literature Rastpol- und Gangpolbahn).
  • detent pole path p Another striking virtual variable is the detent pole path p.
  • the fixed to the frame 5 i.e. non-changeable detent pole orbit p is the totality of all spatial points in the fixed spatial reference system that ever occurs with a rigid body movement
  • the virtual variables a and b are trajectories of the points A and B relative to the frame 5.
  • the virtual variable k is the coupling curve of the contact point K.
  • the four-joint mechanism has a degree of freedom that is only given by the external forces acting on the coupling beam.
  • the system is stable and in equilibrium when the forces can balance each other in such a way that the resulting force or moment acts on the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a becomes zero. If the acting forces cannot be combined to form a zero vector, there remains a free force that leads to a movement of the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a leads.
  • the coupling carrier can i. the rocker switch 8a perform only one movement in one degree of freedom in the form of a rotation about the instantaneous pole K. The force thus acts with its distance to P (perpendicular from P to the force vector) as
  • the direction of movement results from the direction of force and position relative to P.
  • the force F_Sa is the axial force on the worm shaft of the worm 2a due to the output torque on the worm wheel 4a.
  • the force F_Sr is the Shear force component due to the tooth helix angle.
  • the force F_S is the resultant of F_Schnecke_axial and F_Schnecke_radial.
  • the forces F1 and F2 are the forces of the first spring means 9 and the second spring means 10.
  • the forces FA and FB are tensile / compressive forces of the rockers 13.1 and 13.2.
  • Figure 5 shows phase 1 in state 1 with the coupling carrier i.e. of the
  • Switching rocker 8a in the area of the central position. This operating point is present at low or normal loads when the output torque is significantly smaller than the predetermined limit torque of the overload switching mechanism 1.
  • the worm 2a is in mesh with the worm wheel 4a.
  • the force F_S acts on the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a in the decoupling direction.
  • the momentary pole K is close to the point of engagement.
  • the first compression spring 9a generates a compressive force at point U1 by pretensioning, which acts in the decoupling direction. Their spring force decreases in the following
  • the second compression spring 10a generates a compressive force at point U2 by pretensioning, which acts counter to the decoupling direction. Their spring force increases with the deflection of the coupling beam shown below, i.e. the rocker switch 8a to quickly.
  • the first compression spring 9a is further relieved in state 1 with increasing deflection of the coupling carrier.
  • the second compression spring 10a is further loaded in state 1 with increasing deflection in state 2 of the coupling beam. Both compression springs 9a and 10a, however, have a restoring effect overall.
  • Figure 6 shows phase 2 in state 2 with the coupling carrier i.e. of the
  • Switching rocker 8a slightly deflected or rotated from the central area (FIG. 5). This operating point occurs at high loads when the output torque is still below the limit torque.
  • the worm 2a is still in mesh with the worm wheel 4a.
  • the force F_S acts on the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a in
  • the first compression spring 9a is completely relieved or no longer has any contact with the coupling carrier, i.e. to the rocker switch 8a. It takes place through the first
  • Compression spring 9a thus no longer transmits force to the coupling carrier i.e. on the rocker switch 8a instead.
  • the second compression spring 10a is still in contact with the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a.
  • the second compression spring 10a is further compressed in phase 2 with increasing deflection of the coupling beam.
  • the second compression spring 10a continues to have a restoring effect.
  • Coupling beam i.e. the rocker switch 8a is deflected or rotated from the central area (FIG. 5). This operating point is at high loads, if that
  • Output torque is just below the limit torque.
  • the worm 2a is still in mesh with the worm wheel 4a.
  • the force F_S acts on the coupling beam, i.e. the rocker switch 8a and still in the decoupling direction.
  • the momentary pole K moves away from the point of engagement.
  • the first compression spring 9a is completely relieved or no longer has any contact with the coupling carrier, i.e. to the rocker switch 8a. It takes place through the first
  • Compression spring 9a thus no longer transmits force to the coupling carrier, ie to the rocker switch 8a.
  • the second compression spring 10a is still in contact with the coupling carrier, ie the rocker switch 8a.
  • the maximum spring force F2 now acts in point U2.
  • the second compression spring 10a is thus maximal in phase 3
  • phase 4 shows phase 4 in state 2. This is the decoupling phase.
  • the coupling beam i.e. the rocker switch 8a is now deflected or rotated very far from the central area. This operating point is at very high loads, where the output torque reaches the limit torque.
  • the worm 2a is still in mesh with the worm wheel 4a.
  • the force F S still acts in the decoupling direction.
  • the first compression spring 9a is still completely relieved or no longer has any contact with the coupling carrier, i.e. to the rocker switch 8a.
  • the first compression spring 9a thus continues to no longer transmit any force to the coupling carrier, i.e. on the rocker switch 8a instead.
  • the second compression spring 10a is in contact with the coupling beam i.e. of the
  • the spring force of the second compression spring 10a decreases in phase 4, although the spring force acts again in the direction of movement and has an influence on the movement of the coupling carrier, ie the rocker switch 8a. This now acts in the decoupling direction, i.e. aligned with the screw force in the same direction. 9 shows phase 5 in state 2. This is the decoupling point.
  • the coupling beam i.e. the rocker switch 8a is further deflected or rotated from the central area.
  • the "working point” is now above the limit torque or briefly exceeds the limit torque slightly.
  • the worm 2a leaves the worm wheel 4a instantaneously.
  • the momentary center P moves further away from the point of engagement.
  • the first compression spring 9a is still completely relieved or no longer has any contact with the coupling carrier, i.e. to the rocker switch 8a.
  • the first compression spring 9a thus continues to no longer transmit any force to the coupling carrier, i.e. on the rocker switch 8a instead.
  • the second compression spring 10a is in contact with the coupling beam i.e. of the
  • the worm 2a is no longer in engagement with the worm wheel 4a and can therefore no longer apply any force to the coupling carrier, i.e. the rocker switch 8a transferred. Only the compressive force of the second compression spring 10a acts in the decoupling direction.
  • FIG. 10 shows phase 6 in state 3. This is the fully disengaged state, i.e. the coupling support or the rocker switch 8a is folded away with the worm 2a completely from the worm wheel 4a, the worm 2a is from
  • the first compression spring 9a is still completely relieved or no longer has any contact with the coupling carrier, i.e. to the rocker switch 8a.
  • the first compression spring 9a thus continues to no longer transmit any force to the coupling carrier, i.e. on the rocker switch 8a instead.
  • the second compression spring 10a is in contact with the coupling beam i.e. of the
  • Rocker switch 8a The spring force continues to decrease at point U2. From phase 5 the worm 2a is no longer in engagement with the worm wheel 4a and can no longer transmit any force to the coupling carrier. Only the second compression spring 10a acts in the decoupling direction. The coupling carrier or the rocker switch 8a is tilted into the end position, ie the second stable position in which the worm 2a no longer touches the worm wheel 4a. The end position is either a stop or a relaxed end position of the second
  • compression spring 10a Defined compression spring 10a.
  • a recoupling of the worm 2a can only take place against an increasing spring force F2 of the second compression spring 10a, but this is only possible with a correspondingly high expenditure of force. In this respect, unintentional coupling with the transmission of a force and / or a moment in the drive train is reliably prevented.
  • Coupling carrier further and further away from contact point K, so that a
  • Worm gear direction whereby it only rotates minimally (for example 3 °) until it is triggered (for example at approx. 20 to 25 Nm). Accordingly, there is a comparatively high gear rigidity despite the necessary resilience of the coupling carrier.
  • the spring arrangement in combination with the four-joint structure has a characteristic drop in stiffness. This is advantageous because here the rigidity in the “normal” working area, for example of a robot joint of the robot arm 7 (FIG. 1), is significantly higher and the robot is therefore significantly more accurate than in the overload area, which can also indicate a collision or a person being trapped, for example .
  • the four-joint structure as described above. In the zero position, the instantaneous center of gravity lies on the axis of symmetry, at a distance from the point of engagement K and on the side facing away from the worm wheel 4a. The distance from the instantaneous center of gravity to the point of contact is determined under load, i.e. Increased deflection of the coupling beam, whereby the resulting movement-causing moment is increased.
  • the special shape of the coupling curves u1 and u2, in which the respective curve section that is passed through from phase 1 to phase 6, has the following properties.
  • Worm wheel 4a of the coupling carrier deflected so that the distance between U1 and Ux1 is reduced. At the same time, the is also reduced
  • curve u1 drops again in the direction of compressive force F1.
  • the distance between U1 and Ux1 increases, the force decreases, but the portion acting in the direction of movement increases.
  • phase 3 The kinematics of the four-joint structure is designed in such a way that the worm 2a is in engagement at least up to the tipping point (phase 3).
  • Phase 4 describes the engagement of the worm 2a beyond this point until it is left (phase 3).
  • springs F1 and F2 are pure compression springs. In one form they are limited in their effective length, which means that when deflected, the unloaded spring is no longer present and effective after relaxation.
  • one of the two rockers 13.1 or 13.2, depending on the decoupling direction can pass through a dead position, ie a reversal position, in which the momentary pole P lies in the respective joint A or B, during the decoupling process. This can lead to the desired shape of the coupling curve s1 or s2.
  • the coupling curve k of the contact point K is essentially or with a large proportion perpendicular to the worm gear tangent, i.e. a release and disengagement movement of the teeth takes place essentially i.e. with a large proportion directly in the radial direction.
  • the permissible spring travel must be greater than or at least equal to the
  • measuring principles can be the use of strain gauges, the use of optical measuring principles, as well as inductive displacement measurements, which measure the deformation of a spring, for example.
  • the measurement is carried out by a load cell 14 which measures the axial force on the bearings of the worm 2a in the coupling carrier, ie in the rocker switch 8a.
  • the power flow is represented as follows: it runs from the worm wheel 4a via the worm 2a into the bearing of the worm 2a and from there into a cover of the load cell 14 and after the load cell 12 over a cover plate and a screw connection in the coupling carrier, i.e. the
  • the worm 2a Since the load cell 14 cannot measure tensile forces, the worm 2a is preloaded with half of the measuring range.
  • two disc springs 15 are arranged on the right side of the worm 2a between the shoulder of the worm 2a and the bearing. These are pre-tensioned by tightening the screw connection of the cover plate. A so-called elastic is created
  • a ring magnet can be equipped with a large number of pole pairs and thus generate a very high resolution.
  • a preferred variant is an axial Hall encoder in the output-side
  • Robot structure sits. This has the advantage that its absolute position
  • Position determination on the drive side expedient.
  • the previously selected measuring principle can be used to achieve this.
  • the storage of the worm wheel 4a is realized via an employed storage.
  • the structure consists of two shafts that run into one another, the rotation of which takes place with simultaneous force support by two deep groove ball bearings. In order to keep the play in the storage low, an inclined storage is used and the bearings are clamped together with a clamping sleeve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Überlast-Schaltwerk (1) zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied (2) und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied (2) zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied (4) in einem Antriebsstrang (16), aufweisend ein das erste Übertragungsglied (2) lagerndes Schaltglied (8), das in einem Gestell (5) verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung (S1), die durch ein Zusammenwirken eines ersten Federmittels (9) und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel (9) arbeitendes zweites Federmittels (10) eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied (2) zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten Übertragungsglied (4) zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung (S2), in welcher das Schaltglied (8) bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste Federmittel (9) hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung (S3), in welcher das Schaltglied (8) bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel (10) hineinbewegt ist.

Description

Mechanisches Überlast-Schaltwerk
Die Erfindung betrifft ein mechanisches Überlast-Schaltwerk zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten
Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten
Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied in einem Antriebsstrang.
Die DE 20 2013 003 594 U1 beschreibt eine Armanordnung für einen
Industrieroboter, wobei die Armanordnung ein Schneckenelement, ein
Zahnradelement in Eingriff mit dem Schneckenelement, und ein Armelement enthält, wobei das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben und das Armelement zu bewegen, und wobei das Schneckenelement zwischen einer ersten Position, in der das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben, und einer zweiten Position bewegbar ist, in der eine Relativbewegung zwischen dem Schneckenelement und dem Zahnradelement verhindert wird, ferner enthaltend einen Pneumatikzylinder zum Bewegen des Schneckenelements zwischen der ersten Position und der zweiten Position, wobei das Schneckenelement auf einer Plattform gehalten wird, die durch besagten Pneumatikzylinder bewegbar ist, und wobei besagte Plattform über einer Basis gehalten wird und relativ dazu schwenk- bzw. drehbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein mechanisches Überlast-Schaltwerk zu schaffen, das auch unter hoher Übertragungslast in zuverlässiger Weise in seinen gelösten Zustand schaltet und nach einem Auslösen zuverlässige in dem ausgelösten Zustand verbleibt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mechanisches Überlast- Schaltwerk zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten
Übertragungsglied in einem Antriebsstrang, aufweisend ein das erste
Übertragungsglied lagerndes Schaltglied, das in einem Gestell verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung, die durch ein
Zusammenwirken eines ersten Federmittels und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel arbeitendes zweites Federmittels eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten Übertragungsglied zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung, in welcher das Schaltglied bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste Federmittel hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung, in welcher das Schaltglied bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines
entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der
entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel hineinbewegt ist.
Das mechanische Überlast-Schaltwerk ist insbesondere ausgebildet innerhalb eines Antriebstranges die übertragene Kraft oder die Kräfte und/oder das übertragene Drehmoment oder die Drehmomente zu überwachen, ob sie eine vordefinierte Maximalkraft oder ein Maximalmoment überschreiten. Falls die jeweilige Kraft die vordefinierte Maximalkraft überschreitet oder das jeweilige Moment das vordefinierte Maximalmoment überschreiten, trennt das mechanische Überlast-Schaltwerk den Antriebstrang, so dass eine Übertragung unterbrochen ist, d.h. keine Kraft und/oder kein Moment mehr über den Antriebstrang über das mechanische Überlast-Schaltwerk hinweg übertragen werden kann. Das mechanische Überlast-Schaltwerk ist eingerichtet, rein mechanisch zu arbeiten, d.h. das mechanische Überlast-Schaltwerk ist ausgebildet, ohne eine vom mechanischen Überlast-Schaltwerk externe Energieversorgung, wie eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Energieversorgung zu arbeiten. Das mechanische Überlast-Schaltwerk wird allein durch die durch den Antriebstrang geleitete Kraft oder das Moment betätigt d.h. das Schaltglied bewegt.
Mechanische Federmittel steuern und/oder unterstützen die Schaltvorgänge des Schaltglieds bzw. definieren durch Ihre Positionen, Lagen und/oder
Federsteifigkeiten und Federkennlinien die vorgegebene Maximalkraft oder das vorgegebene Maximalmoment. Die vorgegebene Maximalkraft und das vorgegebene Maximalmoment bestimmen insoweit die Grenzkräfte bzw.
Grenzmomente an denen das mechanische Überlast-Schaltwerk umschaltet.
Der Antriebsstrang kann im einfachsten Fall eine Schubstange aufweisen, über die im einfachsten Fall lediglich eine einzige Zugkraft und/oder Druckkraft übertragen wird. Der Antriebsstrang kann in einer anderen einfachen Ausführung einen Hebel aufweisen, über den im einfachsten Fall lediglich ein einziges
Moment übertragen wird. In einer höher komplexen Ausführung kann der
Antriebsstrang eine Welle aufweisen, beispielsweise eine Welle in einem
Getriebe, über die ein Drehmoment übertragen wird.
Das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied können insoweit beispielsweise lediglich zwei ineinandergreifende Klauen sein, die eine Kupplung schalten, kraftschlüssig zusammenwirkende Reibelemente sein, oder im Falle eines Getriebes beispielsweise zwei in einem eingerückten Zustand miteinander kämmende Zahnräder sein.
Das Schaltglied kann somit entweder ein Schaltschieber oder eine Schaltwippe sein. Im Falle eines Schaltschiebers würde sich das Schaltglied insoweit zumindest im Wesentlichen translatorisch d.h. linear bewegen und im Falle einer Schaltwippe würde sich das Schaltglied insoweit zumindest im Wesentlichen rotatorisch d.h. drehend bewegen. Das Schaltglied kann ggf. auch eine
überlagerte Bewegung ausführen, die sowohl einen linearen als auch einen drehenden Bewegungsanteil aufweist.
In der ersten stabilen Stellung des Schaltglieds ist das erste Übertragungsglied mit dem zweiten Übertragungsglied in Wirkverbindung, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig im Eingriff, so dass zumindest eine Kraft und/oder zumindest ein Drehmoment über den Antriebsstrang übertragen wird. Im Hinblick auf die Funktion des mechanischen Überlast-Schaltwerks weist die übertragene Kraft und/oder das übertragene Moment einen Betrag auf, der kleiner ist, als die vorgegebene Maximalkraft oder das vorgegebene Maximalmoment. Sowohl in der zweiten stabilen Stellung als auch in der dritten stabilen Stellung sind das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied ausgerückt, d.h. es besteht in der zweiten stabilen Stellung und in der dritten stabilen Stellung jeweils keine Wirkverbindung mehr zwischen dem ersten Übertragungsglied und dem zweiten Übertragungsglied und eine Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments über den Antriebsstrang ist unterbunden. Das mechanische Überlast- Schaltwerk nimmt die zweite stabile Stellung ein, wenn die das Stellglied bewegende, auslösende Maximalkraft oder das auslösende Maximalmoment in die eine Richtung wirkt und das mechanische Überlast-Schaltwerk nimmt die dritte stabile Stellung ein, wenn die das Stellglied bewegende, auslösende Maximalkraft oder das auslösende Maximalmoment in die andere d.h. entgegengesetzte Richtung wirkt.
Das erste Federmittel und das zweite Federmittel sind ausgebildet, je nach einwirkender Kraft oder Moment das Stellglied in der ersten stabilen Stellung zu halten, in der zweiten stabilen Stellung zu halten oder in der dritten stabilen Stellung zu halten.
In der ersten stabilen Stellung des Stellglieds wirken sowohl das erste Federmittel als auch das zweite Federmittel auf das Stellglied ein, um das Stellglied durch antagonistisch wirkende Federmittel in der ersten stabilen Stellung zu halten, wenn die übertragene Kraft kleiner als die Maximalkraft ist und/oder das übertragene Moment kleiner als das Maximalmoment ist.
In der zweiten stabilen Stellung des Stellglieds wirkt lediglich das erste
Federmittel, um das Stellglied in der zweiten stabilen Stellung zu halten, wenn die Maximalkraft und/oder das Maximalmoment das Stellglied ausgelöst hat. Das zweite Federmittel entfaltet in der zweiten stabilen Stellung vorzugsweise keine Wirkung auf das Stellglied.
In der dritten stabilen Stellung des Stellglieds wirkt lediglich das zweite
Federmittel, um das Stellglied in der dritten stabilen Stellung zu halten, wenn die entgegengesetzte Maximalkraft und/oder das entgegengesetzte Maximalmoment das Stellglied ausgelöst hat. Das erste Federmittel entfaltet in der dritten stabilen Stellung vorzugsweise keine Wirkung auf das Stellglied.
Das Gestell bildet einen Lagersitz für das bewegliche Stellglied. Das Gestell ist vorzugsweise starr mit Federsitzen gekoppelt, an denen das erste Federmittel und das zweite Federmittel sich abstützen, und zwar einer gegenüberliegenden Seite des ersten Federmittels bzw. des zweiten Federmittel von derjenigen Seite, mit der das erste Federmittels bzw. das zweite Federmittel an das Stellglied angekoppelt ist. Das Gestell kann ein Gehäuse einer Maschine bzw. des
Antriebsstranges sein. Im bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung ist das Gestell ein Gehäuseteil eines Roboterarms.
Das Schaltglied kann als eine Schaltwippe ausgebildet sein, indem das
Schaltglied mittels einer Viergelenk-Anordnung in dem Gestell gelagert ist, wobei das Schaltglied ein erstes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer ersten Schwinge schwenkbar gelagert ist, das Gestell ein zweites
Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der ersten Schwinge schwenkbar gelagert ist, das Schaltglied ein drittes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer zweiten Schwinge schwenkbar gelagert ist, und das Gestell ein viertes Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der zweiten Schwinge schwenkbar gelagert ist, und das Schaltglied außerdem einen ersten Federangriffspunkt aufweist, an dem das erste Federmittel an das
Schaltglied angekoppelt ist und einen zweiten Federangriffspunkt aufweist, an dem das zweite Federmittel an das Schaltglied angekoppelt ist.
Die Viergelenk-Anordnung bildet somit ein Koppelgetriebe mit vier
Festkörpergliedern, die mittels vier Drehgelenken verbunden sind. Insoweit wird bei diesem Koppelgetriebe ein erstes Festkörperglied durch das Gestell gebildet, ein (gegenüberliegendes) zweites Festkörperglied durch das Schaltglied, insbesondere die Schaltwippe gebildet, das dritte Festkörperglied durch die erste Schwinge gebildet und das vierte Festkörperglied durch die zweite Schwinge gebildet. Die Viergelenk-Anordnung ist insoweit ein ebenes Koppelgetriebe, da die Drehachsen der vier Drehgelenke parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch die Viergelenk-Anordnung bzw. das Koppelgetriebe entstehen insoweit die für Koppelgetriebe typischen Koppelkurven, welche die Bewegungsbahn des
Schaltglieds d.h. der Schaltwippe darstellen. Vorzugsweise sind die erste
Schwinge und die zweite Schwinge gleich lang. Vorzugsweise sind das erste Federmittel und das zweite Federmittel symmetrisch angeordnet und/oder identisch ausgebildet, insbesondere weisen das erste Federmittel und das zweite Federmittel die gleiche Federcharakteristik, insbesondere Federsteifigkeit auf.
Die Stablängen der ersten Schwinge und der zweiten Schwinge, sowie die
Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks können somit eine trapezförmige Gelenkkoppelanordnung ausbilden, welche von einer dem zweiten
Übertragungsglied gegenüberliegenden Seite des Schaltglieds ausgehend das Schaltglied in der ersten stabilen Stellung des Überlast-Schaltwerks hält, wenn die Gelenkkoppelanordnung ein symmetrisches Trapez bildet.
Der Abstand der beiden Drehgelenke an der Schaltwippe, d.h. der Abstand des ersten Drehgelenks von dem dritten Drehgelenk, ist insbesondere kleiner, als der Abstand der beiden Drehgelenke an dem Gestell, d.h. der Abstand des zweiten Drehgelenks von dem vierten Drehgelenk. Die Viergelenk-Anordnung ist insbesondere dem Eingriffsbereich des ersten Übertragungsglieds mit dem zweiten Übertragungsglied gegenüberliegend an der Schaltwippe angeordnet.
Die Stablängen der ersten Schwinge und der zweiten Schwinge, sowie die
Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks der trapezförmigen
Gelenkkoppelanordnung können ausgebildet sein, im Auskopplungspunkt der Schaltwippe, in dem das erste Übertragungsglied vollständig von dem zweiten Übertragungsglied außer Eingriff gerät, wenn das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die zweite stabile Stellung umschwenkt, das erste Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das erste Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem dritten Drehgelenk gegenüber liegt, und im Auskopplungspunkt der Schaltwippe, in dem das erste Übertragungsglied vollständig von dem zweiten Übertragungsglied außer Eingriff gerät, wenn das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die dritte stabile Stellung umschwenkt, das dritte Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das dritte Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem ersten Drehgelenk gegenüber liegt.
Der erste Federangriffspunkt und der zweite Federangriffspunkt der Viergelenk- Anordnung können gegenüberliegend an der Schaltwippe angeordnet sein und zwar hinsichtlich Position und Abstand derart, sowie hinsichtlich der
Kraftrichtungen des ersten Federmittels und des zweiten Federmittels derart, dass am Kipp-Punkt der Schaltwippe, an dem das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die zweite stabile Stellung umschwenkt, das erste Federmittel entspannt ist oder von der Schaltwippe abgekoppelt ist und das zweite Federmittel maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des zweiten Federmittels durch den Momentanpol der Schaltwippe läuft, oder am Kipp-Punkt der Schaltwippe, an dem das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die dritte stabile Stellung umschwenkt, das zweite Federmittel entspannt ist oder von der
Schaltwippe abgekoppelt ist und das erste Federmittel maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des ersten Federmittels durch den Momentanpol der Schaltwippe läuft.
In allen Ausführungsvarianten kann generell die Viergelenk-Anordnung statt durch ein mehrteiliges mechanisches Stabwerk in analoger Anwendung auch durch eine Festkörpergelenkanordnung realisiert werden. Die Festkörpergelenkanordnung kann einteilig sein. Die Festkörpergelenkanordnung kann insbesondere durch einen entsprechend formgestalteten nachgiebigen Körper, wie beispielsweise einen Gummikörper oder einen Elastomerkörper gebildet werden.
Das auf dem Schaltglied gelagerte erste Übertragungsglied kann mittels eines Motors angetrieben sein, der auf dem Schaltglied angeordnet ist, so dass der Motor zusammen mit dem ersten Übertragungsglied bei einer Schaltbewegung des Schaltglieds mitbewegt wird. Der Motor dient zur Erzeugung eines
Drehmoments, das über das erste Übertragungsglied in das zweite
Übertragungsglied eingeleitet wird, um das über den Antriebstrang zu
übertragende Drehmoment bereitzustellen. Der Motor kann insbesondere ein elektrischer Motor sein. Der Motor kann einen Antrieb innerhalb eines
Roboterarmes darstellen, der ausgebildet ist, wenigstens ein Gelenk des
Roboterarmes zu bewegen, um die aktuelle Stellung der Gelenke des
Roboterarmes zu verändern, d.h. den Roboterarm zu bewegen.
Das erste Übertragungsglied kann ein erstes Zahnrad, insbesondere ein
Antriebszahnrad, eines Getriebes und das zweite Übertragungsglied kann ein zweites Zahnrad, insbesondere ein Abtriebszahnrad, des Getriebes sein, in welches Getriebe das Überlast-Schaltwerk integriert ist.
Das Getriebe kann Teil eines Roboterarms sein. Insbesondere kann das Getriebe einen Teil eines Antriebsstranges zum Bewegen eines Gelenks des Roboterarms bilden.
Das Getriebe kann als ein Schneckengetriebe ausgebildet sein oder das Getriebe kann eine Schneckengetriebestufe aufweisen, wobei das erste Übertragungsglied durch eine Schnecke des Schneckengetriebes oder der Schneckengetriebestufe und das zweite Übertragungsglied durch ein mit der Schnecke
zusammenwirkendes Schneckenrad des Schneckengetriebes oder der
Schneckengetriebestufe gebildet wird.
Alternativ oder ergänzend zu einem Getriebe kann das erste Übertragungsglied auch ein erstes Kupplungsglied einer ausrückbaren Kupplung sein und das zweite Übertragungsglied kann dabei ein mit dem ersten Kupplungsglied
zusammenwirkendes zweites Kupplungsglied der ausrückbaren Kupplung sein, in welche Kupplung das Überlast-Schaltwerk integriert ist. Das Überlast-Schaltwerk kann eine Komponente im Antriebsstrang, insbesondere in einem Getriebe oder einer Kupplung eines Antriebs eines Gelenkes in einem Roboterarm sein.
In einer konkreten vorteilhaften Ausführung kann das erste Übertragungsglied von einer Schnecke eines Schneckengetriebes gebildet werden. Dabei kann das zweite Übertragungsglied als ein Schneckenrad ausgebildet sein. Das Gestell kann beispielsweise ein Gehäuse des Roboterarms sein. Das Schaltglied kann in der konkreten Ausführung von einer Schaltwippe gebildet werden, an der die Schnecke um ihre Schneckenachse drehbar gelagert ist. Das erste Federmittel kann dabei von einer ersten Druckfeder gebildet werden und das zweite
Federmittel kann von einer zweiten Druckfeder gebildet werden. Die erste
Druckfeder und/oder die zweite Druckfeder können insbesondere jeweils als wenigstens eine Federwendel oder als wenigstens ein Elastomer-Federkörper ausgebildet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann das mechanische Überlast- Schaltwerk einen Kraftsensor, insbesondere eine Wägezelle aufweisen, der(die) ausgebildet und/oder eingerichtet ist, eine Axialkraft an der Lageranordnung der Welle, welche die Schnecke trägt, erfasst. Insoweit kann eine Erfassung bzw. Messung der Axialkraft im Koppelträger d.h. in der Schaltwippe erfolgen.
Der Kraftfluss stellt sich dabei folgendermaßen dar, er läuft ausgehend vom Schneckenrad über die Schnecke in das Lager der Schnecke und von dort aus in einen Deckel des Kraftsensors bzw. der Wägezelle und nach dem Kraftsensor bzw. der Wägezelle beispielsweise über ein Abschlussblech und einer
Verschraubung in den Koppelträger d.h. die Schaltwippe.
Da der Kraftsensor bzw. die Wägezelle im Allgemeinen keine Zugkräfte messen kann, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Schnecke mit der Hälfte des Messbereichs vorgespannt sein. Dazu können auf der einen axialen Seite der Schnecke zwei Federn, beispielsweise zwei Tellerfedern zwischen einem Absatz der Schnecke und dem Lager angeordnet sein. Diese werden beispielsweise über das Anziehen der Verschraubung des Abschlussbleches vorgespannt. Es entsteht eine sogenannte elastische Anstellung. In einem speziellen Fall wird die Lagerung beispielsweise über Schrägkugellager realisiert. Je nach Belastung lassen sich allerdings auch Gleitlager mit Bund oder Rillenkugellager verwenden. Wirkt die Axialkraft nun in Richtung der Federn, sinkt die auf den Kraftsensor bzw. die Wägezelle wirkende Kraft. Wirkt die Axialkraft hingegen in die andere Richtung wird der Kraftsensor bzw. die Wägezelle stärker belastet. Um auf das Moment zu schließen wird die Axialkraft mit dem Radius des Wirkkreises des Schneckenrads multipliziert.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Lastunterbrechung in einem Antriebsstrang eines Gelenkantriebs, insbesondere eines Gelenks eines
Roboterarms, aufweisend den Schritt des Trennens der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied in einem Antriebsstrang, wobei in einer ersten stabilen Stellung eines das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied trennenden und/oder koppelnden Schaltglieds, eine Übertragung der Kraft und/oder des Moments stattfindet, das Schaltglied bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung hineinbewegt wird, wenn eine
Maximalkraft oder ein Maximalmoment während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments Überschritten wird, oder in eine dritte stabile Stellung hineinbewegt wird, wenn eine entgegengesetzten Maximalkraft oder ein
entgegengesetztes Maximalmoment während der Übertragung der
entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments überschritten wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Schaltglied bei Überlast je nachdem entweder in die zweite stabile Stellung durch eine vorgespannte erste Federkraft hineinbewegt werden, wenn eine Maximalkraft oder ein
Maximalmoment während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments Überschritten wird, oder in eine dritte stabile Stellung durch eine vorgespannte zweite Federkraft hineinbewegt werden, wenn eine entgegengesetzten Maximalkraft oder ein entgegengesetztes Maximalmoment während der
Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments überschritten wird.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen beispielhaften Roboterarm,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Antriebstranges mit einem erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerk,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Schneckengetriebes mit einer konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks,
Fig. 4 bis 10 Seitenansichten des beispielhaften Schneckengetriebes mit der konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks gemäß Fig. 3 in den verschiedenen Phasen und Zuständen im zeitlichen Ablauf eines Ausrückens des Überlast- Schaltwerks,
Fig. 1 1 eine Seitenansicht des Überlast-Schaltwerks in einer zur Fig. 10 in entgegengesetzte Richtung ausgerückten Endstellung des Überlast- Schaltwerks,
Fig. 12 drei Darstellungen von Koppelkurven mit dem Federangriffspunkt am Koppelträger in den unterschiedlichen Bereichen in den Phasen, und Fig. 13 eine Schnittdarstellung des Überlast-Schaltwerks mit einer Wägezelle.
Die Fig. 1 zeigt einen Roboter, der einen Roboterarm 7 und eine
Robotersteuerung 20 aufweist. Der Roboterarm 7 umfasst im Falle des
vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke 21 verbundene Glieder 22. Bei den Gliedern 22 handelt es sich insbesondere um ein Grundgestell 23 und ein relativ zum Grundgestell 23 um eine vertikal verlaufende Drehachse A1 drehbar gelagertes Karussell 24. Eine
Schwinge 25 ist am unteren Ende z.B. an einem nicht näher dargestellten
Schwingenlagerkopf auf dem Karussell 24 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 25 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Drehachse A3 ein
Armausleger 26 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 27 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Der Armausleger 26 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen schwenkbar an der Schwinge 25 gelagerten Grundarm 29 auf. An dem Grundarm 29 ist ein Vorderarm 30 des Armauslegers 26 um die Drehachse A4 drehbar gelagert. Weitere Glieder des Roboterarms 7 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels neben dem Grundgestell 23, dem Karussell 24, der Schwinge 25 und dem Grundarm 29, außerdem die Glieder 22 der vorzugsweise mehrachsigen Roboterhand 17 mit einer als Anschlussflansch 28 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum
Befestigen eines nicht dargestellten Endeffektors, wie beispielsweise eines Werkzeugs oder eines Greifers.
Die Fig. 2 zeigt schematisch ein allgemeines, erfindungsgemäßes mechanische Überlast-Schaltwerk 1 zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments, erzeugt durch einen Motor 1 1 , zwischen einem ersten
Übertragungsglied 2 und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied 2 zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied 4 in einem Antriebsstrang 16, aufweisend ein das erste Übertragungsglied 2 lagerndes Schaltglied 8, das in einem Gestell 5 (Fig. 3) verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung S1 , die durch ein Zusammenwirken eines ersten Federmittels 9 und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel 9 arbeitendes zweites Federmittels 10 eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied 2 zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten Übertragungsglied 4 zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung S2, in welcher das Schaltglied 8 bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste Federmittel 9 hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung S3, in welcher das Schaltglied 8 bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines
entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der
entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel 10 hineinbewegt ist.
Die Fig. 3 bis Fig. 13 beschreiben den konstruktiven Aufbau eines konkreten Beispiels eines erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks 1.
In dieser konkreten Ausführung wird das erste Übertragungsglied 2 von einer Schnecke 2a eines Schneckengetriebes 3 gebildet. Demgemäß ist das zweite Übertragungsglied 4 als ein Schneckenrad 4a ausgebildet. Das Gestell 5 kann beispielsweise ein Gehäuse 6 eines Roboterarms 7 sein. Das Schaltglied 8 wird in der dargestellten konkreten Ausführung von einer Schaltwippe 8a gebildet, an der die Schnecke 2a um ihre Schneckenachse drehbar gelagert ist. Das erste
Federmittel 9 wird von einer ersten Druckfeder 9a gebildet und das zweite
Federmittel 10 wird von einer zweiten Druckfeder 10a gebildet.
In der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4, die durch ein Zusammenwirken der ersten Druckfeder 9a und der zumindest teilweise entgegen der ersten Druckfeder 9a arbeitenden zweiten Druckfeder 10a eingehalten ist, greift die Schnecke 2a zur Übertragung eines Moments in das Schneckenrad 4a ein, so dass das
Drehmoment im Schneckengetriebe 3 übertragen wird.
Bei Überlast schaltet das Überlast-Schaltwerk 1 je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung gemäß Fig. 10, in welcher die Schaltwippe 8a bei
Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch die erste Druckfeder 9a hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung gemäß Fig. 1 1 , in welcher die Schaltwippe 8a bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch die zweite Druckfeder 10a hineinbewegt ist.
Im folgenden Abschnitt werden die unterschiedlichen Phasen beispielhaft anhand der Bewegung der Schaltwippe 8a von der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4 in die zweite stabile Stellung gemäß Fig. 10 beschrieben. Diese Beschreibung trifft analog auch für die umgekehrte Bewegung der Schaltwippe 8a von der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4 in die dritte stabile Stellung gemäß Fig. 1 1 zu, wenn ein entgegengesetztes Drehmoment durch das Schneckengetriebe 3 geleitet wird, beispielsweise im Falle einer Drehrichtungsumkehr.
Die Schnecke 2a wird beispielsweise wie in Fig. 3 aufgezeigt ist, antriebsseitig über einen Elektromotor 1 1 mit vorgeschaltetem Vorgetriebe 12 in Bewegung versetzt. In dieser Konstruktion wird beispielsweise ein bürstenloser
Gleichstrommotor mit einer maximalen Drehzahl von 32000 Umdrehungen pro Minute verwendet. Zur Reduzierung der Drehzahl ist ein zweistufiges
Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1 :18 nachgeschaltet. Mit Hilfe einer Klemmkupplung wird dieses abtriebsseitig mit der Schnecke 2a verbunden. Durch das Übersetzungsverhältnis der Schnecke 2a zum Schneckenrad 4a von 1 :50 ergibt sich eine Mindestgeschwindigkeit von 1807s am Schneckenrad 4a sowie ein Drehmoment von mindestens 25 Nm. Damit wird beispielsweise bei dem Roboterarm 7 (Fig. 1 ) in einer seriellen Sechsachskonfiguration und einer
Verwendung der hier beschriebenen Variante des Getriebes in der zweiten Achse eine Traglast von 1 kg bei einer Reichweite von 700 mm ermöglicht. Wobei die hier vorgestellte Konstruktion nur eine von vielen möglichen Varianten ist. Beim Schneckengetriebe 3 sind Übersetzungen bis zu 1 :100 möglich. Antriebsseitig können diverse Antriebe verwendet werden, wie z.B. Schrittmotoren oder bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Dies gilt auch für die Wahl eines
möglichen Zwischengetriebes bzw. Vorgetriebes 12. Neben dem hier verwendeten Planetengetriebe, sind z.B. auch eine Riemenstufe oder auch das Weglassen des Getriebes denkbar. Im Falle des beispielhaften Schneckengetriebes 3 wird die Sicherheitsfunktion vorzugsweise über einen Vier-Gelenk-Aufbau realisiert. Die beiden Schwingen 13.1 und 13.2 bilden dabei die Verbindung zwischen dem Gestell 5 respektive der Roboterstruktur und einem Koppelträger, welcher auch einen Schneckenhalter bildet und die Schaltwippe 8a ist. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist so konstruiert, dass diese in einer späteren Serienanwendung im kostengünstigen Spritzgussverfahren aus Kunststoff herstellbar ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit diesen aus Aluminium oder anderen Metallen zu fertigen. Der
Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a dient als Träger für die Schnecke 2a und deren Lagerung sowie noch später beschriebene Bauteile für eine Kraftmessung.
Weiterhin ist der Motor 1 1 über einen Motorhalter mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a verbunden. Auf den Koppelträger wirken somit die durch den Schneckeneingriff verursachten Axialkräfte wie auch die durch den Motor 1 1 aufgebrachten Torsionskräfte. Außerdem muss der Koppelträger die Gelenkkräfte der beiden Schwingen 13.1 und 13.2 aufnehmen, die je nach Lage des
Koppelträgers Zug oder Druck beansprucht sind. Da die Druckkräfte tendenziell höher sind, wurde der Koppelträger so ausgeführt, dass die Gelenke in einer Gelenkpfanne angeordnet sind und somit die Kräfte möglichst großflächig und direkt in den Koppelträger gelenkt werden.
Auf der Oberseite des Koppelträgers wirken die beiden Federkräfte F1 und F2. In dieser Konstruktion sind die beiden Druckfedern 9a und 10a mit der
Roboterstruktur d.h. dem Gehäuse 6 verbunden und werden durch das Ausrücken des Koppelträgers gestaucht. Am Koppelträger sind zwei rund ausgeformte Nasen, die dafür sorgen, dass die beiden Federkräfte möglichst senkrecht zur Oberfläche wirken und eine schonende Aufnahme der Druckkräfte ermöglichen. Die geometrischen Kenngrößen des Vier-Gelenk-Aufbaus folgen aus den
Bedingungen an den Mechanismus wie auch aus dem gegebenen Bauraum und den einzelnen Bauteilen. So sind zum einen die Größe der Schnecke 2a und des Schneckenrads 4a sowie der Bauraum des Motors 1 1 vorgegeben. Das heißt es muss eine ausreichende Drehfreiheit für die Bauteile gegeben sein. Für die Konstruktion beispielsweise als ein Roboterarm 7 ist es unabdingbar, dass diese zum einen die Kräfte an den Gelenkpunkten aufnimmt, sowie an den Federpunkten ausreichend steif ist. Der Koppelträger wiederum muss an seinen glatten Außenflächen in der Ebene geführt werden, da es sich bei dem Aufbau um einen zweidimensionalen Mechanismus handelt. Durch die Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a bewegt sich der Motor 1 1 mit, da dieser starr mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a verbunden ist. Es ist dafür notwendig innerhalb der Struktur diesen Bewegungsfreiraum für den Motor 1 1 zu beachten.
In einer weiteren Variante kann der Bauraum des Gelenks optimiert werden. So lässt sich durch die Verwendung einer anderen Schneckenpaarung z.B. durch die Wahl einer anderen Übersetzung die Baugröße minimieren.
Die beiden Federkräfte F1 und F2 können in diesem Beispiel auch als Elastomer- Federelemente realisiert sein, wie dies beispielsweise in Fig. 3 angedeutet ist. Die Nutzung von anderen Federarten ist jedoch möglich. So können beispielsweise Teller-, Druckfedern oder die elastischen Eigenschaften der Roboterstruktur des Roboterarms 7 verwendet werden.
Kommt es im Hinblick auf die Sicherheitsfunktion nun zu einer Belastung im Grenzbereich des Mechanismus erfolgt das Auskoppeln der Schnecke 2a. In diesem Zustand, wie er beispielsweise in Fig. 10 und Fig. 1 1 dargestellt ist, sind die Schnecke 2a und das Schneckenrad 4a völlig voneinander getrennt und das Gelenk kann kein Moment mehr übertragen.
Um das Gelenk wieder in den Ursprungszustand zu versetzen muss eine Person den Koppelträger wieder in die Ausgangsposition bringen. Dies kann manuell durch Drücken, aber auch elektrisch betätigt geschehen. Die Schnecke 2a koppelt dabei in einem Toleranzbereich von ± 0,5 Zähnen wieder ein. Danach ist das Überlastschaltwerk wieder betriebsbereit.
Wie insbesondere in Fig. 4 ersichtlich ist, umfasst der Mechanismus des Überlast- Schaltwerks 1 im Wesentlichen vier Elementen, nämlich die beiden Schwingen 13.1 und 13.2, den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und das Gestell 5, welche über vier Drehgelenke AO, A, B, BO so verbunden sind, dass der Aufbau eine nicht umlauffähige Doppelschwinge ergibt. Dabei bilden die Schwingen 13.1 und 13.2 im Betrieb Zug-Druck-Stäbe. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a lagert die Schnecke 2a und den Motor 1 1 , sowie alle dazugehörigen
Komponenten. Das Gestell 5 kann hier einem Strukturteil des Roboterarms 7 entsprechen. Der Mechanismus ist symmetrisch aufgebaut und befindet sich im Arbeitspunkt d.h. im gekoppelten Zustand in der Mittellage, wie in Fig. 4
dargestellt ist. Dabei sind mehre kinematische Punkte für die Funktion und Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a entscheidend.
Die kinematischen Punkte A und B stützen den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und definieren über die Schwingen 13.1 und 13.2 die Bewegung des
Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a und leiten alle Antriebskräfte und - momente in das Gestell 5 bzw. Strukturteil ein.
Die kinematische Kontaktpunkt K ist der Eingriffspunkt der Schnecke 2a in das Schneckenrad 4a.
Die kinematischen Punkte U1 und U2 bilden Krafteinleitungspunkte der Druckfedern F1 und F2 auf den Koppelträger. Die kinematischen Punkte 11x1 und Ux2 bilden Krafteinleitungspunkte der
Druckfedern F1 und F2 auf das Gestell 5 bzw. das Strukturteil des Roboterarms 7.
Eine markante virtuelle Größe ist der Momentanpol P des Koppelträgers. Dieser Momentanpol P beschreibt den momentanen Drehpunkt der Schaltwippe 8a gegenüber dem Gestell 5. In diesem Momentanpol P ruht die Schaltwippe 8a zu dem betrachteten Zeitpunkt und vollzieht nur eine reine Drehung um diesen
Punkt. Der Momentanpol P ergibt sich durch die Gelenkstellung und bewegt sich ständig weiter sowohl relativ zum Gestell 5 als auch relativ zur Schaltwippe 8a (siehe in Fachliteratur Rastpol- und Gangpolbahn).
Eine andere markante virtuelle Größe ist die Rastpolbahn p. Die zum Gestell 5 feste d.h. ortunveränderliche Rastpolbahn p ist die Gesamtheit aller Raumpunkte im raumfesten Bezugssystem, die bei einer Starrkörperbewegung jemals
Momentanpol sind.
Weitere markante virtuelle Größen sind die Bahnkurven u1 und u2 der Punkte U1 und U2 relativ zum Gestell 5.
Die virtuellen Größen a und b sind Bahnkurven der Punkte A und B relativ zum Gestell 5. Die virtuelle Größe k ist die Koppelkurve des Kontaktpunktes K.
Der Vier-Gelenk-Mechanismus besitzt einen Freiheitsgrad, welcher nur durch die von außen auf den Koppelträger wirkenden Kräfte vorgegeben wird.
Das System ist dabei stabil und im Gleichgewicht, wenn sich die Kräfte so ausgleichen können, dass die resultierende Kraft bzw. das resultierende Moment auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a zu Null wird. Können die wirkenden Kräfte nicht zum Nullvektor zusammengefasst werden, verbleibt eine freie Kraft, die zu einer Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a führt. Dabei kann der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a nur eine Bewegung in einem Freiheitsgrad in Form einer Drehung um den Momentanpol K durchführen. Die Kraft wirkt somit mit ihrem Abstand zu P (Lot von P auf Kraftvektor) als
bewegungsresultierendes Moment. Die Bewegungsrichtung ergibt sich aus Kraftrichtung und Lage relativ zu P.
Dabei wirken (hier ohne Berücksichtigung der Gravitationskraft, wie z.B. bei SCARA Strukturen) die folgenden Kräfte auf den Koppelträger d.h. die
Schaltwippe 8a.
Die Kraft F_Sa ist die Axialkraft auf die Schneckenwelle der Schnecke 2a aufgrund des Abtriebsmoments am Schneckenrad 4a. Die Kraft F_Sr ist die Querkraftkomponente auf Grund des Zahnschrägungswinkels. Die Kraft F_S ist die Resultierende aus F_Schnecke_axial und F_Schnecke_radial. Die Kräfte F1 und F2 sind die Kräfte des ersten Federmittels 9 und des zweiten Federmittels 10. Die Kräfte FA und FB sind Zug-/ Druckkräfte der Schwingen 13.1 und 13.2. Bei der Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a werden sechs Phasen und drei Zustände unterschieden.
Die Fig. 5 zeigt die Phase 1 im Zustand 1 mit dem Koppelträger d.h. der
Schaltwippe 8a im Bereich der Mittellage. Dieser Arbeitspunkt liegt bei geringen bzw. normalen Belastungen vor, wenn das Abtriebsmoment deutlich kleiner ist als das vorbestimmte Grenzmoment des Überlast-Schaltwerks 1.
Die Schnecke 2a ist im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K liegt dabei nahe des Eingriffspunkts. Die erste Druckfeder 9a erzeugt durch Vorspannung eine Druckkraft im Punkt U1 , die in auskoppelnder Richtung wirkt. Deren Federkraft nimmt bei der folgend
dargestellten Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a schnell ab.
Die zweite Druckfeder 10a erzeugt durch Vorspannung eine Druckkraft im Punkt U2, die entgegen der auskoppelnden Richtung wirkt. Deren Federkraft nimmt bei der folgend dargestellten Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a schnell zu.
Die erste Druckfeder 9a wird im Zustand 1 bei zunehmender Auslenkung des Koppelträgers weiter entlastet. Die zweite Druckfeder 10a wird im Zustand 1 bei zunehmender Auslenkung in Zustand 2 des Koppelträgers weiter belastet. Beide Druckfeder 9a und 10a wirken in Summe jedoch rückstellend. Die Fig. 6 zeigt die Phase 2 im Zustand 2 mit dem Koppelträger d.h. der
Schaltwippe 8a leicht aus dem Mittelbereich (Fig. 5) ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei hohen Belastungen vor, wenn das Abtriebsmoment noch unter dem Grenzmoment liegt.
Die Schnecke 2a ist weiterhin im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar in
auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K entfernt sich leicht vom
Eingriffspunkt.
Die erste Druckfeder 9a ist vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste
Druckfeder 9a somit keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.
Die zweite Druckfeder 10a ist weiterhin im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a. Dabei wirkt die Vorspannkraft und zusätzlich die
Auslenkungskraft als Druckkraft im Punkt U2. Die zweite Druckfeder 10a wird in Phase 2 bei zunehmender Auslenkung des Koppelträgers weiter komprimiert. Die zweite Druckfeder 10a wirkt weiterhin rückstellend.
Die Fig. 7 zeigt die Phase 3 im Zustand 2. Dies ist der Kipppunkt. Der
Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a ist aus dem Mittelbereich (Fig. 5) ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei hohen Belastungen, wenn das
Abtriebsmoment gerade noch unter dem Grenzmoment liegt. Die Schnecke 2a ist immer noch im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar immer noch in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K entfernt sich zunehmend vom Eingriffspunkt.
Die erste Druckfeder 9a ist vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste
Druckfeder 9a somit keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt. Die zweite Druckfeder 10a ist immer noch im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a. Dabei wirkt allerdings nun die maximale Federkraft F2 in Punkt U2. Die zweite Druckfeder 10a ist in der Phase 3 somit maximal
komprimiert. Die Kraft der zweiten Druckfeder F2 wirkt jedoch in diesem Zustand weder in auskoppelnder noch in rückstellender Richtung Die Kraft hat keinen Einfluss auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a, da ihre sehr hohe, maximale Kraft durch den Momentanpol P verläuft und sie damit kein
bewegungsresultierendes Moment erzeugt. Die zweite Druckfeder F2 wirkt also neutral. Die Fig. 8 zeigt die Phase 4 im Zustand 2. Dies ist die Auskopplungsphase. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist nun sehr weit aus dem Mittelbereich ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei sehr hohen Belastungen, wo das Abtriebsmoment das Grenzmoment erreicht.
Die Schnecke 2a ist immer noch im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F S immer noch in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol P
entfernt sich weiter vom Eingriffspunkt.
Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.
Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der
Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 jedoch nun ab.
Die Federkraft der zweiten Druckfeder 10a nimmt in Phase 4 ab, wobei allerdings Federkraft wieder in Bewegungsrichtung wirkt und hat einen Einfluss auf die Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a. Diese wirkt jetzt in auskoppelnder Richtung, also mit der Schneckenkraft gleichgerichtet in dieselbe Richtung. Die Fig. 9 zeigt die Phase 5 im Zustand 2. Dies ist der Auskopplungspunkt.
Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist weiter aus dem Mittelbereich ausgelenkt bzw. gedreht. Der„Arbeitspunkt“ liegt nun über dem Grenzmoment bzw. überschreitet kurzzeitig das Grenzmoment geringfügig. Die Schnecke 2a verlässt instantan das Schneckenrad 4a. Der Momentanpol P entfernt sich weiter vom Eingriffspunkt.
Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.
Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der
Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 jedoch nun ab.
Ab Phase 5 ist die Schnecke 2a nicht mehr im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a und kann daher keine Kraft mehr auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a übertragen. Es wirkt nur noch die Druckkraft der zweiten Druckfeder 10a in auskoppelnder Richtung.
Die Fig. 10 zeigt die Phase 6 im Zustand 3. Dies ist der vollständig ausgekoppelte Zustand, d.h. der Koppelträger bzw. die Schaltwippe 8a ist mit der Schnecke 2a ganz von dem Schneckenrad 4a weggeklappt, die Schnecke 2a ist vom
Schneckenrad 4a entkoppelt. Der Momentanpol P entfernt sich weiter vom
Eingriffspunkt.
Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.
Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der
Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 weiterhin ab. Ab Phase 5 ist die Schnecke 2a nicht mehr im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a und kann keine Kraft mehr auf den Koppelträger übertragen. Es wirkt nur noch die zweite Druckfeder 10a in auskoppelnder Richtung. Der Koppelträger bzw. die Schaltwippe 8a wird in Endstellung d.h. die zweite stabile Stellung gekippt in der die Schnecke 2a das Schneckenrad 4a nicht mehr berührt. Die Endlage ist entweder durch einen Anschlag oder eine entspannte Endlage der zweiten
Druckfeder 10a definiert. Ein Wiedereinkoppeln der Schnecke 2a kann nur gegen eine dann ansteigende Federkraft F2 der zweiten Druckfeder 10a erfolgen, was jedoch nur mit entsprechend hohem Kraftaufwand möglich ist. Insoweit wird dadurch ein unbeabsichtigtes Einkoppeln mit Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments in dem Antriebsstrang zuverlässig verhindert.
Ist die Kraft von Schneckenrad 4a auf Schnecke 2a entgegengerichtet, also die Momentendrehrichtung umgekehrt, gilt der Ablauf von Fig. 5 bis Fig. 10 analog für die andere Federseite d.h. für die andere Kipprichtung des Koppelträgers bzw. der Schaltwippe 8a. In der Fig. 1 1 deshalb nur die ausgerückte Endstellung analog zur Fig. 10 dargestellt.
Durch den speziellen Aufbau mit seinen speziell ausgewählten Abmessungen bzw. Anordnungen bzw. Verhältnissen wird die Funktion des kraftabhängigen Entkoppelns ermöglicht, ohne dass ein Sperrelement verwendet wird, welches durch seine zusätzliche Reibung Unsicherheiten und Toleranzverschlechterungen mit sich bringt. Die Reibung in diesem System steckt hauptsächlich in den
Gelenken A0, A, B und B0. Sie hat auf Grund der Gelenkgröße und Lage jedoch einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf die resultierende Koppelträgerkraft.
Durchläuft der Koppelträger Phase 4 wirken alle äußeren Kräfte in auskoppelnder Richtung, wodurch die Schnecke 2a vollständig und schnell, insbesondere schlagartig von den Zähnen des Schneckenrades 4a getrennt wird. Dieser Effekt wird verstärkt, indem sich der Momentanpol P durch das Verkippen des
Koppelträgers immer weiter vom Kontaktpunkt K entfernt, sodass ein
momentverstärkender Effekt für die Auskoppelbewegung auftritt. Da dieses Prinzip ohne Sperrelement auskommt, ist auch kein spezieller
(insbesondere axialer) Auslösehub der Schnecke 2a relativ zu einer Sperrfläche erforderlich. Die Schnecke 2a führt von Phase 1 bis 5 d.h. unter maximaler Last nur einen kleinen Anteil der Auslösebewegung in tangentialer
Schneckenradrichtung aus, wodurch dieses sich nur minimal (beispielsweise 3°) bis zur Auslösung (beispielsweise bei ca. 20 bis 25 Nm) dreht. Dementsprechend ergibt sich eine vergleichsweise hohe Getriebesteifigkeit trotz notwendiger Nachgiebigkeit des Koppelträgers. Die Federanordnung in Kombination mit dem Vier-Gelenk-Aufbau besitzt dabei eine charakteristisch abfallende Steifigkeit. Dies ist vorteilhaft, da hier die Steifigkeit im„normalen“ Arbeitsbereichs beispielsweise eines Robotergelenks des Roboterarms 7 (Fig. 1 ) deutlich höher und der Roboter damit deutlich genauer ist als im Überlastbereich, die beispielsweise auch eine Kollision bzw. eine Klemmung von Personen kennzeichnen kann.
Bedeutend für eine einwandfreie Funktion können unter anderem folgende Detailmerkmale sein. Der Vier-Gelenk-Aufbau gemäß vorliegender Beschreibung. Der Momentanpol liegt in Nullstellung auf der Symmetrieachse, beabstandet zum Eingriffspunkt K und auf der dem Schneckenrad 4a abgewandten Seite. Der Abstand des Momentanpols zum Eingriffspunkt wird unter Last d.h. Auslenkung des Koppelträgers vergrößert, wodurch das resultierende bewegungsbewirkende Moment verstärkt wird. Die spezielle Form der Koppelkurven u1 und u2, bei welchen der jeweilige Kurvenabschnitt, der von Phase 1 bis Phase 6 durchfahren wird, weist die folgenden Eigenschaften auf.
In der Verbindung mit Fig. 12 werden im Folgenden nun die Eigenschaften der Bereiche U1 , Ux1 , u1 beschrieben. Aus Symmetriegründen gilt analoges für die andere Seite.
Im Bereich Phase 1 und Phase 2 wird bei externer Momentenlast auf das
Schneckenrad 4a der Koppelträger so ausgelenkt, dass der Abstand zwischen U1 und Ux1 verringert wird. Gleichzeitig reduziert sich auch der
Kraftübertragungswinkel betal (zwischen der Bahnnormalen N1 im Punkt U1 und der Federkraftwirkungslinie d.h. der Verbindungslinie U1 -Ux1 ). Dies bedeutet, dass die Kraftkomponente in Tangentialrichtung T1 der Kurve u1 abnimmt. Mit anderen Worten, je mehr der Koppelträger ausgelenkt wird, desto höher wird die Federkraft F1. Sie wirkt entgegen der Auslenkung. Ihre Wirkung nimmt trotz Kraftanstieg ab. Im Bereich der Phase 3 muss die Kurve u1 einen Umkehrpunktaufweisen. In diesem Punkt ist der Kraftübertragungswinkel beta = 0°. Dies bedeutet, dass obwohl hier die Kraft am größten ist, diese keinen Einfluss auf die
Auslenkbewegung hat und dieser auch nicht entgegenwirkt. Die Kraft geht durch den Momentanpol P und steht im Punkt U1 senkrecht zur Tangente T1 der Bahnlinie u1.
Im Bereich Phase 4 bis 6 fällt die Kurve u1 wieder in Richtung der Druckkraft F1 ab. Der Abstand U1 zu Ux1 vergrößert sich, die Kraft nimmt ab, aber der in Bewegungsrichtung wirkende Anteil nimmt zu.
Zusammenfassend heißt dies, dass die Kinematik des Vier-Gelenk-Aufbaus und die Lagen, also die Wirkungslinien der Federn (U1 , Ux1 sowie U2, Ux2) so zu wählen ist, dass die oben beschriebene Charakteristik, wie in Fig. 12 beispielhaft gezeigt, durchlaufen wird.
Die Kinematik des Vier-Gelenk-Aufbaus ist so ausgelegt, dass die Schnecke 2a mindestens bis zum Kipppunkt (Phase 3) im Eingriff ist. Die Phase 4 beschreibt den Eingriff der Schnecke 2a über diesen Punkt hinaus bis zum Verlassen (Phase
5). Sie kann kurzgehalten werden, dient jedoch als Sicherheit für einen sicher abgeschlossenen und insbesondere ratterfreien Entkoppelvorgang.
Die Federn F1 und F2 sind in der hier aufgezeigten Variante reine Druckfedern. In einer Ausprägungsform sind sie in ihrer Wirklänge begrenzt, dies bedeutet, dass bei Auslenkung die nicht belastete Feder nach Entspannung nicht mehr anliegt und wirkt. In einer Ausprägungsform kann eine der beiden Schwingen 13.1 oder 13.2, je nach Auskoppelrichtung, im Auskoppelvorgang eine Totlage d.h. eine Umkehrlage durchlaufen, in der der Momentanpol P im jeweiligen Gelenk A oder B liegt. Dies kann zu der gewünschten Form der Koppelkurve s1 bzw. s2 führen.
Die Koppelkurve k des Kontaktpunktes K steht in Mittellage im Wesentlichen bzw. mit großem Anteil senkrecht zur Schneckenradtangente, d.h. eine Auslöse- und Ausrückbewegung der Zähne erfolgt im Wesentlichen d.h. mit großem Anteil direkt in Radialrichtung.
Der zulässige Federweg muss größer oder zumindest gleich der
Ausrückbewegung des Koppelträgers am Eingriffspunkt der Feder in Wirkrichtung der Feder sein.
Um den Auslösevorgang zu ermöglichen, darf die Summe der auf den
Koppelträger wirkenden Kräfte nicht null sein. Demnach muss die auskoppelend wirkendende Kraft stets größer als die entgegenhaltenden Kräfte sein.
Zur Messung der Kräfte im Gelenk können verschiedene Varianten herangezogen werden. So können die Stabkräfte der beiden Schwingen 13.1 und 13.2
gemessen werden oder die Auflagekräfte an den Federaufnahmepunkten.
Weiterhin ist es möglich einen Messflansch abtriebsseitig im Schneckenrad 4a zu integrieren oder die Axialkraft der Schnecke 2a zu messen, wie es in dargestellten Beispiel der Fig. 13 dargestellt ist.
Zur Messung von Kräften wird grundsätzlich die Verformung der mit den Kräften beaufschlagten Körper gemessen. Dies kann mittels unterschiedlicher Verfahren geschehen. Messprinzipien können dabei die Nutzung von Dehnmesstreifen, die Nutzung optischer Messprinzipien, sowie induktive Wegmessungen, die z.B. die Verformung eine Feder messen, sein. In diesem Beispiel der Fig. 13 erfolgt die Messung durch eine Wägezelle 14, die die Axialkraft an den Lagerungen der Schnecke 2a im Koppelträger d.h. in der Schaltwippe 8a misst.
Der Kraftfluss stellt sich dabei folgendermaßen dar, er läuft ausgehend vom Schneckenrad 4a über die Schnecke 2a in das Lager der Schnecke 2a und von dort aus in einen Deckel der Wägezelle 14 und nach der Wägezelle 12 über ein Abschlussblech und einer Verschraubung in den Koppelträger d.h. die
Schaltwippe 8a.
Da die Wägezelle 14 keine Zugkräfte messen kann, wird die Schnecke 2a mit der Hälfte des Messbereichs vorgespannt. Dazu sind auf der rechten Seite der Schnecke 2a zwei Tellerfedern 15 zwischen dem Absatz der Schnecke 2a und dem Lager angeordnet. Diese werden über das Anziehen der Verschraubung des Abschlussbleches vorgespannt. Es entsteht eine sogenannte elastische
Anstellung. In diesem Fall wird die Lagerung beispielsweise über
Schrägkugellager realisiert. Je nach Belastung lassen sich allerdings auch
Gleitlager mit Bund oder Rillenkugellager verwenden. Wirkt die Axialkraft nun in Richtung der Tellerfedern 15, sinkt die auf die Wägezelle 14 wirkende Kraft. Wirkt die Axialkraft hingegen in die andere Richtung wird die Wägezelle 14 stärker belastet. Um auf das Moment zu schließen wird die Axialkraft mit dem Radius des Wirkkreises des Schneckenrads 4a multipliziert.
Für den Überlastfall und der daraus resultierenden Auskupplung der Schnecke 2a, ist ein schlagartiger Kraftabfall an der Wägezelle 14 detektierbar. Somit kann dieses Signal zur Erfassung der Überlast genutzt werden und beispielsweise eine Steuerung des Roboters das Antriebsglied ausschalten.
Da Schnecke 2a und Schneckenrad 4a vollständig voneinander getrennt werden können, ist vorzugsweise eine abtriebsseitige Positionsbestimmung vorgesehen, denn nach dem Einkoppeln ist nicht gewährleistet, dass der Eingriff an gleicher Position wie bei der Trennung erfolgt. Auch hier ergeben sich verschiedene anwendbare Lösungen. Zum einen die Möglichkeit einer optischen Encoderscheibe, die den Vorteil einer großen
Hohlwelle bietet, wie auch eine auf dem Hall-Prinzip basierende linear
exzentrische Sensorik. Dazu kann ein Ringmagnet mit einer Vielzahl an Polpaaren ausgestattet werden und somit eine sehr hohe Auflösung generieren. Eine bevorzuge Variante ist ein axialer Hall-Encoder der in der abtriebsseitigen
Roboterstruktur sitzt. Dieser hat den Vorteil, dass seine Absolutposition
programmierbar ist. Der Nachteil der Konzentrizität wird dadurch umgangen, dass die Kabel durch einen Schlitz oberhalb des Sensors aus der Hohlwelle geführt werden. Neben der abtriebsseitigen Positionsbestimmung ist auch eine
antriebsseitige Positionsbestimmung zweckmäßig. Um dies zu realisieren kann das zuvor gewählte Messprinzip verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar die Position der Motorwelle über die im Motor 1 1 verbauten Hall-Elemente zur Bestimmung der Ankerposition zu verwenden. Die Lagerung des Schneckenrades 4a wird über eine angestellte Lagerung realisiert. Der Aufbau besteht aus zwei ineinanderlaufenden Wellen, deren Drehbewegung bei gleichzeitiger Kraftabstützung durch zwei Rillenkugellager erfolgt. Um das Spiel in der Lagerung gering zu halten wird eine angestellte Lagerung verwendet und die Lager werden mit einer Klemmhülse miteinander verspannt.

Claims

Patentansprüche
1. Mechanisches Überlast-Schaltwerk zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied (2) und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten
Übertragungsglied (2) zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied (4) in einem Antriebsstrang (16), aufweisend ein das erste Übertragungsglied (2) lagerndes Schaltglied (8), das in einem Gestell (5) verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung (S1 ), die durch ein Zusammenwirken eines ersten Federmittels (9) und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel (9) arbeitendes zweites
Federmittels (10) eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied (2) zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten
Übertragungsglied (4) zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung (S2), in welcher das Schaltglied (8) bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste
Federmittel (9) hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung (S3), in welcher das Schaltglied (8) bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel (10) hineinbewegt ist.
2. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaltglied (8) als eine Schaltwippe (8a) ausgebildet ist, indem das Schaltglied (8) mittels einer Viergelenk- Anordnung in dem Gestell (5) gelagert ist, wobei das Schaltglied (8) ein erstes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer ersten Schwinge (13.1 ) schwenkbar gelagert ist, das Gestell (5) ein zweites Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der ersten Schwinge (13.1 ) schwenkbar gelagert ist, das Schaltglied (8) ein drittes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer zweiten Schwinge (13.2) schwenkbar gelagert ist, und das Gestell (5) ein viertes Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der zweiten Schwinge (13.2) schwenkbar gelagert ist, und das Schaltglied (8) außerdem einen ersten Federangriffspunkt aufweist, an dem das erste Federmittel (9) an das Schaltglied (8) angekoppelt ist und einen zweiten Federangriffspunkt aufweist, an dem das zweite Federmittel (10) an das Schaltglied (8) angekoppelt ist.
3. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stablängen der ersten Schwinge (13.1 ) und der zweiten Schwinge (13.2), sowie die Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks eine trapezförmige Gelenkkoppelanordnung ausbilden, welche von einer dem zweiten Übertragungsglied (4) gegenüberliegenden Seite des Schaltglieds (8) ausgehend das Schaltglied (8) in der ersten stabilen Stellung (S1 ) des Überlast-Schaltwerks (1 ) hält, wenn die
Gelenkkoppelanordnung ein symmetrisches Trapez bildet.
4. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stablängen der ersten Schwinge (13.1 ) und der zweiten Schwinge (13.2), sowie die Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks der trapezförmigen Gelenkkoppelanordnung
ausgebildet sind, im Auskopplungspunkt der Schaltwippe (8a), in dem das erste Übertragungsglied (2) vollständig von dem zweiten Übertragungsglied (4) außer Eingriff gerät, wenn das Überlast-Schaltwerk (1 ) von der ersten stabilen Stellung (S1 ) in die zweite stabile Stellung (S2) umschwenkt, das erste Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten
Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das erste
Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem dritten Drehgelenk gegenüber liegt, und im Auskopplungspunkt der Schaltwippe (8a), in dem das erste Übertragungsglied (2) vollständig von dem zweiten Übertragungsglied (4) außer Eingriff gerät, wenn das Uberlast-Schaltwerk (1 ) von der ersten stabilen Stellung (S1 ) in die dritte stabile Stellung (S3) umschwenkt, das dritte Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das dritte Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem ersten Drehgelenk gegenüber liegt.
5. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federangriffspunkt und der zweite Federangriffspunkt der Viergelenk-Anordnung gegenüberliegend an der Schaltwippe (8a) angeordnet sind und zwar hinsichtlich Position und
Abstand derart, sowie hinsichtlich der Kraftrichtungen des ersten
Federmittels (9) und des zweiten Federmittels (10) derart, dass am Kipp- Punkt der Schaltwippe (8a), an dem das Überlast-Schaltwerk (1 ) von der ersten stabilen Stellung (S1 ) in die zweite stabile Stellung (s2) umschwenkt, das erste Federmittel (9) entspannt ist oder von der Schaltwippe (8a) abgekoppelt ist und das zweite Federmittel (10) maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des zweiten Federmittels (10) durch den
Momentanpol der Schaltwippe (8a) läuft, oder am Kipp-Punkt der
Schaltwippe (8a), an dem das Überlast-Schaltwerk (1 ) von der ersten stabilen Stellung (S1 ) in die dritte stabile Stellung (S3) umschwenkt, das zweite Federmittel (10) entspannt ist oder von der Schaltwippe (8a) abgekoppelt ist und das erste Federmittel (9) maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des ersten Federmittels (9) durch den Momentanpol der Schaltwippe (8a) läuft.
6. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Schaltglied (8) gelagerte erste Übertragungsglied (2) mittels eines Motors (1 1 ) angetrieben ist, der auf dem Schaltglied (8) angeordnet ist, so dass der Motor (1 1 ) zusammen mit dem ersten Übertragungsglied (2) bei einer Schaltbewegung des
Schaltglieds (8) mitbewegt wird.
7. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Übertragungsglied (2) ein erstes Zahnrad, insbesondere ein Antriebszahnrad, eines Getriebes ist und das zweite Übertragungsglied (4) ein zweites Zahnrad, insbesondere ein Abtriebszahnrad, des Getriebes ist, in welches Getriebe das Überlast-
Schaltwerk (1 ) integriert ist.
8. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Getriebe als ein Schneckengetriebe ausgebildet ist oder das Getriebe eine Schneckengetriebestufe aufweist, wobei das erste Übertragungsglied (2) durch eine Schnecke (2a) des
Schneckengetriebes oder der Schneckengetriebestufe und das zweite Übertragungsglied (4) durch ein mit der Schnecke (2a)
zusammenwirkendes Schneckenrad (4a) des Schneckengetriebes oder der Schneckengetriebestufe gebildet wird.
9. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Übertragungsglied (2) ein erstes Kupplungsglied einer ausrückbaren Kupplung ist und das zweite
Übertragungsglied (4) ein mit dem ersten Kupplungsglied
zusammenwirkendes zweites Kupplungsglied der ausrückbaren Kupplung ist, in welche Kupplung das Überlast-Schaltwerk (1 ) integriert ist.
10. Mechanisches Überlast-Schaltwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlast-Schaltwerk (1 ) eine
Komponente im Antriebsstrang (16), insbesondere in einem Getriebe oder einer Kupplung eines Antriebs eines Gelenkes (21 ) in einem Roboterarm (7) ist.
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