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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Deltaroboter, bestehend aus einer
ortsfesten Grundplatte, drei darauf montierten Servoantrieben, an
deren Abtriebswelle je ein Schwenkarm befestigt ist, der an seinem
anderen Ende gelenkig mit jeweils wenigstens einer Stange verbunden
ist, die jeweils gelenkig mit einer Bewegungsplatte verbunden ist
und einem viertem Servoantrieb auf der Grundplatte an dessen Abtriebswelle
eine zweiteilige Teleskopachse über ein erstes Kardangelenk
gekoppelt ist, die wiederum über ein zweites Kardangelenk
an einen Warenaufnehmer gekoppelt ist, der schwenkbar an der Bewegungsplatte
angeordnet ist, wobei die Teleskopachse aus einem hohlen Torsionsaußenträger
und einem teleskopisch darin einschiebbaren Torsionskernträger
besteht.
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Das
Prinzip des Deltaroboters wurde am 22.04.1938 von Willard L. V.
Pollard mit der
PS-US 2,286,571 präsentiert.
An der ortsfesten Grundplatte sind drei Servoantriebe montiert,
zumeist Getriebemotoren, und mit je einem Schwenkarm auf ihrer Abtriebswelle
ausgestattet. Dieser Schwenkarm wirkt wie ein Kurbelarm, an dessen
Ende jeweils wenigstens eine gelenkig befestigte Stange mit der
Bewegungsplatte verbunden ist. Die Bewegungsplatte ist der Träger
für das eigentliche Werkzeug, bei Pollard eine Lackierpistole,
heute in den meisten Anwendungsfällen ein Warenaufnehmer,
der zum Sortieren und zum Verpacken von kleinen Gegenständen,
insbesondere Nahrungs- und Genussmitteln eingesetzt wird.
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Die
Vorteile des Deltaroboters gegenüber anderen Roboterprinzipien
sind höchste Dynamik bei sehr geringem Eigengewicht und überschaubaren Kosten,
insbesondere bei sehr kleinen Waren. Auf aktu ellem Stand der Technik
bewegen Deltaroboter bis zu drei Waren in einer Sekunde.
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Die
Bewegungsplatte kann mit den drei Armen des Deltaroboters jeden
Raumpunkt des vorgegebenen Arbeitsraumes anfahren. Wenn die Ware zusätzlich
noch um ihre eigene Achse verschwenkt werden soll, ist ein weiterer
Antrieb erforderlich. Dieser vierte Antrieb kann nicht auf der Bewegungsplatte angeordnet
werden, da er um Größenordnungen gewichtiger ist
als die Bewegungsplatte selbst mitsamt der daran befestigten Nutzlast.
Deshalb ist es bekannter Stand der Technik, den Servoantrieb für
die Teleskopachse als vierten Servoantrieb in die Mitte der Grundplatte
zu montieren und von dort aus eine Teleskopachse nach unten zur
Bewegungsplatte zu führen.
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Diese
Teleskopachse muss nicht nur das Drehmoment übertragen,
sondern gleichzeitig den Bewegungen des Roboters folgen, wofür
im Bereich der Grundplatte und im Bereich der Bewegungsplatte Kardangelenke
in die Teleskopachse eingefügt sind. Da sich der Abstand
zwischen der Grundplatte und der Bewegungsplatte laufend ändert,
muss sich die Teleskopachse zusätzlich noch ausdehnen und
zusammenziehen.
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Für
diese Aufgabe sind auf aktuellem Stand der Technik verschiedene
Lösungen bekannt. Gemäß
EP 1 293 691 B1 besteht
die Teleskopachse aus zwei Stäben, die parallel zueinander
verlaufen. Am inneren Ende des Stabes, also an der dem Kardangelenk
gegenüberliegenden Seite ist jeweils ein radial auskragender
Gleitlagerbock angeordnet, der ein Gleitlager für den jeweils
anderen Stab trägt. Wenn die Teleskopachse ganz auseinandergezogen
ist, berühren sich die beiden Gleitlagerböcke;
wenn die Teleskopachse die kleins te Länge einnimmt, dann
berühren die Gleitlagerböcke jeweils das gegenüberliegende
Kardangelenk.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist, dass das Drehmoment
vom einen zum anderen Stab durch eine – wie die Anmeldung
formuliert – „parallele Versetzung” übertragen
wird. Bei der Verschwenkung des gesamten Gebildes wird jeder der beiden
Stäbe nicht um seine geometrische Längsachse verschwenkt.
Vielmehr verläuft die Schwenkachse des gesamten Gebildes
diagonal von dem Mittelpunkt des Stabes bei einem Kardangelenk an
die Außenseite des Stabes in der Nähe der beiden
Gleitlagerböcke. Dort, im Bereich der Gleitlagerböcke, ragt
jeder Stab also nicht nur mit seinem mittleren Radius über
die tatsächliche Schwenkachse hinaus, sondern mit seinem
Durchmesser. Dadurch erhöht sich – Nachteiligerweise – das
Massenträgheitsmoment der Teleskopachse dramatisch, wie
folgende Überlegung zeigt:
Da bei der Teleskopachse
gemäß
EP 1
293 691 die Schwenkachse des Stabes nahe den Gleitlagerböcken
gegenüber der Mittelachse versetzt ist, vergrößert
sich der effektive Schwenkradius des am weitesten herausgeschobenen
Bereiches vom untersten Segment des Stabes auf das doppelte. Da
die Änderung des Radius mit der vierten Potenz in das Massenträgheitsmoment
eingeht, erhöht sich also das effektive Massenträgheitsmoment
des am weitesten herausgeschwenkten Segmentes des Stabes um den
Faktor 2
4 = 16. Dem steht teilweise entgegen, dass
das Massenträgheitsmoment des gegenüberliegenden
Teiles des Stabes stark verkleinert wird, da es in die Nähe
der Gesamtschwenkachse der beiden Stäbe gelangt. Aber selbst
wenn das effektive Massenträgheitsmoment dieses Abschnittes
auf Null reduziert wird, so verbleibt dennoch für diese
beiden ex tremen Segmente des Stabes eine Erhöhung des Massenträgheitsmomentes
auf den Faktor 16 – 1 = 15.
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Diese
Erhöhung ist für die übrigen Segmente auf
der Außenfläche des Stabes nicht so groß,
da sich ihr Schwenkradius bei diagonal verlaufender Schwenkachse
immer weniger vom geometrischen Radius des Stabes unterscheidet,
je näher der jeweils betrachtete Punkt am Kardangelenk
liegt.
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Aus
dieser Betrachtung wird jedoch deutlich, dass das effektive Trägheitsmoment
der beiden parallel angeordneten Stäbe beim Verschwenken
um eine diagonal durch die beiden Stäbe verlaufende Schwenkachse
dramatisch höher ist als die Summe des Eigenträgheitsmomentes
bei einer Verschwenkung um die geometrische Längsachse
der beiden Stäbe.
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Eine
diesbezüglich etwas günstigere Alternative wird
in der
DE 69927704 beschreiben.
Hier werden zwei Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser genannt,
die beide um ihre geometrische Längsachse verschwenkt werden.
Diese beiden Rohre sind konzentrisch angeordnet, sodass zum Teleskopieren
ein Rohr einen kleineren Durchmesser aufweisen muss als das andere,
damit es in dieses hineingeschoben werden kann. Dadurch ist das
Massenträgheitsmoment der Gesamtanordnung prinzipiell geringer
als wie wenn sie gemäß dem erstgenannten Stand
der Technik parallel zueinander angeordnet sind.
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Wenn
zwei Rohre ineinander geschoben werden können, dann muss
der äußere Durchmesser des schlankeren Rohres
stets kleiner sein als der Innendurchmesser des dickeren Rohres,
damit sie ineinander passen. Die Geometrie eines Rohres mit seinem
runden Querschnitt schließt jedoch die Übertragung
eines Drehmomentes von einem auf das andere Rohr aus. Deshalb ist
eine zusätzliche Einrichtung zur Übertragung des
Drehmomentes erforderlich, nämlich eine sogenannte „drehmomentsteife Hülse”.
Eine Hülse ist ein Element, das grundsätzlich um
ein anderes Element geschlossen herum verläuft. Dafür
ist eine Mindestwandstärke erforderlich. Um diese Wandstärke
muss der Durchmesser des äußeren der beiden Rohre
größer sein als das innere Rohr. Daraus folgt
der – unerfreuliche – Nachteil, dass der Radius
des äußeren Rohres deutlich größer ist,
als es für die Übertragung des Drehmomentes eigentlich
erforderlich wäre.
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Wie
zuvor genannt geht diese Vergrößerung des Durchmessers
mit der vierten Potenz in das Gesamtträgheitsmoment ein,
wodurch sich entweder die Dynamik der Teleskopachse verschlechtert
oder ein erheblich größerer Antrieb erforderlich
wird.
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Zum
aktuellen Stand der Technik wird in der
PS-DD 218 654 A1 , Kretschy
eine „Gelenkwelle mit Längenausgleich” vorgestellt.
An ein Kardangelenk ist eine Welle mit einer Verzahnung, eine sog.
Zahnwelle angeschlossen. Diese Zahnwelle ist koaxial in ein sog. „Kardanrohr” eingeschoben,
welches mit einem zweiten Kardangelenk verbunden ist. Das Kardanrohr
ist ein Hohlzylinder mit einer Innenverzahnung, die komplementär
zur Verzahnung auf der Zahnwelle ist. Ziel dieser Erfindung ist
eine „Gelenkwelle mit einem großen Längenausgleich”,
also einem im Verhältnis zum Durchmesser großen
Verschiebeweg.
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Das
von der Erfindung zu lösende Problem ist der große
Verschleiß zwischen den Zähnen bei einer begrenzten
Genauigkeit der Passung zwischen Außenverzahnung und Innenverzahnung
durch die „Mas senkräfte”, also durch
Schwingungen von Zahnwelle und Kardanrohr gegeneinander, die durch
deren Masse verstärkt werden.
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Das
wesentliche, prinzipielle Problem einer solchen Gelenkwelle ist
ihre Verzahnung. Um die meist sehr hohen Drehmomente übertragen
zu können, wird eine große Anzahl von Zähnen
auf dem Umfang vorgesehen. Wenn diese Zähne und ihr jeweiliges
Gegenstück im Kardanrohr allesamt den gleichen Abstand
zueinander haben, dann verteilt sich die Gesamtkraft auch ganz gleichmäßig
auf alle Zähne. Wegen Fertigungstoleranzen ist das in der Praxis
jedoch nie der Fall; vielmehr werden einige Zähne stärker
belastet als die anderen. Die stark belasteten Zähne werden
durch ihre Elastizität stärker verformt als die
weniger belasteten, so dass sich durchaus alle Zähne gleichzeitig
an ihr jeweiliges Gegenstück anlegen, jedoch mit dem ganz
dramatischen Nachteil, dass die Kräfte dabei höchst
ungleichmäßig verteilt sind. Die am stärksten
belasteten Zähne sind dadurch einem erhöhten Verschleiß unterworfen.
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Ein
Nachteil der hier vorgelegten Erfindung ist, dass nicht die Ursache
des dramatischen Verschleißes behoben wird, sondern nur
seine Auswirkungen etwas gelindert werden. Das reduziert jedoch lediglich
den zusätzlichen Verschleiß, der durch den primären
Verschleiß bewirkt wird.
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Auf
diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt,
eine Teleskopachse für einen Deltaroboter zu entwickeln,
bei der das Massenträgheitsmoment möglichst klein
ist, aber die Punkte, die das Drehmoment von einem Teil der Teleskopachse
auf den anderen übertragen, einen möglichst großen
Abstand von der Schwenkachse aufweisen. Ferner soll das Spiel zwischen
beiden Teilen der Teleskopachse einstellbar sein.
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Als
Lösung präsentiert die Erfindung dass,
- – beide Torsionsträger aus
etwa dreieckigen Profilen bestehen, deren Flächen in unbelastetem Zustand
größtenteils parallel und zueinander beabstandet
sind und
- – zumindest die Innenseite des Torsionsaußenträgers
und/oder zumindest die Außenseite des Torsionskernträgers
mit einem Gleitmaterial beschichtet ist und
- – am inneren Ende des Torsionsaußenträgers
auf der Innenseite in jeder der drei Ecken je ein längliches
Gleitstück befestigt ist, das parallel zur Längsachse
des Torsionsaußenträgers ausgerichtet ist und
dessen nach innen weisendes Profil komplementär geformt
ist zu jeweils einer Gleitkerbe, die in das Profil des Torsionskernträgers
in jede seiner drei Ecken eingebracht ist und über seine
gesamte Länge verläuft.
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Zu
den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung
zählt, dass im Profil der beiden Torsionsträger drei
sehr eng abgegrenzte Bereiche in jedem Fall der Bewegung für
die Aufnahme der aus dem Drehmoment resultierenden Kräfte
zuständig sind, nämlich die drei Gleitstücke,
die jeweils in eine Gleitkerbe eingreifen. Bei den auf aktuellem
Stand der Technik bekannten Lösungen ist die Gleitfläche
relativ groß und je nach dem, ob die Teleskopachse beschleunigt oder
verzögert, ist auf diesen großen Flächen
der jeweils wirksame Berührungspunkt stets ein anderer.
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Daraus
ergibt sich eine aufwändige Fertigung mit geringem Spiel
und hoher mechanischer Festigkeit, damit die Torsionsachsen einerseits
optimale Gleiteigenschaften mit geringen Reibkräften aufweisen,
andererseits sich unter dem Einfluss der Drehmomente und der daraus resultierenden
Kräfte nicht allzu weit verformen oder gar unerwünschtes Spiel
bilden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Konfiguration bilden die
drei Gleitstücke in den Gleitkerben stets eine eindeutig
bestimmte geometrische Konfiguration, bei der der Aufsetzpunkt der
Gleitstücke in den Gleitkerben grundsätzlich derjenige
Punkt ist, der die Kräfte sowohl in Längsachse
als auch quer zur Längsachse aufnimmt. Dadurch muss nur
in diesem geometrisch eng umgrenzten Bereich eine optimale Gleitwirkung
erzielt werden. Die Aufhängung der Gleitstücke
kann jedoch ausschließlich nach statischen Gesichtspunkten
bestimmt werden.
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Daraus
ergibt sich ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil: Anders als
bei Berührungspunkten, die auf einer relativ großen
Fläche sehr schnell wandern, kann bei dem erfindungsgemäß sehr
eng definierten Berührungspunkt das Spiel der Gleitlagerung
durch eine eindimensionale Verstellung der Aufhängevorrichtung
eines einzigen Gleitstückes bestimmt werden. Und zwar nicht
nur bei der Fertigung und ersten Inbetriebnahme, sondern auch während
des laufenden Betriebes zum Ausgleich von auftretendem Verschleiß.
Im Unterschied zu bekannten Lösungen ist hier also das
Nachstellen eines einzigen Gleitstückes auch als Ausgleich
eines gewissen Verschleißes denkbar, sodass die Anzahl
der Betriebsstunden bis zu einem grundlegenden Wechsel der Drehmomente übertragenden
Einrichtung zwischen den beiden Teleskopstangen erheblich länger
ist als bei bisherigen Lösungen.
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In
einer anderen Ausführungsvariante kann das Material des – relativ
kleinen – Gleitstück gegenüber dem Material
der langen Gleitkerbe viel weicher gewählt werden, so dass
in der Gleitkerbe der Ver schleiß relativ gering ist, an
dem – leicht auswechselbaren – Gleitstück
jedoch deutlich höher.
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Ein
weiterer, grundsätzlicher Vorteil des erfinderischen Prinzips
der Teleskopachsen ist ihr dreieckiges Profil. Dadurch wird erreicht,
dass nur an denjenigen Stellen auf dem Umfang der Radius relativ
groß ist, die das Drehmoment übertragen.
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In
den Bereichen zwischen den Drehmomentübertragenden Stellen
ist das Profil jedoch möglichst nahe zur Verschwenkachse
angeordnet, wie folgende Überlegung zeigt: Das Massenträgheitsmoment
J eines Hohlzylinders mit dem Außenradius ra und
dem Innenradius ri sowie dem spezifischen
Gewicht ρ des Materials beträgt bekanntlich: J = π/2·ρ(ra 4 – ri 4)
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Der
Radius des Hohlzylinders geht also mit der vierten Potenz in das
Massenträgheitsmoment ein. Deshalb ist – für
ein möglichst kleines Massenträgheitsmoment – ein
möglichst kleiner Radius anzustreben. Schon geringe Verkleinerungen
bewirken durch die vierte Potenz des Einflusses eine große Wirkung.
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Aus
dem zuvor geschilderten Effekt, dass der Radius – also
der Abstand zur Schwenkachse – mit der vierten Potenz in
das resultierende Massenträgheitsmoment eingeht, ergibt
sich also eine nennenswerte Verkleinerung des Gesamtmassenträgheitsmomentes
gegenüber den bekannten Prinzipien, wenn der Radius der
Torsionsträger so klein wie nur möglich ist
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Lediglich
an den Stellen auf dem Umfang, von denen aus das Drehmoment übertragen
wird, sollte der Radius möglichst groß sein. Und
zwar zum einen, damit der Hebelarm möglichst groß und
deshalb die belastende Kraft recht klein ist, und zum anderen, damit
der Einfluss des Spiels zwischen den sich berührenden Trägern
möglichst gering ist. Da das Spiel meist eine fertigungs-
und justagebedingte absolute Grenze nicht unterschreiten kann, kann dessen
Einfluss auf den Verschwenkungswinkel nur dadurch reduziert werden,
dass die spielbehafteten Übertragungselemente ebenfalls
einen möglichst großen Abstand zur Schwenkachse
haben.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Torsionsträgers
ist, dass im Vergleich zu einem Rohr, dessen Durchmesser dem Flugkreis
der Gleitstücke entspricht, der Umfang eines dreieckigen
Profils erheblich kleiner ist, woraus bei gleicher Wandstärke eine
Reduzierung des Gewichtes folgt. Dies ist bei Deltarobotern insbesondere
deshalb relevant, weil die Masse stark die Leistung beeinflusst.
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Eine
andere, denkbare Nutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen
Profils ist, dass anstelle der bisher häufig eingesetzten,
teueren Kohlefaserverbundwerkstoffe eine sehr viel kostengünstigere
Lösung, wie z. B. ein gebogenes Blech oder ein stranggepresstes
Aluminiumprofil oder eine andere Metallkonstruktion, gewählt
werden kann.
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Aus
den vier Forderungen nach
- – einem
möglichst großen Hebelarm zwecks Reduzierung der
drehmomentbedingten Kräfte und zur Verminderung der Auswirkung
des Spiels in der Kraftübertragung sowie nach
- – einem möglichst kleinen Radius zwecks Reduzierung
der Massenträgheit und nach
- – drei mechanischen Auflagepunkten als einer geometrisch
eindeutigen Konfiguration und
- – nach möglichst geringem Gewicht
folgt
also eindeutig ein Dreieck als optimales Profil für einen
erfindungsgemäßen Torsionsträger.
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Die
erfindungsgemäße Teleskopachse erlaubt noch weitere
vorteilhafte Ausführungsformen. Bereits erwähnt
wurde, dass der Abstand von zumindest einem der drei Gleitstücke
zum Torsionsinnenträger nur durch die Veränderung
der Aufhängung einstellbar ist, womit das Spiel der gesamten
Anordnung justiert werden kann. Auch damit unterscheidet sich die
Erfindung deutlich von allen anderen, bisher bekannten Teleskopachsen
in Deltarobotern.
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Alternativ
ist auch denkbar, dass zumindest eines der drei Gleitstücke
durch Federkraft in die Gleitkerbe eindrückbar ist. Dadurch
wird ein automatischer Ausgleich des Spieles erreicht, jedoch mit
der Einschränkung, dass durch erhöhte Anpresskraft
der Abrieb vergrößert wird und dass die Feder
bei der Übertragung von Drehmomentspitzen nachgeben kann,
sodass eine Elastizität in der Mechanik entsteht. Es ist
zwar denkbar, durch entsprechende Ansteuerung bei der Verschwenkung
der Teleskopachse – z. B. eine sin2-Ansteuerung – den
Einfluss zu kompensieren, wobei jedoch ein gewisser Verlust an Dynamik
hinzunehmen ist.
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Es
ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Konfiguration, dass das freie, innere Ende des Torsionskernträgers
nicht mit einem extra Führungselement versehen werden muss,
sondern dank seiner Gleitmittelbeschichtung in Kontakt mit der Innenfläche
des Torsionsaußenträgers treten kann. Dadurch,
dass der Abstand zwischen dem Torsionsaußenträger
und dem Torsionskernträger sehr gering ist, wirken beide
Träger gemeinsam in erster Annäherung ähnlich
wie ein pneumatischer Zylinder, sodass beim Auseinanderziehen ein
Unterdruck und beim Zusammenschieben ein Überdruck im Inneren entsteht.
Dieser Effekt ist jedoch nicht willkommen, sodass durch Öffnungen
nach außen hin Luft entweichen kann oder angesaugt wird.
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Eine
vorteilhafte Lösung dieses Problems ist es, dass in wenigstens
einen der beiden Torsionsträger Öffnungen außerhalb
der Ecken ihres dreieckigen Profils eingebracht werden. Diese Öffnungen dienen
als Luftdurchgänge zum Ausgleich der beim Zusammenziehen
der Teleskopträger komprimierten Luft. Beim Auseinanderschieben
gleichen sie schnell den Unterdruck aus, der sich innerhalb des
Hohlraumes bildet.
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Ein
weiterer, prinzipiell willkommener Effekt dieser Luftdurchgänge
ist, dass dadurch das Gesamtgewicht der beiden Torsionsträger
sinkt, wodurch sich auch ihr Massenträgheitsmoment reduziert.
Dem steht eine geringfügige Schwächung gegenüber
den Kräften aus der Übertragung des Drehmomentes
entgegen.
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Um
durch diese Luftdurchgänge die Steifigkeit in Bezug auf
die Übertragung von tordierenden Drehmomenten nicht unnötig
zu schwächen, schlägt die Erfindung vor, dass
die Luftdurchgänge dreieckig sind. Und zwar sollen vier
Dreiecke jeweils so angeordnet werden, dass sie eine rechteckige Öffnung
bilden, die von zwei Diagonalstreben durchkreuzt wird. Die vier
Dreiecke haben also an ihren Kanten stets einen Abstand zueinander,
der die Bereite der Diagonalstreben bestimmt. Dadurch wird erreicht,
dass auch bei Drehmomentspitzen die rechteckigen Öffnungen
nicht zu einem Parallelogramm verzerrt werden, sondern durch die
beiden Streben in Form gehalten wird.
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Zur
weiteren Verstärkung des Torsionsaußenträgers
wird vorgeschlagen, dass senkrecht auf der Außenseite Versteifungsstege
be festigt sind. Diese Versteifungsstege können als ein
etwa ringförmig umlaufendes Element gestaltet werden. Die
Versteifungselemente weisen dann eine etwa dreiecksförmige Öffnung
auf, die komplementär zur äußeren Kontur
des Torsionsaußenträgers ist.
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Alternativ
kann der Versteifungssteg spiralförmig um den Torsionsaußenträger
herum geführt werden. Eine sehr gute Verstärkung
des Torsionsaußenträgers ergibt sich dann, wenn
zwei gegenläufige Spiralen sich durchkreuzen. Dann bilden
sich zwischen den beiden Spiralen rautenförmige Vertiefungen
aus, deren umgebende Wände ohne ein allzu großes,
zusätzliches Opfer an Massenträgheitsmoment und
Gewicht für einen spürbaren Gewinn an Festigkeit
des Torsionsaußenträgers sorgen.
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Als
eine weitere Alternative können die Ecken des Profils zumindest
vom Torsionskernträger, aber auch zusätzlich vom
Torsionsaußenträger abgeflacht werden. Der Vorteil
kann sein, dass die Befestigung der Gleitstücke am Torsionsaußenträger
und die Einbringung der Gleitkerbe in den Torsionskernträger
vereinfacht werden.
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Im
Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung
anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Dieses soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern
nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 Schrägbild
eines Deltaroboters mit Teleskopachse
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2 Schrägbild
der Teleskopachse
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3 Schnitt
durch eine Teleskopachse
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Die
Figuren zeigen im Einzelnen:
In 1 ist das
prinzipielle Schema eines erfindungsgemäßen Deltaroboters
mit einer Teleskopachse 5 gezeichnet. Am oberen Rand der
Zeichnung ist die Grundplatte 1 mit ihren drei, etwa gabelförmigen Aufnahmen
für die Schwenkarme 31 und die, sie bewegenden
Servoantriebe 2 zu sehen. Die Servoantriebe 2 bewegen über
ihre Abtriebswelle 21 die Schwenkarme 31 wie eine
Kurbel. An den Enden der Schwenkarme 31 sind über
dreidimensional verschwenkbare Gelenke die Stangen 32 angebunden. Ebenfalls über
dreidimensional verschwenkbare Gelenke sind die Stangen 32 wiederum
mit der Bewegungsplatte 4 verbunden.
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Die
Bewegungsplatte 4 kann in alle Positionen des erreichbaren
Verschwenkraumes des Deltaroboters bewegt werden und so mit dem
daran befestigten Warenaufnehmer 41 aufgenommene Waren
an einen anderen Ort versetzen. Dabei bleibt die Bewegungsplatte 4 stets
parallel zur ortsfesten Grundplatte 1. Auch die Winkelstellung
der Bewegungsplatte 4 bleibt gleich.
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Zwecks
Verschwenkung der Waren ist deshalb der Warenaufnehmer 41 gegenüber
der Bewegungsplatte 4 verschwenkbar gelagert und über
ein Kardangelenk 56 mit der Teleskopachse 5 verbunden.
Diese besteht aus dem Torsionskernträger 52, der
in den Torsionsaußenträger 51 hinein
schiebbar ist.
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Gemäß ihrer
Namensgebung ist die „Teleskopachse” dadurch in
der Lage, sich zu verkürzen oder zu verlängern.
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In 1 wird
deutlich, dass bei Verschwenkung der Bewegungsplatte 4 auch
die Teleskopachse 5 verschwenkt wird, wobei sich ihre Länge ändert. Deshalb
ist bei Betrachtung von 1 nachvollziehbar, dass eine
spielarme Verbindung zwischen dem Torsionskernträ ger 52 und
dem Torsionsaußenträger 51 wichtig ist,
weil sie direkt in die Positioniergenauigkeit des Warenaufnehmers 41 eingeht.
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In 2 ist
in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäße
Teleskopachse 5 gezeichnet. An den beiden äußeren
Enden ist je ein – im Prinzip bekanntes – Kardangelenk 56 angeordnet
mit dem die Bewegung an die daran angrenzenden Torsionsträger übertragen
wird. Beim in 2 unten gezeichneten Torsionskernträger 52 ist
sein dreieckiges Profil erkennbar, das schlanker als der oben gezeichnete, ebenfalls
dreieckig profilierte Torsionsaußenträger 51 ist.
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Die äußere
Silhouette des Torsionkernträgers 52 ist komplementär
zur inneren Öffnung des Torsionsaußenträgers 51,
sodass der Torsionskernträger 52 in den Torsionsaußenträger 51 einschiebbar
ist.
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In 2 ist
sehr gut zu erkennen, dass die Ecken des dreieckigen Profils vom
Torsionskernträger 52 mit der Gleitkerbe 54 versehen
sind, die entlang des gesamten Profils verläuft. Etwa in
der Mitte der 2 ist bei genauerem Hinschauen
die Stirnkante des Gleitstückes 53 zu erkennen,
das mit seinem nach innen ragenden Teil zum Profil der Gleitkerbe 54 komplementär
geformt ist und darin entlang gleitet.
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Durch
die beiden Befestigungsschrauben am unteren Ende des Torsionsaußenträgers 51 wird plausibel,
dass das Gleitstück 53 erheblich kürzer
ist als der Torsionsaußenträger 51. Dadurch
wird erreicht, dass die Gleitreibung des Gleitstückes 53 in der
Gleitkerbe 54 stets konstant ist und nicht mit weiter in
den Torsionsaußenträger 51 Hineingeschobenem
Torsionskernträger 52 ansteigt.
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Als
zusätzliche Ausführungsvariante sind in 2 die
Luftdurchgänge 55 zu erkennen, von denen sechs
Stück auf den Seitenflächen des Torsionskernträgers 52 angeordnet
sind. Ihre Funktion ist, beim Zusammenfahren der beiden Torsionsträger
im Innenraum komprimierte Luft schnell entweichen zu lassen. Bei
der entgegen gesetzten Bewegung des Auseinanderfahrens dienen die
Luftdurchgänge 55 in geänderter Luftrichtung
als Belüftung des Innenraums, wodurch verhindert wird,
dass ein Unterdruck entsteht, gegen den letzten Endes die Servomotoren 2 auf
der Grundplatte 1 an arbeiten müssen.
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In 3 ist
ein Querschnitt durch die erfindungsgemäße Teleskopachse 5 gezeichnet.
Der Schnitt ist an diejenige Stelle gelegt, an der die drei Gleitstücke 53 mittels
einer Schraube in den Ecken des dreieckigen Profils vom Torsionsaußenträger 51 gesichert
sind. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Ecken
des Profils beider Torsionsträger etwas abgeflacht, sodass
eine verbreiterte Auflagefläche für die Gleitstücke 53 und
deren Befestigungsvorrichtung auf der Außenseite des Torsionsaußenträgers 51 entsteht.
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In 3 ist
sehr gut zu erkennen, dass die innere Silhouette des Torsionsaußenträgers 51 nur einem
kleinen Abstand komplementär zum größten Teil
der Außenfläche des Torsionskernträgers 52 geformt
ist. Dieser Abstand ist so gering, dass am freien Ende des im Verhältnis
zu seiner Breite sehr langen Torsionkernträgers 52 sich
die beiden Torsionsträger durch Verwindung und Verbiegung
gegenseitig berühren und aufeinander gleiten, was jedoch
durch die Beschichtung der Außenfläche des Torsionskernträgers
mit Gleitmaterial problemlos abgefangen werden kann. Der kleine
Abstand zwischen den beiden komplementären Formen sorgt
jedoch dafür, dass sich die beiden Träger nie
auf großen Flächen berühren, sondern
nur in sehr begrenzten Bereichen.
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Der
im Querschnitt dargestellte Bereich der Teleskopachse 5 zeigt
einen gewichtigen Vorteil der Erfindung, nämlich dass die
Berührung zwischen Torsionskernträger 52 und
Torsionsaußenträger 51 an ihrer Verbindungsstelle
ausschließlich auf die drei Gleitstücke 53 und
die dazu komplementäre Gleitkerbe 54 beschränkt
ist. In 3 ist nachvollziehbar, dass
in jeder Phase der Bewegung, also sowohl beim Treiben als auch beim
Bremsen, sowohl bei Linkslauf wie auch bei Rechtslauf, sowohl bei
etwas größerem Spiel als auch bei etwas kleinerem
Spiel, stets das Gleitstück 53 eine Berührung
mit einem Punkt oder einer zur Längsachse parallelen Linie
in der Gleitkerbe 54 hat.
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Dadurch
macht 3 plausibel, dass die übrigen Komponenten
der Teleskopachse ausschließlich auf ausreichende statische
und dynamische Festigkeit sowie möglichst geringes Eigenträgheitsmoment
optimiert sein können, dass aber die Gleiteigenschaften
der Teleskopachse 5 durch die Paarung zwischen Gleitstück 53 und
Gleitkerbe 54 bestimmt werden. In 3 wird nachvollziehbar,
dass es denkbar ist, das relativ kurze Gleitstück 53 so
zu konfigurieren, dass es gegenüber der Gleitkerbe 54 einem
etwas höheren Verschließ unterliegt, sodass über
die gesamte Lebensdauer der Teleskopachse hinweg die drei Gleitstücke 53 als
Verschleißteil ausgewechselt werden können.
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3 veranschaulicht
jedoch auch die andere Alternative eines relativ sehr harten und
sehr genau gefertigten Gleitstückes 53. Wenn die
Gleitkerbe 54 aus etwas weicherem Material besteht, verteilt sich
die Belastung auf deren sehr viel größere Fläche,
so dass der Verschleiß pro Längeneinheit dennoch
begrenzt ist.
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3 verdeutlicht
einen weiteren Vorteil der erfindungemäßen Teleskopachse
mit dreieckigen Profilen, nämlich die Einstellbarkeit und
die Nachstellbarkeit des Spiels. Die geometrische Position zwischen
Torsionskernträger 52 und Torsionsaußenträger 51 wird
ausschließlich durch die drei Auflagepunkte zwischen Gleitstück 53 und
Gleitkerbe 54 bestimmt. Dadurch kann das Spiel der gesamten
Anordnung durch den Abstand nur eines Gleitstückes 53 vom
Torsionsaußenträger 51 justiert werden,
im einfachsten Fall durch unterlegen einer entsprechenden Scheibe.
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Alternativ
ist eine – hier nicht gezeichnete – Klemmschraube
denkbar, mit der das Gleitstück 53 in einen bestimmten
Abstand zum Torsionsaußenträger 51 gebracht
wird und dann mit den anderen Schrauben fixiert wird.
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- 1
- Grundplatte
des Deltaroboters, ortsfest
- 2
- Servoantriebe,
vier Stück auf Grundplatte montiert
- 21
- Abtriebswelle
eines Servomotors 2
- 31
- Schwenkarm,
an Abtriebswelle 21 befestigt
- 32
- Stange,
gelenkig mit einem Schwenkarm 31 und mit der Bewegungsplatte 4 verbunden
- 4
- Bewegungsplatte
mit drei Stangen 4 gelenkig verbunden
- 41
- Warenaufnehmer
an Bewegungsplatte 4 angeordnet, durch Teleskopachse 5 verschwenkbar
- 5
- Teleskopachse,
verbindet einen Servomotor 2 mit dem Warenaufnehmer 41
- 51
- Torsionsaußenträger
der Teleskopachse 5
- 52
- Torsionskernträger
der Teleskopachse 5
- 53
- Gleitstück,
innen am Torsionsaußenträger 51
- 54
- Gleitkerbe
auf den drei Ecken des Torsionskernträgers
- 55
- Luftdurchgänge
in den Torsionsträgern 51 und/oder 52
- 56
- Kardangelenke
an den äußeren Enden der Torsionsträger 51 und 52
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - PS 2286571 [0002]
- - EP 1293691 B1 [0006]
- - EP 1293691 [0007]
- - DE 69927704 [0010]
- - DD 218654 A1 [0013]