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Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul, insbesondere für Handhabungs- oder Fertigungsgerätekomponenten, mit einem Grundgehäuse, mit einem im oder am Grundgehäuse angeordneten Antrieb, mit einer vom Antrieb antreibbaren Antriebswelle, mit einem von der Antriebswelle antreibbaren Getriebe und mit einer vom Getriebe antreibbaren Abtriebswelle. Solche Module können insbesondere in Handhabungs- oder Fertigungsgerätekomponenten von beispielsweise Industrierobotern Verwendung finden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Antriebsmoduls. Außerdem betrifft die Erfindung Handhabungs- oder Fertigungsgeräte, die mehrere zueinander beweglich angeordnete Komponenten vorsehen, welche jeweils ein derartiges Antriebsmodul aufweisen.
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Über die Antriebsmodule können beispielsweise die einzelnen Komponenten des Handhabungs- oder Fertigungsgeräts relativ zueinander bewegt werden. Mehrere, hintereinander angeordnete Komponenten können so einen "Roboterarm" bildet, an dessen freien Ende ein Aktuator angeordnet sein kann. Durch entsprechendes Ansteuern der Antriebsmodule der einzelnen Gerätekomponenten kann der Aktuator entsprechend im Raum bewegt werden.
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Die in den Antriebsmodulen verwendeten Getriebe haben dabei eine vergleichsweise hohe Übersetzung, die vorzugsweise im Bereich zwischen 1:100 bis 1:300 liegen kann. Dabei hat sich gezeigt, dass schon geringe Nichtlinearitäten zwischen der Drehbewegung der Antriebswelle und der Drehbewegung der Abtriebswelle zu einem ungewollten Antriebsverhalten führen kann. Insbesondere dann, wenn mehrere Handhabungs- oder Fertigungsgerätekomponenten hintereinander angeordnet sind, die jeweils ein eigenes Antriebsmodul haben (wie es bei Roboterarmen der Fall ist) addieren sich die Nichtlinearitäten der einzelnen Antriebsmodule, so dass letzten Endes die vom Aktuator ausgeführte Bewegung (Istwert) von einer vorgegebenen Bewegungsbahn (Sollwert) abweichen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Antriebsmodul der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass Nichtlinearitäten zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle, die beispielsweise durch elastisch nachgiebiges Verhalten der Wellen oder des Getriebes, durch unterschiedliche Belastung der Wellen auf Grund von äußeren Lasten, durch Schwingungen, durch Unrundheiten und dergleichen auftreten können, möglichst auszuschließen.
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Ferner soll ein Verfahren sowie ein Handhabungs- oder Fertigungsgerät bereitgestellt werden, bei dem die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Das erfindungsgemäße Antriebsmodul sieht folglich vor, dass ein erster Drehwinkelsensor zur Erfassung des Drehwinkels der Antriebswelle und ein zweiter Drehwinkelsensor zur Erfassung des Drehwinkels der Abtriebswelle vorgesehen sind, und dass eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Antriebs zur Erreichung eines Sollwerts der Abtriebswelle in Abhängigkeit der von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln vorgesehen ist. Insofern wird hier ein geschlossener Regelkreis bereitgestellt, bei dem der Sollwert der Abtriebswelle von den tatsächlich erfassten Drehwinkeln der Abtriebswelle und der Antriebswelle abhängt.
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Die Steuereinheit ist dabei vorzugsweise innerhalb des Grundgehäuses angeordnet und beinhaltet alle Komponenten, die zur Auswertung der von den Drehwinkelsensoren kommenden Signale und zur Ansteuerung beziehungsweise Regelung des Antriebs erforderlich sind.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn über die von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln auf einen nichtlinearen Anteil im Bewegungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle rückgeschlossen wird und wenn der Antrieb zur Erreichung des Sollwerts so angesteuert wird, dass dieser nichtlineare Anteil ausgeglichen wird. Vorzugsweise wird der nichtlineare Anteil weitestgehend reduziert und insbesondere vollständig eliminiert. Ein nichtlineares Bewegungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle kann insbesondere lastabhängig, winkelabhängig und/oder drehgeschwindigkeitsabhängig sein. Insbesondere kann er auf Grund von Materialelastizitäten auftreten. Auch ist insbesondere bei Verwendung von preisgünstigen Getrieben nicht immer gewährleistet, dass das Übersetzungsverhältnis tatsächlich linear ist. Nichtlinearitäten können auch auf Grund von Spiel auftreten, sowie temperaturabhängig sein. Auch das Schwingverhalten des gesamten Systems kann zu Unlinearitäten führen. Insgesamt kann durch die beschriebene Anordnung der nichtlineare Anteil im Bewegungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle weitestgehend minimiert werden. Dadurch wird insbesondere die Bewegungsgenauigkeit, also die Abweichung von Istwert zu Sollwert der Drehbewegung der Abtriebswelle minimiert und idealerweise vollständig eliminiert.
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Die Steuereinheit kann zudem so ausgebildet sein, dass auf Grund der von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln eine Lasterkennung erfolgt. Bei bekannter Steifigkeit des Systems kann auf Grund des Unterschiedes zwischen dem Drehwinkel der Abtriebswelle und dem Drehwinkel der Antriebswelle auf ein Torsionsmoment, und damit auf eine auf das System einwirkende Last rückgeschlossen werden.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass auf Grund der von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln ein bei Drehrichtungswechsel auftretendes Umschlagspiel minimiert wird. Auch hier kann auf Grund einer geeigneten Ansteuerung des Antriebs ein auftretendes Umschlagspiel minimiert werden, beziehungsweise die Ausregelung kann derart erfolgen, dass ein Umschlag spielfrei stattfinden kann.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass bei einem Abweichen der von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln von im normalen Betrieb des Antriebsmoduls zulässigen Drehwinkelwerten ein Signal, und insbesondere ein Notsignal, ausgelöst wird. Das Notsignal kann insbesondere an eine übergeordnete Mastersteuerung abgegeben werden, so dass entsprechende Maßnahmen, beispielsweise ein Notaus des Antriebs oder des gesamten Handhabungs- oder Fertigungsgeräts eingeleitet werden kann. Ein Abweichen von im normalen Betrieb des Antriebsmoduls zulässigen Drehwinkelwerten kann beispielsweise dann auftreten, wenn interner Verschleiß zu groß wird, wenn das Modul überbeansprucht wird oder wenn beispielsweise das Getriebe ausfällt oder eine Welle bricht.
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Dabei kann die Drehwinkelerfassung der Drehwinkelsensoren zweikanalig derart erfolgen, dass über eine Auswertung eines Differenzsignals ein Signal ausgelöst wird. Um Sicherheitsfunktionen elektrischer Antriebe nach EN 954-1 zu erfüllen bzw. dort definierte Kategorien zu erreichen sind u.a. redundante Sensorsignale erforderlich. Dies wird oft dadurch realisiert das zwei unabhängige Sensorsysteme eingebaut werden. Da wir hier ohnehin zwei unabhängige Sensoren verwenden, können diese ohne weiteren Aufwand auch für diese Sicherheitsanforderung genutzt werden.
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Bei den Drehwinkelsensoren handelt es sich insbesondere um Absolutwertgeber, mit denen die Drehstellung der Antriebswelle und/oder der Abtriebswelle wenigstens innerhalb einer Umdrehung eindeutig bestimmbar ist. Die Drehwinkelsensoren können dabei insbesondere berührungslos arbeitende optische und/oder magnetische Sensoren sein. Dadurch, dass auch nach Stillstand des Antriebs die Drehstellung der Antriebswelle bekannt ist, kann beispielsweise ein bürstenloser Motor Verwendung finden, der abhängig von der Drehstellung der Antriebswelle so angesteuert wird, dass die Antriebswelle funktionssicher gedreht wird.
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Ferner können die die Drehwinkelsensoren derart ausgebildet sein, dass aus dem Gangunterschied eine Absolutposition berechnet werden kann. Damit ist ein Absolutwertgeber ersetzbar.
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Die Antriebswelle kann insbesondere als Hohlwelle mit einer Innenseite und einer Außenseite ausgebildet sein, wobei das Getriebe ein an der Außenseite der Antriebswelle angreifendes Eingangsglied aufweist. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Abtriebswelle einen in der Antriebswelle drehbar angeordneten Stammabschnitt und einen Flanschabschnitt vorsieht, wobei das Getriebe ein mit dem Flanschabschnitt zusammenwirkendes Ausgangsglied aufweist. Hierdurch baut das Antriebsmodul vergleichsweise kompakt, da die Abtriebswelle in der Antriebswelle liegt. Die Antriebswelle kann ebenfalls insbesondere hohl ausgebildet sein, wodurch beispielsweise Kabel durch die Antriebswelle führbar sind.
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Der Flanschabschnitt kann in radialer Richtung insbesondere die Abtriebswelle überragen, so dass das Ausgangsglied des Getriebes in geeigneter Weise mit dem Flanschabschnitt zusammenwirkt, insbesondere an diesen angeflanscht ist.
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Der erste Drehwinkelsensor ist vorzugsweise im Bereich des Getriebes und insbesondere in einem mit dem Getriebefett gefüllten Bereich angeordnet. Der zweite Drehwinkelsensor ist vorzugsweise im Bereich des Endes der Abtriebswelle, der dem Flanschabschnitt abgewandt ist, angeordnet. In diesem Bereich kann ein Befestigungsflansch vorgesehen sein, der zur Einleitung einer Bewegung in insbesondere eine Komponente eines Handhabungs- oder Fertigungsgeräts vorgesehen ist.
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Ferner ist denkbar, dass die Antriebswelle, die Abtriebswelle, ein Bauteil des Getriebes und/oder ein insbesondere zwischen den genannten Bauteilen angeordnetes Bauteil derart elastisch ausgeführt ist, dass über dessen oder deren Nachgiebigkeit auf ein Drehmoment rückgeschlossen werden kann. Dadurch kann ein eventuell vorzusehender separater Drehmomentensensor entfallen. Zudem kann festgestellt werden, ob oder wann eine Belastungsgrenze des Antriebsmoduls erreicht wird.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Antriebsmoduls, und insbesondere eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls, gelöst. Ein solches Antriebsmodul umfasst eine vom Antrieb antreibbare Antriebswelle, ein von der Antriebswelle antreibbares Getriebe und eine vom Getriebe antreibbare Abtriebswelle. Gemäß dem Verfahren wird der Drehwinkel der Antriebswelle und der Drehwinkel der Abtriebswelle gemessen. Ferner erfolgt eine Ansteuerung des Antriebs zur Erreichung eines Sollwerts der Abtriebswelle in Abhängigkeit der von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln insbesondere derart, dass ein nichtlinearer Anteil im Bewegungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle über eine entsprechende Ansteuerung des Antriebs ausgeglichen wird. Vorteilhafterweise wird der nichtlineare Anteil reduziert beziehungsweise minimiert und weiter vorzugsweise eliminiert.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Handhabungs- oder Fertigungsgerät gelöst, das mehrere zueinander beweglich angeordnete Komponenten aufweist, wobei wenigstens zwei Komponenten von jeweils einem Antriebsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10 antreibbar sind, und umfassend eine übergeordnete Mastersteuerung zur Ansteuerung der Antriebe der einzelnen Antriebsmodule zur Erzeugung eines vorgegebenen Bewegungsablaufs der Komponenten und/oder von daran anordenbaren Aktuatoren. Die Ansteuerung der Antriebe der einzelnen Antriebsmodule erfolgt dabei über die in den einzelnen Antriebsmodulen vorgesehenen Steuereinheiten. Über diese jeweiligen Steuereinheiten werden einzelne nichtlineare Anteile der Bewegungsverhältnisse zwischen der jeweiligen Antriebswelle und Abtriebswelle minimiert. Da dies bei vorzugsweise sämtlichen Komponenten des jeweiligen Handhabungs- oder Fertigungsgeräts erfolgt, kann letztlich die Abweichung der tatsächlichen Bewegungsbahn (Istwert) von der vorgegebenen Bewegungsbahn (Sollwert) minimiert werden. Insbesondere wird eine last- und/oder winkelabhängige Positioniergenauigkeit des Handhabungs- oder Fertigungsgeräts erreicht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsmoduls;
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2 eine konkretere Ausgestaltung des Antriebsmoduls gemäß 1; und
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3 ein beispielhaftes Bewegungsverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle.
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Die 1 zeigt ein Antriebsmodul 10 einer Komponente eines Handhabungs- oder Fertigungsgeräts, wie beispielsweise eines Industrieroboters. Das Modul 10 weist ein Grundgehäuse 12 auf und einen im Grundgehäuse 12 angeordneten Antrieb 14, insbesondere in Form eines Elektromotors. Der Antrieb 14 ist dabei um eine Antriebswelle 16 angeordnet, die vom Antrieb 14 in eine um eine Mittellängsachse 18 verlaufende Drehbewegung versetzbar ist. Die Antriebswelle 16, die hohl ausgebildet ist, ist mit einem Getriebe 20 bewegungsgekoppelt. Das Getriebe befindet sich dabei am freien Ende der Antriebswelle 16, das dem Motor 14 fern gelegen ist. Die Antriebswelle 16 ist dabei in radialer Richtung mit dem Getriebe 20 bewegungsgekoppelt.
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Ausgangsseitig ist das Getriebe 20 mit einem Flanschabschnitt 22 einer Abtriebswelle 24 in axialer Richtung bewegungsgekoppelt. Das Getriebe 20 leitet folglich die von der Antriebswelle 16 kommende radiale Bewegung in eine parallel zur Mittellängsachse 18 verlaufende axiale Bewegung um. Der Flanschabschnitt 22 erstreckt sich, wie aus 1 deutlich wird, in radialer Richtung über die Antriebswelle 16, so dass dieser mit dem Getriebe 20 in axialer Richtung bewegungskoppelbar ist.
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Das Getriebe ist insbesondere derart ausgelegt, dass es ein Übersetzungsverhältnis Abtrieb/Antrieb von 150/1 bis 200/1 hat.
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Das dem Flanschabschnitt 22 abgewandte Ende der Abtriebswelle 24 überragt in axialer Richtung die Antriebswelle 16, wobei dieses Ende mit einem Bewegungsmechanismus koppelbar ist, der die Komponente, an welcher das Antriebsmodul 10 angeordnet ist, gegenüber anderen Komponenten, an denen andere Antriebsmodule angeordnet sein können, bewegen kann.
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Zur Erfassung des Drehwinkels α1 der Antriebswelle 16 ist ein erster Drehwinkelsensor 26 vorgesehen. Zur Erfassung des Drehwinkels α2 der Abtriebswelle 24 ist ein zweiter Drehwinkelsensor 28 vorgesehen. Beide Drehwinkelsensoren 26 und 28 sind über entsprechende Kommunikationsleitungen 29 mit einer Steuereinheit 30, die innerhalb des Antriebsmoduls 10, beziehungsweise des Grundgehäuses 20 angeordnet ist, verbunden. Mit den Drehwinkelsensoren 26, 28 können folglich die jeweiligen Drehwinkel α1 und α2 bei drehenden Wellen 16, 24 sowie bei Stillstand des Antriebs 14 erfasst und der Steuereinheit 30 mitgeteilt werden. Die Steuereinheit 30 dient insbesondere zur Ansteuerung des Antriebs 14. Die Ansteuerung des Antriebs 14 erfolgt dabei in Abhängigkeit der von den Drehwinkelsensoren 26, 28 erfassten Drehwinkeln α1 und α2. Die Steuereinheit 30 kommuniziert ferner über Leitungen 31, 33 mit einer Mastersteuerung, mit der das Antriebsmodul 10 betätigbar ist, beziehungsweise mit der die Steuereinheit 30 derart angesteuert wird, dass diese den Elektromotor 14 entsprechend ansteuert.
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Grundsätzlich gibt es im Bewegungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 24 einen nichtlinearen Anteil, auch dann, wenn das Getriebe 20 als Lineargetriebe ausgelegt ist. Der nichtlineare Anteil hängt dabei insbesondere ab von dem auf die Abtriebswelle wirkenden Lasten, von der Drehgeschwindigkeit der Wellen 16, 24, von der Elastizität des gesamten Systems und von der Genauigkeit des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 20. Ferner spielt das im Bewegungssystem vorhandene Spiel eine Rolle. Zudem kann der nichtlineare Anteil auch temperaturabhängig sein.
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In der 3 ist schematisch die Drehzahl m der Abtriebswelle 24 über der Drehzahl n der Antriebswelle 16 dargestellt. Das sich daraus ergebende Bewegungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 24 ist dabei nur im Idealzustand linear; dieser Idealzustand ist mit der Geraden g in 3 angedeutet. Das tatsächliche Bewegungsverhältnis ist in 3 (übertrieben) durch die Linie b angedeutet. Deutlich zu erkennen ist eine Abweichung der Gerade g zu der Linie b, also dass ein nicht linearer Anteil a zwischen der Bewegung der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 24 vorhanden ist. Bei einer Drehzahl n = n1 ist der Wert n1 = a1. Dieser nichtlineare Anteil a kann während des Betriebs des Antriebsmoduls durch einen Vergleich der von den Drehwinkelsensoren 26, 28 gemessenen Werte bestimmt werden. Die Ansteuerung des Motors 14 kann dann über die Steuereinheit 30 derart nachgeregelt werden, dass der nichtlineare Anteil a minimiert und idealerweise eliminiert wird. Dadurch kann insgesamt das Antriebsmodul 10 so angesteuert werden, dass der jeweilige Istwert der Abtriebswelle 24 weitestgehend dem vorgegebenen Sollwert entspricht; idealerweise ist der Istwert gleich dem Sollwert. Bei Bekanntheit der Drehsteifigkeit des Systems kann zudem auf eine auf die Abtriebswelle 24 wirkende Last rückgeschlossen werden. Somit kann über die Steuereinheit 30 ein Drehmoment bestimmt werden, ohne dass ein Drehmomentsensor im eigentlichen Sinne vorzusehen ist.
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Auf Grund der Auswertung der Signale der Drehwinkelsensoren 26 und 28 in der Steuereinheit 30 kann zudem ein Drehrichtungswechsels des Antriebs 14 derart durchgeführt werden, dass das Umschlagspiel minimiert wird.
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Das Antriebsmodul 10 hat zudem den Vorteil, dass bei einem Abweichen der von den Drehwinkelsensoren 26, 28 erfassten Drehwinkel α1 und α2 von im zulässigen Betrieb des Antriebsmoduls zulässigen Drehwinkelwerten ein Signal generiert wird. Dieses Signal kann beispielsweise an die übergeordnete Mastersteuerung geleitet werden, die dann entsprechende Maßnahmen ergreift. Beispielsweise kann über die Drehwinkelsensoren 26, 28 ein zu großer Verschleiß des Getriebes 20 oder ein Getriebeausfall oder ein Wellenbruch der Wellen 24, 26 detektiert und dann ein entsprechendes Signal abgegeben werden. Das Signal kann dann beispielsweise zu einem Notaus des Moduls oder des gesamten Handhabungs- oder Fertigungsgeräts führen. Ferner kann aus dem Signal auf Wartungshinweise aufgrund von feststellbarem verschleiß rückgeschlossen werden.
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Bei den Drehwinkelsensoren 26, 28 handelt es sich insbesondere um Absolutwertgeber, mit denen die Drehstellung der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 24 innerhalb einer Umdrehung oder auch innerhalb von mehreren Umdrehungen, eindeutig bestimmbar ist.
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Das in der 2 gezeigte Antriebsmodul 100 entspricht im Aufbau dem Antriebsmodul 10 gemäß 1. Entsprechende Bauteile sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Der Elektromotor 14 greift auch hier die hohl ausgebildete Antriebswelle 16 an, die an dem dem Elektromotor 14 abgewandten Ende über ein Getriebe 20 mit dem Flansch 22 der Abtriebswelle 24 drehgekoppelt ist. Die Antriebswelle 16 ist dabei über ein Lager 102 gegenüber der Abtriebswelle 24 drehbar gelagert angeordnet. Die Antriebswelle 16 ist gegenüber dem Grundgehäuse 12 mittels eines weiteren Lagers 104 drehbar gelagert.
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Der Drehwinkelsensor 26 ist beim Antriebsmodul 100 in der Nähe des Getriebes 20 angeordnet und zwar in einem vom Getriebe 20 umschlossenen Hohlraum 106, der insbesondere mit Getriebefett gefüllt sein kann.
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Das Getriebe 20 weist ein mit der Antriebswelle 16 drehgekoppeltes Eingangsglied 108 auf sowie ein mit dem Flanschabschnitt 22 drehgekoppeltes Ausgangsglied 110. Zur Befestigung des Flansches 22 am Getriebe 20 beziehungsweise an dessen Ausgangsglied 110 sind Befestigungsschrauben 112 vorgesehen.
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An dem dem Flanschabschnitt 22 abgewandten freien Ende weist die Abtriebswelle 24 einen Kopplungsabschnitt 114 auf, der mit dem am Grundgehäuse 12 angeordneten Drehwinkelsensor 28 zusammenwirkt. Der Kopplungsabschnitt 114 dient zudem zum Ankoppeln von durch das Antriebsmodul 10 anzutreibenden Bauteilen.
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Wie ebenfalls aus 2 deutlich wird, sind die Drehwinkelsensoren 26, 28 über Leitungen 29 mit der Steuereinheit 30 verbunden. Die Steuereinheit 30 dient zur Auswertung der von den Drehwinkelsensoren 26, 28 erfassten Signale. Die Steuereinheit 30 ist ferner mit dem Elektromotor 14 elektrisch verbunden, um diesen in Abhängigkeit von den Drehwinkelsensoren erfassten Drehwinkeln, wie zu 1 beschrieben, anzusteuern beispielsweise zu regeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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