WO2023109997A1

WO2023109997A1 - Verfahren zum steuern einer ausganswelle bei einer antriebseinheit

Info

Publication number: WO2023109997A1
Application number: PCT/DE2022/100746
Authority: WO
Inventors: Daisuke Kirihara
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2023-06-22
Also published as: DE102021133572A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Steuern einer Winkelposition einer Ausgangswelle bei einer Antriebseinheit (100), aufweisend die Schritte: - Erfassen eines Richtungswechsels einer Antriebsvorrichtung (5), - Erfassen des von einem flexiblen Ring (6.3) eines Spannungswellengetriebes übertragenen Drehmoments unmittelbar bei erfasstem Richtungswechsel mittels eines zweiten Sensors (12), - Bestimmen einer Antriebsperiode der Antriebsvorrichtung (5) bis zum erwarteten Erreichen einer Übertragungstorsion (14.1, 14.2) des flexiblen Rings (6.3) anhand des ersten Drehmoments, - Antrieb einer Antriebswelle (4) mittels der Antriebsvorrichtung (5) über die Antriebsperiode, - Erfassen einer Winkelpositionsänderung der Ausgangswelle unmittelbar nach Ablauf der Antriebsperiode mittels eines ersten Sensors (11.1), und - Steuern der Antriebsvorrichtung anhand des ersten Sensors (11.1) im Anschluss an die Antriebsperiode bei Erfassen einer Winkelpositionsänderung.

Description

Verfahren zum Steuern einer Ausqanswelle bei einer Antriebseinheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Winkelposition einer Ausgangswelle bei einer Antriebseinheit mit einer Antriebswelle, einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Antriebswelle und einem Spannungswellengetriebe zum Übersetzen der Antriebswelle auf die Ausgangswelle, wobei das Spannungswellengetriebe einen mit der Antriebswelle wirkverbundenen Wellenerzeuger, einen flexiblen Ring und einen mit der Ausgangswelle verbundenen Zahnring aufweist, umfassend einen ersten Sensor zum Erfassen der Winkelposition der Ausgangswelle und einen zweiten Sensor zum Erfassen eines von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoments. Die Erfindung betrifft auch eine solche Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit zum Ausführen eines Verfahrens eingerichtet ist sowie einen Roboter mit einer solchen Antriebseinheit.

Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in der Robotik eingesetzt, um beispielsweise Roboterarme zu verfahren, deren Anwendung in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik liegt. Dafür sind die Antriebseinheiten mit Spannungswellengetrieben ausgestattet, um für ein präzises Verfahren eine sehr hohe Übersetzung zwischen Antriebsvorrichtung und dem zu verfahrenden Teil des Roboters zu ermöglichen. Spannungswellengetriebe weisen einen Wellenerzeuger bzw. Wellengenerator auf, der einen unrunden, insbesondere ovalen Querschnitt aufweist und in einem flexiblen Ring, auch Flexspline genannt, umläuft, wobei der flexible Ring umlaufend verformt wird. Der flexible Ring weist eine Außenverzahnung auf, die lediglich an den zwei außen liegenden Punkten seiner Verformung in eine Innenverzahnung eines als Außenrings ausgebildeten Zahnrings eingreift. Durch die umlaufende Verformung laufen auch die Eingriffspunkte um, wobei sich die Zähnezahl von flexiblem Ring und Zahnring unterscheiden, so dass der Zahnring in eine Drehbewegung versetzt wird, die wesentlich langsamer ist als die Drehbewegung des Wellenerzeugers.

Die Antriebsvorrichtung wird dabei mittels eines Steuerverfahrens gesteuert, um die Ausgangswelle möglichst präzise auf Soll-Winkelpositionen zu verfahren. Dabei sind üblicherweise an der Antriebswelle und an der Ausgangswelle Sensoren angeordnet, die als Istwertgeber zum Steuern der Antriebsvorrichtung dienen, wobei der Sensor an der Antriebswelle zur Grob- und der Sensor an der Ausgangswelle zur Feinpositionieren genutzt wird. Das Vorsehen von zwei Sensoren ist insbesondere deswegen nötig, weil bei einem Antreiben der Antriebswelle und somit auch der Ausgangswelle der flexible Ring in Form einer Torsion gedehnt wird, insbesondere während einer Beschleunigung der Antriebseinheit, wobei die Dehnung den Zusammenhang zwischen der Winkelposition der Antriebswelle und der Winkelposition der Ausgangswelle überlagert. Eine ausreichend präzise Steuerung der Ausgangswelle mit nur einem der Sensoren ist daher nicht möglich. Als Antriebsvorrichtungen werden üblicherweise Elektromotoren, insbesondere Scheibenläufermotoren und als Sensoren inkrementelle Drehgeber verwendet. Eine entsprechende Antriebseinheit ist beispielsweise aus KR 102061693 B1 bekannt.

Aus JP 6334317 B ist ferner eine Antriebseinheit mit einem Sensor zum Detektieren der Dehnung der Ausgangswelle bekannt. Aus JP 2020 196091 A ist ebenfalls ferner ein Servomotor mit steuerbarem Drehmoment bekannt. Aus JP 5955447 B ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlem bei einem Sensor bekannt. Letztlich ist aus JP 2003 061377 A eine Vorrichtung zum Steuern eines Motors bekannte, die Steuerparameter automatisch einstellen kann.

Nachteilig sind Antriebseinheiten mit Sensoren an der Ausgangswelle und an der Antriebswelle aufwändig, teuer und benötigen viel Bauraum.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit vorzuschlagen, bei der die beschriebenen Nachteile nicht bestehen. Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 . Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 6 sowie den Gegenstand von Patentanspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Ein Verfahren zum Steuern einer Winkelposition einer Ausgangswelle bei einer eingangs beschriebenen Antriebseinheit weist nach einem Aspekt der Erfindung folgende Schritte auf:

- Erfassen eines Richtungswechsels der Antriebsvorrichtung gegenüber einer vorausgegangenen Drehung, - Erfassen des von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoments unmittelbar bei erfasstem Richtungswechsel mittels des zweiten Sensors,

- Bestimmen einer Antriebsperiode der Antriebsvorrichtung bis zum erwarteten Erreichen einer Übertragungstorsion des flexiblen Rings anhand des ersten Drehmoments,

- Antrieb der Antriebswelle mittels der Antriebsvorrichtung über die Antriebsperiode,

- Erfassen einer Winkelpositionsänderung der Ausgangswelle unmittelbar nach Ablauf der Antriebsperiode mittels des ersten Sensors, und

- Steuern der Antriebsvorrichtung anhand des ersten Sensors im Anschluss an die Antriebsperiode bei Erfassen einer Winkelpositionsänderung.

Unter einem Richtungswechsel ist zu verstehen, dass die Antriebsvorrichtung die Antriebswelle vor dem Richtungswechsel in einer ersten Richtung antreibt bzw. angetrieben hat und nach dem Richtungswechsel in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung antreibt. Ein Richtungswechsel geht insofern mit einem Abbremsen und einem anschließenden Beschleunigen der Antriebseinheit einher. Als Richtung ist dabei immer eine Drehrichtung zu verstehen. Bei einer Drehung der Antriebsvorrichtung in einer Richtung werden auch die Antriebswelle, das Spannungswellengetriebe bzw. alle Bauteile des Spannungswellengetriebes und die Ausgangswelle jedenfalls nach einer Anfangsphase in dieser Richtung gedreht. Eine vorausgegangene Drehung der Antriebsvorrichtung kann dabei zu einem Antrieb der Ausgangswelle in der ersten Richtung bis unmittelbar vor dem Richtungswechsel bestehen oder dem Richtungswechsel zeitlich beabstandet vorausgegangen sein.

Bei einer Drehung in der ersten Richtung besteht eine Torsion in dem flexiblen Ring in der ersten Richtung. Bei einer Drehung in der zweiten Richtung nach dem Richtungswechsel wird die Torsion des flexiblen Rings in der ersten Richtung abgebaut und eine Torsion in der zweiten Richtung aufgebaut. Besteht zwischen der Drehung in der ersten Richtung und der Drehung in der zweiten Richtung ein zeitlicher Abstand, während dem kein Drehmoment an dem flexiblen Ring anliegt, so baut dich die Torsion bis auf einen Restwert ab und wird ausgehend von dem Restwert bei der Drehung in der zweiten Richtung in der zweiten Richtung aufgebaut. Während des Abbaus und/oder Aufbaus der Torsion wird noch keine oder nur sehr wenig Antriebsleistung auf die Ausgangswelle übertragen. Stattdessen wird das Antriebsdrehmoment in Formänderungsenergie zum Aufbau der beschriebenen Torsion gewandelt. Sobald an dem fle- xiblen Ring eine Übertragungstorsion gänzlich ausgebildet ist, korrespondiert die Drehbewegung der Ausgangswelle in linearem Zusammenhang mit der Antriebsvorrichtung. Als Übertragungstorsion wird dabei eine Torsion des flexiblen Rings verstanden, bei der das Eingangsmoment an dem flexiblen Ring dem Ausgangsmoment entspricht, also keine weitere stattfindet.

Der Zusammenhang zwischen der an dem flexiblen Ring anliegenden Torsion und dem durch den flexiblen Ring übertragenen Drehmoment stellt beim Übergang zwischen einer Drehung in der ersten Richtung und einer Drehung in der zweiten Richtung eine Hysterese dar. Das bedeutet, dass der Zusammenhang zwischen den beiden Größen abhängig davon ist, in welcher Richtung der Wechsel zwischen zwei Drehungen erfolgt. Ausgehend von einer Drehung in der ersten Richtung hin zu einer Drehung in der zweiten Richtung folgt der Verlauf einem ersten Pfad und ausgehend von einer Drehung in der zweiten Richtung hin zu einer Drehung in der ersten Richtung einem zweiten Pfad. Bei einem Richtungswechsel wechselt der Zusammenhang von dem ersten auf den zweiten Pfad. Fallen bei ausgebildeter Übertragungstorsion die Pfade zusammen, ist die Torsion bei einem Richtungswechsel trotz Pfadwechsel jederzeit bestimmbar. Erfolgt er Pfadwechsel abseits der Übertragungstorsion, erfolgt ein Wechsel zwischen den Pfaden auf nicht näher definierbarem Zwischenpfad.

Die Erfindung hat nun erkannt, dass durch die Betrachtung des von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoment unmittelbar vor einem Richtungswechsel insbesondere in Anbetracht des bekannten Hystereseverhaltens der Torsion des flexiblen Rings eine Prognose darüber möglich ist, wie weit die Antriebsvorrichtung in der zweiten Richtung gedreht werden muss, bis die Übertragungstorsion in der zweiten Richtung erreicht ist. Ein entsprechender Weg, über den die Antriebsvorrichtung angetrieben werden muss bzw. eine entsprechende Zeit bei bekannter Antriebsleistung, bis die Übertragungstorsion erreicht ist, wird vorliegend als Antriebsperiode bezeichnet. Mit dieser Information ist es möglich, den Zusammenhang zwischen der Winkelposition der Antriebsvorrichtung und der Winkelposition der Ausgangwelle zu kennen, ohne dass zwischen der Antriebsvorrichtung und dem ersten Sensor an der Ausgangswelle ein messtechnisch erfassbarer Zusammenhang besteht. Genauer liegt bis zum Erreichen der Übertragungstorsion eine Steuergröße für die Antriebsvorrichtung vor, nämlich die Antriebsperiode. Es ist also mit dem ersten und dem zweiten Sensor möglich, jederzeit einen Zusammenhang zwischen der Antriebsvorrichtung und der Winkelposition der Ausgangswelle herzustellen, nämlich bis zum Erreichen der Übertragungstorsion durch die genannte Prognose der Antriebsperiode und danach über den bestehenden linearen Zusammenhang. Somit reichen der erste und der zweite Sensor zum Steuern der Antriebsvorrichtung aus. Auf einen weiteren Sensor zum Erfassen der Winkelposition der Antriebswelle kann daher verzichtet werden. Die Steuerung der Antriebseinheit ist somit vereinfacht und die Antriebseinheit kann kompakter gebaut werden und ist kostengünstiger herzustellen.

Insbesondere nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass der Zusammenhang zwischen der Torsion des flexiblen Rings und dem von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoment bei einem Richtungswechsel zumindest nach einem Pfadwechsel auf einem bekannten Pfad einer Hysteresekurve verläuft. Schließt sich der Richtungswechsel unmittelbar an eine Drehung in der ersten Richtung, insbesondere mit ausgebildeter Übertragungstorsion, an, liegt der Zusammenhang zum Zeitpunkt des Erfassens auf dem zweiten Pfad der Hysteresekurve und die vorliegende Torsion kann durch Erfassen des Drehmoments somit bestimmt werden. Es ist dabei bekannt, dass der Zusammenhang nach dem Richtungswechsel bei Erreichen der Übertragungstorsion in der zweiten Richtung auf dem ersten Pfad auf der Hysteresekurve liegen wird, wobei die Übertragungstorsion und das zu übertragene Drehmoment bekannt sind. Der Winkelabschnitt zwischen den beiden Torsionszuständen, über den die Antriebsvorrichtung verstellt werden muss, um den flexiblen Ring bis zum Erreichen der Übertragungstorsion zu verdrehen, ist also bekannt.

Ist die Torsion in dem flexiblen Ring zum Zeitpunkt des Richtungswechsels bereits abgebaut, etwa wenn ein Zeitraum ohne Antrieb vorausgegangen ist, kann ein zustand vorliegen, in dem die Torsion zum Zeitpunkt des Richtungswechsels nicht auf einem der bekannten Pfade der Hysteresekurve liegt, sondern zwischen diesen bekannten Pfaden. Insofern ist der genaue Zusammenhang zwischen der Torsion des flexiblen Rings und dem von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoment in diesem Zustand nicht genau bekannt. Die Erfindung kann aus diesem Zustand dennoch zu einer ausreichend genauen Steuerung der Antriebsvorrichtung mit den Informationen des ersten und des zweiten Sensors gelangen, indem ein Hysteresefehler für den Zusammenhang angenommen wird und mittels diesem Hysteresefehler die Torsion zum Zeitpunkt des Richtungswechsels abgeschätzt wird. Dabei ist bekannt, dass der Zusammenhang zwischen dem ersten und dem zweiten Pfad der Hysteresekurve liegt, so dass der Hysteresefehler durch diese Begrenzung bestimmt bzw. bestimmbar ist. Die Übertragungstorsion, bis zu der der flexible Ring verdreht werden muss, bleibt dabei unverändert bekannt.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Antriebsvorrichtung ausgehend von dem Richtungswechsel über die Antriebsperiode angetrieben, wobei dann die Übertragungstorsion erreicht wird. Sobald die Übertragungstorsion erreicht ist, kann die Antriebsvorrichtung mittels des zweiten Sensors direkt gesteuert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bis zum Abschluss der Antriebsperiode vorgesehen ist, dass die Antriebseinheit in einem Fehlermodus betrieben wird, der bewirkt, dass die Antriebsvorrichtung angehalten und eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Antriebsperiode durchlaufen wird und an deren Ende keine Winkelpositionsänderung an der Ausgangswelle durch den ersten Sensor erfasst wird. Wird hingegen wie erwartet eine Winkeländerung am Ende der Antriebsperiode erfasst, geht die Steuerung dazu über, die Antriebsvorrichtung mit den Ist- Werten des ersten Sensors zu steuern, solange die Drehung in der zweiten Richtung erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Antriebsperiode lediglich anhand des ersten Drehmoments bestimmt wird, wenn das erste Drehmoment außerhalb eines Grenzbereichs liegt. Es wird dann für das erfasste Drehmoment angenommen, dass dieses auf dem zweiten Pfad liegt und die Torsion des flexiblen Rings kann somit ausreichend bestimmt werden. Der Grenzbereich ist insbesondere durch die Hysteresekurven dahingehend bestimmt, dass er zwischen einem Durchgang durch die Nulllinie der Torsion des ersten Pfads und einem Durchgang durch die Nulllinie der Torsion des zweiten Pfads definiert ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Antriebsperiode anhand des ersten Drehmoments und anhand eines Hysteresefehlers des flexiblen Rings bestimmt wird, wenn das erste Drehmoment innerhalb des Grenzbereichs liegt. Dabei wird innerhalb des Grenzbereichs der Umstand, dass der Zusammenhang zwischen Torsion und Drehmoment des flexiblen Rings unbekannt ist, dadurch um- gangen, dass bekannt ist, dass der Zusammenhang in einem bestimmten Bereich, nämlich zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad liegen muss. Dieser als Hysteresefehler bezeichnete Bereich ist für jedes erfasste Drehmoment innerhalb des Grenzbereichs definiert, so dass mittels des bekannten Hysteresefehlers ein Zusammenhang zwischen Torsion und Drehmoment abgeschätzt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Antriebsperiode als Anzahl von Antriebspulsen bestimmt. Solche Antriebspulse sind insbesondere für ein Steuersignal, besonders bevorzugt ein digitales Steuersignal, der Antriebsvorrichtung definiert. Zwischen einem Antriebspuls und einer Winkelstrecke, über die die Antriebsvorrichtung bei einem Antriebspuls gedreht wird, besteht ein linearer Zusammenhang. Eine Anzahl an Antriebspulsen entspricht folglich also einer definierten Winkelstrecke, über die die Antriebsvorrichtung verstellt wird. Besonders vorteilhaft können derartige Antriebspulse unmittelbar mit Pulsen von Signalen der Sensoren, insbesondere des ersten Sensors, korrespondieren. Dabei ist der erste Sensor bevorzugt als inkrementaler Drehwertgeber ausgebildet. Die Antriebsperiode als Anzahl an Antriebspulsen besonders einfach aus dem erfassten Drehmoment abgeleitet werden und durch einfaches Zählen während dem Antrieb der Antriebsvorrichtung über die Antriebsperiode überwacht werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Roboter mit einer Antriebswelle, einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Antriebswelle und einem Spannungswellengetriebe zum Übersetzen der Antriebswelle auf die Ausgangswelle, wobei das Spannungswellengetriebe einen mit der Antriebswelle wirkver- bundenen Wellenerzeuger, einen flexiblen Ring und einen mit der Ausgangswelle verbundenen Zahnring aufweist, umfassend einen ersten Sensor zum Erfassen der Winkelposition der Ausgangswelle und einen zweiten Sensor zum Erfassen eines von dem flexiblen Ring übertragenen Drehmoments, wobei die Antriebseinheit zum Ausführen eines vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Antriebseinheit weist die bezüglich des Verfahrens vorbeschriebenen Vorteile entsprechend auf und kann insbesondere ohne einen Sensor an der Antriebswelle ausgebildet werden, so dass die Antriebseinheit einfach und kostengünstig ausgebildet ist und kompakt baut. In einer Ausführungsform sind der erste Sensor und der zweite Sensor signalwirksam miteinander verbunden. Auf diese Weise kann bereits an den Sensoren eine Zusammenführung der Signale erfolgen, wobei das gesammelte Signal dann über eine einzige Signalverbindung an eine Steuereinrichtung übertragen wird. Insbesondere weist der zweite Sensor entsprechende Datenverarbeitungsmittel auf, etwa auf einer Leiterplatine, um ein von dem ersten Sensor und ein von dem zweiten Senor erfasstes Signal zu empfangen und an eine Steuereinheit zu senden, insbesondere nach einer Formatierung in ein bevorzugtes Steuersignal. Auf diese Weise kann auch eine parallele Verbindung des ersten Sensors mit der Steuereinrichtung und des zweiten Sensors mit der Steuereinrichtung verzichtet werden, so dass die Antriebseinheit vereinfacht ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung in der Antriebseinheit abseits des Spannungswellengetriebes angeordnet ist, etwa an einem entgegengesetzten Ende.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Sensor als inkrementaler Drehgeber ausgebildet. Mit einem solchen ist eine sicheres Erfassen der Winkelposition der Ausgangswelle möglich, wobei der Sensor kompakt baut. Beispielsweise kann der Drehgeber mit 16 Bit auflösen.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Sensor an einem Kragen des flexiblen Rings angeordnet. An dem Kragen kann das über den flexiblen Ring übertragene Drehmoment besonders günstig abgegriffen werden, wobei der zweite Sensor insbesondere als Leiterplatine an dem Kragen angeordnet ist und insofern auch kompakt baut.

Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese einen Roboter mit einer vorbeschriebenen Antriebseinheit. Bei dem Roboter kann das vorbeschriebene Verfahren mit den beschriebenen Vorteilen ausgeführt werden, so dass eine sichere und genaue Positionierung eines beweglichen Teils des Roboters ermöglicht wird, während der Roboter einfach und kostengünstig aufgebaut ist und kompakt baut.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 einen Querschnitt durch eine Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 einen Zusammenhang zwischen der Torsion des flexiblen Rings und dem durch den flexiblen Ring übertragenen Drehmoment,

Figur 3 eine stark vereinfachte Darstellung des flexiblen Rings in mehreren Torsionszuständen,

Figur 4 einen Zusammenhang zwischen einer Drehung der Antriebsvorrichtung und einer Drehung der Ausgangswelle, und

Figur 5 ein Schaubild zum Ablauf eines Verfahrens nach einem Aspekt der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Antriebseinheit 100 in einer Schnittansicht mit einem diese nach außen begrenzenden Gehäuse 2. Alle Bauteile sind rotationssymmetrisch um eine Achse AX ausgebildet. Insbesondere ist das Gehäuse 2 als Zylinderhülse ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses 2 ist mittels Kugellagern 3.1 , 3.2 eine Antriebswelle 4 gelagert, die von einer als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebsvorrichtung 5 an- treibbar ist. Die Antriebsvorrichtung 5 ist als Scheibenläufermotor ausgebildet und durch einen in axialer Richtung A innenliegenden Rotor 5.1 , der auf der Antriebswelle 4 aufgepresst ist, und zwei in axialer Richtung A außenliegende Statoren 5.2, 5.3 gebildet, wobei die Statoren 5.2, 5.3 in einem Motorgehäuse 5.4 eingepresst sind, das seinerseits in dem Gehäuse 2 eingepresst ist. Der Rotor 5.1 ist demnach drehfest mit der Antriebswelle 4 und die Statoren 5.2, 5.3 drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden.

Weiterhin ist auf einer ersten Seite 1.1 der Antriebseinheit 100 ein Spannungswellengetriebe 6 angeordnet, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle 4 in eine langsamere Drehbewegung einer nicht dargestellten Ausgangswelle wandelt. Das Spannungswellengetriebe 6 weist einen Wellenerzeuger 6.1 (wave generator), einen gegenüber dem Wellenerzeuger 6.1 mittels eines Kugellagers 6.2 gelagerten flexiblen Ring 6.3 (flex spline) und einen Zahnring 6.4 (circular spline) auf. Der Wellenerzeuger 6.1 ist unmittelbar an der Antriebswelle 4 ausgebildet, während der Zahnring 6.4 den Abtrieb des Spannungswellengetriebe 6 bildet und mit der nicht dargestellten Ausgangswelle verbunden bzw. verbindbar ist. Der Zahnring 6.4 ist gegenüber einem ersten gehäusefesten Bauteil 2.1 mittels einem nur schematisch dargestellten Wälzlager 6.6 beweglich gelagert. Der flexible Ring 6.3 weist einen Kragen 6.5 auf, mittels dem er zwischen dem ersten gehäusefesten Bauteil 2.1 und einem zweiten gehäusefesten Bauteil 2.2 festgelegt ist. Das zweite gehäusefeste Bauteil 2.2 hält ferner das erste Kugellager 3.1 . Das erste und das zweite gehäusefeste Bauteil 2.1 , 2.2 sind jeweils Teile des Spannungswellengetriebe 6 und in dem Gehäuse 2 eingepresst.

Auf einer dem Spannungswellengetriebe 6 gegenüberliegenden zweiten Seite 1 .2 der Antriebseinheit 100 ist in einer axialen Richtung A benachbart zu der Antriebsvorrichtung 5 eine Lagerwand 8 in dem Gehäuse 2 gehalten, die das zweite Kugellager 3.2 hält. In der axialen Richtung A zu der Lagerwand 8 benachbart ist eine Steuereinheit 10 an der Lagerwand 8 gehalten. Die Steuereinheit 10 ist äußerlich rotationssymmetrisch ausgebildet und koaxial mit der Antriebswelle 4 angeordnet.

Das Spannungswellengetriebe 6 weist weiterhin einen ersten Sensor 11.1 auf, der an dem ersten gehäusefesten Bauteil 2.1 angeordnet ist und mit einem an dem Zahnring 6.4 angeordnetem Sensortaget 11 .2 zusammenwirkt. Der Sensor 11.1 ist als in- krementeller Drehgeber ausgebildet und erfasst die Winkelposition des Zahnrings 6.4 und somit auch die Winkelposition der Ausgangswelle. Weiterhin weist das Spannungswellengetriebe 6 einen zweiten Sensor 12 auf, der an dem Kragen 6.5 des flexiblen Rings 6.3 angeordnet ist und sich zwischen dem Kragen 6.5 und dem zweiten gehäusefesten Bauteil 2.2 erstreckt. Der zweite Sensor 12 erfasst das an dem flexiblen Ring 6.3 anliegende Drehmoment. Der erste Sensor 11.1 ist mittels einer ersten Signalleitung 13.1 mit dem zweiten Sensor 12 verbunden, wobei der zweite Sensor 12 seinerseits über eine sich durch das Gehäuse 2 erstreckenden zweite Signalleitung 13.2 mit einer Steuereinheit 10 verbunden ist, so dass über die erste Signalleitung 13.1 und die zweite Signalleitung 13.2 Signale umfassend die von den Sensoren 11.1 , 12 erfassten Informationen an die Steuereinheit 10 übertragen werden.

Figur 2 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Torsion des flexiblen Rings 6.3 und dem durch den flexiblen Ring 6.3 übertragenen Drehmoment. Ein im negativen Be- reich der X-Achse aufgetragenes Drehmoment entspricht dabei einer Drehung der Antriebseinheit 100 in einer ersten Richtung und ein im positiven Bereich der X-Achse aufgetragenes Drehmoment einer Drehung der Antriebseinheit 100 in einer zweiten Richtung. Dabei stellt sich in beiden Richtungen jeweils ab einem gewissen Drehmoment eine maximale Torsion ein, die als erste Übertragungstorsion 14.1 bzw. zweite Übertragungstorsion 14.2 bezeichnet wird. Bei einem in der Figur 2 dargestellten Richtungswechsel zwischen der ersten und der zweiten Richtung folgt der Zusammenhang einer Hysteresekurve. Ausgehend von einer Drehung in der ersten Richtung folgt der Zusammenhang also einem ersten Pfad 15.1 und ausgehend von einer Drehung in der zweiten Richtung einem zweiten Pfad 15.2.

Ist zum Zeitpunkt eines Richtungswechsels, etwa von der ersten Richtung zur zweiten Richtung, die erste Übertragungstorsion 14.1 gänzlich ausgebildet, etwa wenn unmittelbar bis zu dem Richtungswechsel ein Antrieb in der ersten Richtung stattgefunden hat, folgt der Zusammenhang dem ersten Pfad und ist jederzeit definiert. Der Zusammenhang ist zu Beginn und zum Ende des Richtungswechsels definiert, wenn die erste Übertragungstorsion 14.1 zwar nicht ganz ausgebildet ist, aber dennoch unmittelbar bis zu dem Richtungswechsel ein Antrieb in der ersten Richtung stattgefunden hat.

Der Verlauf des Zusammenhangs bei einem solchen Richtungswechsel ist mit mehreren Kreisen ausgehend von einem ersten Startpunkt 9.1 dargestellt. Dabei durchläuft der Zusammenhang einen Undefinierten Bereich, um von dem zweiten Pfad 15.2 auf den ersten Pfad 15.1 zu gelangen. Der Zusammenhang ist zu Beginn eines Richtungswechsels nicht definiert, wenn kein Drehmoment anliegt, etwa wenn vor dem Richtungswechsel keine Drehung stattgefunden hat. Der Zusammenhang befindet sich dann innerhalb eines Grenzbereichs 16. Es ist innerhalb dieses Grenzbereichs 16 jedoch bekannt, dass die tatsächliche Torsion nur zwischen dem ersten Pfad 15.1 und dem zweiten Pfad 15.2 liegt, wobei der Abstand zwischen diesen beiden Pfaden 15.1 , 15.2 für ein bestimmtes Drehmoment als Hysteresefehler 17 definiert wird und bei Erfassen des Drehmoments genutzt wird, um die Antriebsperiode zu definieren. Der Verlauf des Zusammenhangs bei einem solchen Richtungswechsel ist mit mehreren Quadraten ausgehend von einem zweiten Startpunkt 9.2 dargestellt. Insbesondere wird eine Anteil der Antriebsperiode berechnet, um den maximalen Hysteresefehler zu überwinden und ein Anteil, um von dem Hysteresefehler bis zu der Übertragungstorsi- on 14.2 zu gelangen, wobei die beiden Teile dann zur tatsächlichen Antriebsperiode addiert werden.

Figur 3 zeigt mehrere Darstellungen der Torsion an einem stark schematisch dargestellten flexiblen Ring 6.3 während eines Richtungswechsels. In der ersten Darstellung ist die erste Übertragungstorsion 14.1 ausgebildet. Bei einem von dieser Situation ausgehenden Richtungswechsel wird die Torsion zunächst über die zweite Darstellung bis zur dritten Darstellung abgebaut und anschließend, wie in der vierten und fünften Darstellung gezeigt, bis zur zweiten Übertragungstorsion 14.2 aufgebaut. Dabei wird lediglich eine Eingangsseite 18.1 , nicht jedoch eine Ausgangsseite 18.2 des flexiblen Rings 6.3 gedreht. Erst wenn die zweite Übertragungstorsion 14.2 in der fünften Darstellung erreicht ist, drehen die Eingangsseite 18.1 und die Ausgangsseite

18.2 wieder synchron, wie in der sechsten Darstellung gezeigt.

Figur 4 zeigt den Verlauf der Winkelposition der Antriebswelle 4 in einem ersten Graph 19.1 und den Verlauf der Winkelposition der Ausgangswelle in einem zweiten Graph 19.2 jeweils über der Zeit bei einem Richtungswechsel, wie er in Figur 3 dargestellt ist. Dabei entspricht die Veränderung der Winkelposition der Antriebswelle 4 der Drehung der Eingangsseite 18.1 des flexiblen Rings 6.3 und die Winkelposition der Ausgangswelle der Drehung der Ausgangsseite 18.2 des flexiblen Rings 6.3. Der zweite Graph 19.2 läuft dabei dem ersten Graph 19.1 um eine Phase 20 versetzt hinterher.

Figur 5 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens 200 nach einem Aspekt der Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt 21 .1 erhält die Antriebsvorrichtung 5 ein Steuersignal zum Antrieb der Antriebswelle 4. Daraufhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt

21 .2 geprüft, ob sich die Richtung dieses Antriebs gegenüber einem vorhergehenden Antrieb bzw. einer vorhergehenden Drehung unterscheidet. Ist dies der Fall, liegt ein Richtungswechsel vor. Es wird dann in einem dritten Verfahrensschritt 21 .3 das von dem flexiblen Ring 6.3 übertragene Drehmoment mittels dem zweiten Sensor 12 erfasst. In einem vierten Verfahrensschritt 21 .4 wird überprüft, ob das erfasste Drehmoment innerhalb oder außerhalb des Grenzbereichs 16 liegt. Liegt es innerhalb des Grenzbereichs 16, wird in einem fünften Verfahrensschritt 21 .5 als Antriebsperiode eine Anzahl an Antriebspulsen für die Antriebsvorrichtung 5 berechnet, die sich aus der Anzahl an Antriebspulsen zum Überwinden des Hysteresefehlers 17 und der Anzahl an Antriebspulsen zum Erreichen der Übertragungstorsion 14.1 , 14.2 nach dem Überwinden des Hysteresefehlers 17 ergibt. Daraufhin wird in einem sechsten Verfahrensschritt 21 .6 der Antrieb der Antriebsvorrichtung 5 über die Antriebsperiode begonnen. In einem siebten Verfahrensschritt 21.7 wird ein Antriebsperiodensignal erzeugt, dass anzeigt, dass die Antriebsperiode noch nicht fertig durchlaufen ist. Das Antriebsperiodensignal wird nach dem Ablauf der Antriebsperiode abgeschaltet. In einem achten Schritt 21 .8 wird eine Winkelpositionsänderung der Ausgangswelle mittels des ersten Sensors 11.1 erfasst. Liegt eine solche Winkeländerung vor, wird das Antriebsperiodensignal in einem neunten Schritt 21.9 beendet, worauf hin in einem zehnten Schritt 21.10 die Steuerung der Antriebsvorrichtung 5 anhand des ersten Sensors

11.1 begonnen wird, insbesondere in einem Regelverfahren, und in einem elften Verfahrensschritt 21 .11 die Ausgangswelle mittels dieser Steuerung in eine Zielposition verfahren wird. In einem zwölften Verfahrensschritt 21.12 wird das Verfahren 200 beendet.

Wird in dem achten Verfahrensschritt 21.8 erkannt, dass keine Winkelpositionsänderung erfasst wurde, wird in einem dreizehnten Verfahrensschritt 22.1 überprüft, ob das Antriebsperiodensignal noch vorliegt. Ist dies der Fall, wird das Verfahren 200 beim siebten Verfahrensschritt 21 .7 fortgesetzt. Ist dies nicht der Fall, wird in einem vierzehnten Verfahrensschritt 22.2 nochmals das an dem flexiblen Ring 6.3 anliegende Drehmoment erfasst. Wird hier eine signifikante Veränderung gegenüber dem unmittelbar bei dem Richtungswechsel erfassten Drehmoment festgestellt, wird das Verfahren 200 beim siebten Verfahrensschritt 21.7 fortgesetzt. Wird bei dem Drehmoment keine Änderung erkannt, wird in einem fünfzehnten Verfahrensschritt 22.3 ein Fehlersignal erzeugt, mittels dem in einem sechszehnten Verfahrensschritt 22.4 die Antriebsvorrichtung 5 angehalten wird und anschließend das Verfahren 200 beendet wird.

Wird in dem vierten Verfahrensschritt 21 .4 erkannt, dass das erfasste Drehmoment außerhalb des Grenzbereichs 16 liegt, wird in einem siebzehnten Verfahrensschritt

23.1 anhand des in Fig. 2 dargestellten Zusammenhangs aus dem erfassten Drehmoment eine an dem flexiblen Ring 6.3 vorliegende Torsion ermittelt und in einem achtzehnten Verfahrensschritt 23.2 aus dieser Torsion eine Antriebsperiode berech- net, woraufhin das Verfahren 200 bei bei dem sechsten Verfahrensschritt 21 .6 fortgesetzt wird. Wird ferner in dem zweiten Verfahrensschritt 21 .2 eine gleichbleibende Antriebsrichtung gegenüber einer vorausgehenden Drehung erkannt, so wird das Verfahren 200 bei dem zehnten Verfahrensschritt 21 .10 fortgesetzt.

Bezuqszeichenliste

1.1 erste Seite

1 .2 zweite Seite

2 Gehäuse

2.1 erstes gehäusefestes Bauteil

2.2 zweites gehäusefestes Bauteil

3.1 erstes Kugellager

3.2 zweites Kugellager

4 Antriebswelle

5 Antriebsvorrichtung

5.1 Rotor

5.2 erster Stator

5.3 zweiter Stator

5.4 Motorgehäuse

6 Spannungswellengetriebe

6.1 Wellenerzeuger

6.2 Kugellager

6.3 flexibler Ring

6.4 Zahnring

6.5 Kragen

6.6 Wälzlager

8 Lagerwand

9.1 erster Startpunkt

9.2 zweiter Startpunkt

10 Steuereinheit

11.1 erster Sensor

11 .2 Sensortaget

12 zweiter Sensor

13.1 erste Signalleitung

13.2 zweite Signalleitung

14.1 erste Übertragungstorsion

14.2 zweite Übertragungstorsion

15.1 erster Pfad 15.2 zweiter Pfad

16 Grenzbereich

17 Hysteresefehler

18.1 Eingangsseite des flexiblen Rings

18.2 Ausgangsseite des flexiblen Rings

19.1 erster Graph

19.2 zweiter Graph

20 Phase

21.1 erster Verfahrensschritt

21.2 zweiter Verfahrensschritt

21.3 dritter Verfahrensschritt

21.4 vierter Verfahrensschritt

21.5 fünfter Verfahrensschritt

21.6 sechster Verfahrensschritt

21.7 siebter Verfahrensschritt

21.8 achterVerfahrensschritt

21.9 neunter Verfahrensschritt

21.10 zehnter Verfahrensschritt

21.11 elfter Verfahrensschritt

21.12 zwölfter Verfahrensschritt

22.1 dreizehnter Verfahrensschritt

22.2 vierzehnter Verfahrensschritt

22.3 fünfzehnter Verfahrensschritt

22.4 sechzehnter Verfahrensschritt

23.1 siebzehnter Verfahrensschritt

23.2 achtzehnter Verfahrensschritt

100 Antriebseinheit

200 Verfahren

AX Achse

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren (200) zum Steuern einer Winkelposition einer Ausgangswelle bei einer Antriebseinheit (100) mit einer Antriebswelle (4), einer Antriebsvorrichtung (5) zum Antreiben der Antriebswelle (4) und einem Spannungswellengetriebe (6) zum Übersetzen der Antriebswelle (4) auf die Ausgangswelle, wobei das Spannungswellengetriebe (6) einen mit der Antriebswelle (4) wirkverbundenen Wellenerzeuger (6.1 ), einen flexiblen Ring (6.3) und einen mit der Ausgangswelle verbundenen Zahnring (6.4) aufweist, umfassend einen ersten Sensor (11.1 ) zum Erfassen der Winkelposition der Ausgangswelle und einen zweiten Sensor (12) zum Erfassen eines von dem flexiblen Ring (6.3) übertragenen Drehmoments, das Verfahren (200) aufweisend die Schritte:

- Erfassen eines Richtungswechsels der Antriebsvorrichtung (5) gegenüber einer vorausgegangenen Drehung,

- Erfassen des von dem flexiblen Ring (6.3) übertragenen Drehmoments unmittelbar bei erfasstem Richtungswechsel mittels des zweiten Sensors (12),

- Bestimmen einer Antriebsperiode der Antriebsvorrichtung (5) bis zum erwarteten Erreichen einer Übertragungstorsion (14.1 , 14.2) des flexiblen Rings (6.3) anhand des ersten Drehmoments,

- Antrieb der Antriebswelle (4) mittels der Antriebsvorrichtung (5) über die Antriebsperiode,

- Erfassen einer Winkelpositionsänderung der Ausgangswelle unmittelbar nach Ablauf der Antriebsperiode mittels des ersten Sensors (11.1 ), und

- Steuern der Antriebsvorrichtung anhand des ersten Sensors (11 .1 ) im Anschluss an die Antriebsperiode bei Erfassen einer Winkelpositionsänderung.

2. Verfahren (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (5) bei Ausbleiben einer Winkelpositionsänderung nach Ablauf der Antriebsperiode angehalten wird.

3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsperiode lediglich anhand des ersten Drehmoments bestimmt wird, wenn das erste Drehmoment außerhalb eines Grenzbereichs (16) liegt.

4. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsperiode anhand des ersten Drehmoments und anhand eines Hysteresefehlers (17) des flexiblen Rings (6.3) bestimmt wird, wenn das erste Drehmoment innerhalb des Grenzbereichs (16) liegt.

5. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsperiode als Anzahl von Antriebspulsen bestimmt wird.

6. Antriebseinheit (100) für einen Roboter mit einer Antriebswelle (4), einer Antriebsvorrichtung (5) zum Antreiben der Antriebswelle (4) und einem Spannungswellengetriebe (6) zum Übersetzen der Antriebswelle (4) auf die Ausgangswelle, wobei das Spannungswellengetriebe (6) einen mit der Antriebswelle (4) wirkverbundenen Wellenerzeuger (6.1 ), einen flexiblen Ring (6.3) und einen mit der Ausgangswelle verbundenen Zahnring (6.4) aufweist, umfassend einen ersten Sensor (11.1 ) zum Erfassen der Winkelposition der Ausgangswelle und einen zweiten Sensor (12) zum Erfassen eines von dem flexiblen Ring (6.3) übertragenen Drehmoments, wobei die Antriebseinheit (100) zum Ausführen eines Verfahrens (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.

7. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (11.1 ) und der zweite Sensor (12) signalwirksam miteinander verbunden sind.

8. Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (11 .1 ) als inkrementaler Drehgeber ausgebildet ist. - 19 -

9. Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (12) an einem Kragen (6.5) des flexiblen Rings (6.3) angeordnet ist.

10. Roboter mit einer Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.