Wellqetriebe für einen Roboter sowie Roboter mit einem Wellqetriebe
Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Dreh moments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Roboter mit einem Wellgetriebe.
Aus der DE 102018 123915 A1 geht ein Wellgetriebe, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend lokal radial verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Die Au ßenverzahnung des flexiblen Ringelements steht zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff. Der Wellgenerator umfasst ein unrund ausgebilde tes Lagerelement, bestehend aus einem Innenring, einem Außenring sowie radial da zwischen angeordneten Wälzkörpern. Das Lagerelement ist als Pendelrollenlager ausgebildet und der Innenring ist drehfest mit einer Welle verbunden. Der Außenring und das flexible Ringelement sind zwei separate Bauteile, die drehfest miteinander verbunden sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein alternatives Wellgetriebe insbesondere für einen Roboter zu entwickeln. Ferner soll das Wellgetriebe eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Well generator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit ei ner Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator ein unrund ausgebil-
detes Lagerelement aufweist, umfassend Wälzkörper, einen Innenring mit einer ersten Laufbahn für die Wälzkörper und einen Außenring mit einer zweiten Laufbahn für die Wälzkörper, wobei das Lagerelement zumindest teilweise in das flexible Ringelement axial hineinragt, und wobei der Innenring drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei das Lagerelement als einreihiges Zylinderrollenlager ausgebildet ist, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an einer Innenumfangsfläche des Außenrings radial in Richtung der Wälzkörper zumindest teilweise konvex gewölbt ist.
Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit der Welle in Wirkverbin dung, wobei die Welle vorzugsweise von einer elektrischen Maschine angetrieben ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise wei sen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellge triebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innen rings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle aus gebildet. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.
Das flexible Ringelement wird auch Flexspline genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellge nerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbeson dere wird die äußere Form des Wellgenerators durch den Außenring gebildet. Die Wälzkörper des Lagerelements kommen an der Außenumfangsfläche des Innenrings zur Anlage, wobei die erste Laufbahn für die Wälzkörper an der Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet ist. Ferner kommen die Wälzkörper des Lagerelements an der Innenumfangsfläche des Außenrings zur Anlage, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des Außenrings ausgebildet ist. Das fle xible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Well generators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen
Ringelements im Betrieb des Wellgenerators zur drehfesten Aufnahme der Außenum fangsfläche des Außenrings des Lagerelements eingerichtet ist.
Der Außenring kann sowohl drehfest als auch zunächst drehbar mit dem flexiblen Ringelement verbunden sein, wobei unter dem Begriff „zunächst drehbar“ zu verste hen ist, dass der Außenring während der Montage des Lagerelements in das flexible Ringelement keine direkte Verdrehsicherung zum flexiblen Ringelement aufweist. Je doch kann sich der Außenring nach einer elastischen Verformung des flexiblen Rin gelements in die elliptische oder ovale Form nicht mehr verdrehen und ist somit in Be zug auf das flexible Ringelement drehfest.
Während des Betriebs wird der Wellgenerator rotiert, wodurch der Innenring des La gerelements relativ zum flexiblen Ringelement und dem darin drehfest aufgenomme nen Außenring des Lagerelements verdreht wird. Dabei verformt das flexible Rin gelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Wellgenerator während des Betriebs des Wellge triebes in eine Rotationsbewegung versetzt, die bewirkt, dass das flexible Ringele ment eine umlaufende Verformung erfährt.
Bevorzugt steht die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden.
Das starre Ringelement, auch Circular Spline genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausge bildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Ro tation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das
starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des einreihigen Zylinderrollenlagers zwischen dem Innenring und dem Außenring.
Die als Zylinderrollen ausgebildeten Wälzkörper können in Verbindung mit der zumin dest teilweise konvex gewölbten zweiten Laufbahn am Außenring besonders vorteil haft Kippbewegungen im Lagerelement und somit auch im Wellgenerator ausgleichen. Unter einer zumindest teilweise konvex gewölbten zweiten Laufbahn am Außenring ist zu verstehen, dass die Innenumfangsfläche des Außenrings, die als äußere Laufbahn für die Wälzkörper vorgesehen ist, radial nach innen zu den Wälzkörpern hin eine konvexe Wölbung aufweist. Insbesondere erstreckt sich diese konvexe Wölbung nicht nur teilweise, sondern vollständig entlang der zweiten Laufbahn für die Wälzkörper. Über den Radius bzw. den Grad der Wölbung der konvex geformten zweiten Lauf bahn am Außenring lassen sich Hertzsche-Pressungen einstellen, insbesondere re duzieren, wodurch die Lebensdauer des Wellgetriebes verlängert wird. Ferner wird auch eine Montage des Wellgenerators gegenüber eines Wellgenerators mit einer Kugellagerung vereinfacht, insbesondere dann, wenn die Anzahl der Zylinderrollen erhöht und der Durchmesser der Zylinderrollen verringert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Innenring des Lagerelements einen ersten Bord auf, wobei die Welle einen zweiten Bord aufweist. Unter einem ersten bzw. zweiten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach außen ausgebildete Ausformung an dem Innenring bzw. an der Welle zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.
Vorzugsweise weist der Außenring des Lagerelements einen dritten Bord und einen vierten Bord auf. Unter einem dritten bzw. vierten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach innen ausgebildete Ausformung an dem Außenring zu verstehen, die dazu ein gerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das flexible Ringelement und der Außenring des Lagerelements einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten sind das flexible Ringelement und der Außenring monolithisch, wobei die Au ßenverzahnung und die zweite Laufbahn für die Wälzkörper einteilig an einem Bauteil, nämlich dem flexiblen Ringelement ausgebildet sind. Der Außenring ist somit in das flexible Ringelement integriert und bündelt die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements mit den Lauf bahnfunktionen für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringele ments. Weil ein separater Außenring nicht existent ist, entfällt eine Spielpassung zwi schen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement, wobei dies dazu führt, dass die Steifigkeit des Wellgetriebes konstant bleibt, wodurch die Präzision und die Effizienz des Wellgetriebes erhöht werden.
Bevorzugt weist der Innenring des Lagerelements einen ersten Bord und einen zwei ten Bord auf. Unter einem ersten bzw. zweiten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach außen ausgebildete Ausformung an dem Innenring zu verstehen, die dazu ein gerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in ei nem Käfig geführt. Vorzugsweise ist der Käfig aus einem Polymerwerkstoff ausgebil det. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß an den Wälzkörpern gesenkt.
Vorzugsweise ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper in einem Bereich des Außen rings ausgebildet, der radial entgegengesetzt und im Wesentlichen mittig zu der Au ßenverzahnung an dem flexiblen Ringelement angeordnet ist. Mit anderen Worten wälzen die Wälzkörper in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung am flexib len Ringelement. Dadurch wird ein besonders sauberer und effizienter Zahneingriff realisiert.
Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellge triebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in einem Gelenk für ei nen Roboterarm angeordnet und wirkt zumindest mittelbar zwischen zwei Roboter armsegmenten.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
Figur 1a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines hälftig darge stellten erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß einem ersten Ausfüh rungsbeispiel,
Figur 1b eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellge triebes gemäß Figur 1a,
Figur 2a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines hälftig darge stellten erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel,
Figur 2b eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellge triebes gemäß Figur 2a, und
Figur 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines nur teilweise darge stellten Roboters mit einem erfindungsgemäßen Wellgetriebe.
Die Figuren 1a und 1 b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß den Figuren 1a und 1 b umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 , das vorlie gend nur hälftig dargestellt ist, einen Wellgenerator 2 mit einem als einreihiges Zylin derrollenlager ausgebildetes Lagerelement 6. Das Lagerelement 6 weist einen Innen ring 8, einen Außenring 9 sowie eine Vielzahl von räumlich dazwischen angeordneten und beabstandet zueinander geführten Wälzkörpern 7 auf. Die Wandstärke des Innen rings 8 ist übertrieben dargestellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Der Innenring 8 weist an der Außenumfangsfläche eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Der Außenring 9 weist an der Innenumfangsfläche eine zweite Laufbahn 9a für die Wälzkörper 7 auf, wobei die zweite Laufbahn 9a radial in Richtung der Wälzkörper 7 konvex gewölbt ist, sodass die maximale Wandstärke des Außen-
rings 9 aufgrund der Wölbung im Wesentlichen axial mittig zu den Wälzkörpern 7 ist. Der Innenring 8 des Lagerelements 6 weist einen ersten Bord 8b auf, wobei die Welle 16 einen zweiten Bord 16a aufweist. Der erste Bord 8b dient als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7, wobei der zweite Bord 16a zum einen als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7 und zum anderen als axialer Anschlag für den Innenring 8 dient. Der Außenring 9 des Lagerelements 6 weist einen dritten Bord 9b und einen vierten Bord 9c auf, die jeweils als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7 vorgesehen sind. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 16, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufgeschrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 16 von einem - hier nicht dargestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewe gung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 16 als Hohlwelle ausgebildet.
Der Innenring 8 und der Außenring 9 des Lagerelements 6 weisen vorliegend eine el liptische Außengeometrie auf, wobei die Außenumfangsfläche des Außenrings 9 an einer Innenumfangsfläche eines flexiblen Ringelements 3 drehfest zur Anlage kommt. Vor der Montage des Lagerelements 6 weist der Außenring 9 eine im Wesentlichen runde Außengeometrie auf, die sich jedoch während der Montage in Abhängigkeit der Außengeometrie des Innenrings 8 elastisch in die elliptische Außengeometrie ver formt. Der Wellgenerator 2 bzw. das Lagerelement 6 ist in das flexible Ringelement 3 eingepresst, sodass der Wellgenerator 2 mit dem Lagerelement 6 in das flexible Rin gelement 3 hineinragt. Dabei nimmt das flexible Ringelement 3 die elliptische Form des Wellgenerators 2 an. Während des Betriebs des Wellgetriebes 1 wird der Wellge nerator 2 in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei der Außenring 9 sowie das fle xible Ringelement 3 lokal radial verformen. Anders gesagt bewirkt die Rotation des Wellgenerators 2 um eine Rotationsachse 11 , dass das flexible Ringelement 3 und der Außenring 9 umlaufend verformt werden.
In Figur 1a ist ferner gezeigt, dass das flexible Ringelement 3 eine Außenverzahnung 3a aufweist, die zur Übertragung eines Drehmoments mit einer Innenverzahnung 4a eines starren Ringelements 4 des Wellgetriebes 1 in Zahneingriff steht. Da sich das flexible Ringelement 3 an die elliptische Form des Wellgenerators 1 anpasst, steht das flexible Ringelement 3 mit dessen Außenverzahnung 3a an zwei symmetrisch gegen überliegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4 in Zahneingriff.
Gemäß Figur 1 b ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 9a für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des Außenrings 9 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung 3a am flexiblen Ringelement 3 angeordnet ist. In Figur 1 b wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzich tet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.
Die Figuren 2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß den Figuren 2a und 2b umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 einen Wellge nerator 2, der ein Lagerelement 6 mit einem Innenring 8 und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern 7 aufweist. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben dargestellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Das Lagerelement 6 ist als ein reihiges Zylinderrollenlager ausgebildet, sodass die Wälzkörper 7 als Zylinderrollen ausgebildet sind. Der Innenring 8 weist eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Die erste Laufbahn 8a ist umlaufend an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 an der Außenumfangsfläche des Innen rings 8 ab. Ferner weist der Innenring 8 des Lagerelements 6 einen ersten Bord 8b und einen zweiten Bord 8c auf. Die beiden Borde 8b, 8c dienen als axiale Anlaufflä chen für die Wälzkörper 7. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 16, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufgeschrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 16 von einem - hier nicht dargestellten - Elektro motor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 16 als Hohl welle ausgebildet. Ferner weist das Wellgetriebe 1 ein von dem Wellgenerator 2 um laufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außen verzahnung 3a und ein starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a auf. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzah nung 4a des starren Ringelements 4 in Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist als Hohlrad ausgebildet.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das flexible Ringelement 3 und der Außenring 9 des Lagerelements 6 einteilig ausgebildet. Der Außenring 9 ist vorliegend in das flexible Ringelement 3 integriert und dadurch als separates Bauteil nicht mehr existent. Das flexible Ringelement 3 bündelt die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement 4 an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper 7 an der Innenumfangsfläche des fle xiblen Ringelements 3. An dem flexiblen Ringelement 3 ist eine zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 ausgebildet. Die zweite Laufbahn 9b, die durch die Integration des Außenrings 9 an dem flexiblen Ringelement 3 ausgebildet ist, ist radial in Rich tung der Wälzkörper 7 konvex gewölbt, sodass die maximale Wandstärke des flexib len Ringelements 3 aufgrund der Wölbung im Wesentlichen axial mittig zu den Wälz körpern 7 ist.
Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a und der zweiten Laufbahn 3b einteilig ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 unmittelbar an der Innenum fangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ab. Die Wälzkörper 7 folgen der exzentri schen Form der ersten Laufbahn 3a und verformen dadurch das flexible Ringelement 3 mit der Außenverzahnung 3a. Aufgrund der geringfügig unterschiedlichen Anzahl von Zähnen zwischen der Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3a und der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4, entsteht eine hohe Übersetzung zwischen der Welle 16 und dem starren Ringelement 4.
Gemäß Figur 2b ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung 3a angeordnet ist. In Figur 2b wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 12. Zwischen einem ersten Roboter armsegment 12a und einem zweiten Roboterarmsegment 12b ist ein Gelenk 13 ange ordnet, das die beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b gelenkig miteinander verbindet. Zur Veränderung der Position der beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b zueinander
weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen Elektromotor 15 und ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1.
Bezuqszeichenliste
1 Wellgetriebe
2 Wellgenerator
3 flexibles Ringelement
3a Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement
3b zweite Laufbahn an dem flexiblen Ringelement
4 starres Ringelement
4a Innenverzahnung an dem starren Ringelement
5a, 5b Zahneingriffsbereich 6 Lagerelement
7 Wälzkörper
8 Innenring
8a erste Laufbahn an dem Innenring
8b erster Bord an dem Innenring
8c zweiter Bord an dem Innenring
9 Außenring
9a zweite Laufbahn an dem Außenring
9b dritter Bord an dem Außenring
9c vierter Bord an dem Außenring
10 Käfig 11 Rotationsachse 12 Roboter 12a erster Roboterarmsegment 12b zweiter Roboterarmsegment
13 Gelenk
14 Antriebseinheit
15 Elektromotor
16 Welle 16a zweiter Bord an der Welle