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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Gelenk zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems.
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Antriebseinheiten, die in Manipulatoren von Robotersystemen bzw. Roboterarmen zum Einsatz kommen, dienen dazu, ein Achsglied des in der Regel mehrachsig konstruierten Roboterarms gegenüber einem daran anschließenden Achsglied bewegbar, vorzugsweise drehbar, anzuordnen. Die auf diese Weise sich ergebende Beweglichkeit zwischen zwei aneinandergrenzenden Achsgliedern führt über die Anzahl der Achsglieder des Manipulators zu den entsprechenden Freiheitsgraden des Robotersystems.
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Bei Industrierobotern kommen dabei Antriebseinheiten zum Einsatz, die eine Drehung eines Achsglieds um eine quer zu seiner Längserstreckung verlaufenden Achse gestatten. Weitere Antriebsvorrichtungen sind konzipiert, um eine Drehung um die Längsachse des Achsglieds zu gestatten. Hierfür kommen in der Regel entsprechend dimensionierte Elektromotoren zum Einsatz, die gegebenenfalls mit einem entsprechenden untersetzenden Getriebe zusammenwirken.
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Bei Leichtbaurobotern werden die Antriebsvorrichtungen in das in sich geschlossene Gehäuse der Achsglieder eingebaut, da die Gehäuse bei den Manipulatoren von derartigen Robotertypen grundsätzlich wie ein Exoskelett konzipiert sind.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen ist in der Regel abtriebsseitig zumindest eine Sensorvorrichtung vorgesehen, um die Position, das Drehmoment und/oder die Drehzahl eines Abtriebselements zu detektieren, das das eine Achsglied gegenüber dem anderen Achsglied in Drehung versetzt. Zur Detektion der Antriebsdrehzahl, des Antriebsdrehmoments und/oder der Position einer von einem Motor angetriebenen Antriebswelle ist darüber hinaus motorseitig bzw. antriebsseitig eine weitere Sensorvorrichtung vorgesehen.
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Jede Sensorvorrichtung befindet sich in der Regel auf jeweils einer eigenständigen Leiterplatte bzw. -platine (PCB), die an entsprechenden Stellen der Antriebsvorrichtung angeordnet sind.
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Eine Leiterplatte mit einer Sensorvorrichtung für den Antrieb befindet dabei sich im Bereich des Motors bzw. der von diesem angetriebenen Antriebswelle, wobei der Motor innerhalb desjenigen Achsglieds aufgenommen ist, das gegenüber dem anderen Achsglied drehbar gelagert ist. Für die Detektion des Antriebs weist die Leiterplatte, die auch die gesamte Steuerelektronik für die Antriebsvorrichtung beinhalten kann, daher nur einen Positionssensor auf.
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Die Detektion des Abtriebs erfolgt durch einen zweiten Positionssensor, der auf einer eigenen Leiterplatte angeordnet ist, die von der Leiterplatte mit dem ersten Positionssensor vollständig, räumlich und signaltechnisch, getrennt ausgebildet ist. Diese Leiterplatte befindet sich innerhalb der Antriebsvorrichtung im Bereich des Abtriebs, d. h. zusammenwirkend mit einem Abtriebselement, bspw. einem Abtriebsflansch oder einem Abtriebsgehäuse, die in der Regel im Gehäuse des drehbar gelagerten Achsglieds vorgesehen sind.
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Die Verwendung eines in diesem Bereich vorgesehenen Positionssensors zusammen mit einer diesen tragenden eigenständigen Leitungsplatte geht jedoch mit dem Nachteil einher, dass der zweite Positionssensor einerseits genau innerhalb der Antriebsvorrichtung ausgerichtet werden muss, was fehlerbehaftet ist, und andererseits die von diesem generierten Signale über ein Verkabelung zu der dem Abtrieb axial gegenüberliegend angeordneten und die Steuer- und Auswerteelektronik enthaltenden Leiterplatte mit dem ersten Positionssensor für den Antrieb geleitet werden müssen.
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Von der Auswerteelektronik kann daher nur ein Positionssensor pro Leiterplatte gelesen werden.
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Bei exoskelettartigen Gehäusen von Robotersystemen der Leichtbauweise besteht allerdings das Problem, dass aufgrund der umfänglich in sich geschlossenen Gehäusestrukturen die Antriebseinheiten mit sämtlichen Komponenten axial in die Gehäuse der Achsglieder eingefügt und dort auf Grund der sehr eingeschränkten Zugänglichkeit umständlich montiert werden müssen. Dies trifft auch auf eine von der Abtriebsseite zu der Antriebsseite führenden Verkabelung zu.
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Darüber hinaus besteht auch das Problem, dass eine einfache Verkabelung nicht genügt, um das von der abtriebsseitigen Sensorvorrichtung erzeugte Signal unmittelbar zu erfassen, da dieses bei seinem Weg durch die Antriebsvorrichtung zu der Leiterplatte mit dem antriebsseitigen Positionssensor an dem Elektromotor vorbei gestört werden könnte. Es ist daher in der Regel ein entsprechender Bus nötig, der die Kosten der Elektronik für diese Antriebsvorrichtung erhöht.
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Des Weiteren sind die Kabel von der abtriebsseitigen Leiterplatte zu der antriebsseitigen Leiterplatte, die sich zumindest über einen Teil der Länge der Antriebsvorrichtung, wenn nicht sogar nahezu über die gesamte axiale Länge erstrecken, Torsionsspannungen ausgesetzt, wenn sich die beweglichen Komponenten der Antriebsvorrichtung und damit die Achsglieder gegenseitig verdrehen. Dies kann nach einer gewissen Zeit zu einem Versagen der Verkabelung führen.
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Kommt in der Antriebsvorrichtung auch noch ein Drehmomentsensor zum Einsatz, der ebenfalls auf einer eigenständigen Leiterplatte angeordnet sein kann, sind bereits drei verschiedene Leiterplatten innerhalb der Antriebsvorrichtung anzubringen, was den erforderlichen Bauraum erhöht, bzw. unter Vorgabe der Gehäusestrukturen der Achsglieder den tatsächlich zur Verfügung stehenden Bauraum wesentlich einschränkt. Die Verkabelung wird dadurch noch weiter verkompliziert.
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Abschließend bleibt also festzuhalten, dass die Anzahl der Leiterplatten für die einzelnen Sensorvorrichtungen und die hierfür notwendige Verkabelung bei den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen den Montageaufwand für die einzelnen mechatronischen Komponenten grundsätzlich erhöht, wodurch die Kosten für die Herstellung der mechatronischen und mechanischen Komponenten sowie für die Montage und auch die Instandhaltung der Antriebsvorrichtung erheblich steigen.
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Eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung mit einer Sensorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik geht beispielsweise aus der
US 2015/0 053 040 A1 hervor.
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Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich der Leichtbauweise, zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten, aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten Nachteile ausräumt, insbesondere eine vereinfachte Montage der Sensorvorrichtungen und deren Instandhaltung gestattet sowie die Zuverlässigkeit in Bezug auf die Detektion der antriebs- und abtriebsseitigen Parameter erhöht.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft demzufolge eine Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems angeordnetes Gelenk zum rotatorischen Antrieb des einen Achsglieds gegenüber dem anderen Achsglied, mit einem Motor, der eine Antriebswelle antreibt, und mit einem Abtriebselement, das mit dem einen Achsglied in Verbindung steht und von der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar in Drehung versetzt wird, wobei eine Leiterplatte bzw. Leiterplatine (PCB) vorgesehen ist, auf der eine Sensorvorrichtung für den durch die Antriebswelle bereitgestellten Antrieb und eine Sensorvorrichtung für den durch das Abtriebselement bereitgestellten Abtrieb angeordnet sind.
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In Gegensatz zum Stand der Technik kommt folglich nur eine einzige Leiterplatte zum Einsatz, die alle notwendigen Sensorvorrichtungen trägt, die zumindest einen Positionssensor für den Antrieb und zumindest einen Positionssensor für den Abtrieb beinhalten und ggfs. noch weitere Sensoren umfassen können, wie bspw. einen Drehmomentsensor.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sollen dabei die Sensorvorrichtung für den Antrieb und die Sensorvorrichtung für den Abtrieb auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte angeordnet sein.
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Ein Vorteil, dass beide Sensorvorrichtungen unmittelbar auf einer einzigen Leiterplatte montiert sind, die axial gegenüberliegend zu dem Abtriebselement der Antriebsvorrichtung bspw. auf einem Motorgehäuse angebracht ist, liegt darin, dass ein Updateprozess bspw. der Firmware für alle Sensoren nur einmal durchgeführt werden muss, da kein Positionssensor für den Abtrieb räumlich getrennt zu dieser Leiterplatte auf einer weiteren Leiterplatte angeordnet ist.
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Eine komplexe Verkabelung ist nicht mehr notwendig, so dass die mit einer solchen Verkabelung einhergehenden Nachteile, wie Raumbedarf, Torsionsbeanspruchung usw., vollständig entfallen.
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Die Versorgung für die Sensorvorrichtungen sowie die Auswerteelektronik sind unmittelbar auf der einzigen Leiterplatte angeordnet. Da hierdurch über die Antriebsvorrichtung weniger elektrische Komponenten und Anschlüsse verteilt sind, ist eine solche Antriebsvorrichtung grundsätzlich besser gerüstet gegen Ausfälle.
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Eine Kalibrierung der Sensorvorrichtungen kann auf einfache Art und Weise unmittelbar für die montierte Antriebsvorrichtung erfolgen, wobei sich sämtliche Daten der Steuerung, Kalibrierung usw. für beide Sensorvorrichtungen auf der Leiterplatte in einem gemeinsamen Speicher ablegen lassen.
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Um zu ermöglichen, dass die antriebsseitigen und abtriebsseitigen Parameter durch auf einer einzigen Leiterplatte angeordnete Sensorvorrichtungen erfassen lassen, ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die von dem Motor angetriebene Antriebswelle als eine Hohlwelle ausgebildet ist und das Abtriebselement mit einer Sensorwelle drehfest, d. h. drehmomentübertragend verbunden ist, die die Antriebswelle in einem radialen Abstand durchsetzt und sich bis zu der Leiterplatte erstreckt.
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Die Sensorwelle kann sich durch eine Öffnung in der Leiterplatte zu der Seite der Leiterplatte erstrecken, die dem Motor gegenüberliegt, während sich die Antriebswelle des Motors bis zu der Seite der Leiterplatte erstrecken kann, die dem Motor zugewandt ist.
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Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass an dem stirnseitigen axialen Ende der Sensorwelle oberhalb der Leiterplatte ein Sensorring angeordnet ist, der mit der Sensorvorrichtung für den Abtrieb zusammenwirkt, die auf dieser Seite der Leiterplatte angeordnet ist.
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In analoger Weise trägt die Antriebswelle an ihrem stirnseitigen axialen Ende, das der Leiterplatte zugewandt ist, ebenfalls einen Sensorring, der mit der Sensorvorrichtung für den Antrieb zusammenwirkt, die auf der Seite der Leiterplatte angeordnet ist, die dem Motor zugewandt ist.
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Die Sensorringe können jeweils zumindest ein magnetisches Element oder eine Folge von magnetischen Elementen aufweisen, wobei die jeweilige Sensorvorrichtung bzw. der jeweilige Sensorchip konzipiert ist, unter Nutzung des Hall-Effekts die jeweilige Position des magnetischen Sensorrings zu erfassen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Sensorvorrichtungen sowohl für den Abtrieb als auch für den Anrieb um Sensoren der gleichen Bauart, was die Auswerteelektronik weiter vereinfacht.
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Während der Abtrieb absolut über die tatsächliche Position des Sensorrings für den Abtrieb gemessen werden kann, da dieser insgesamt nur eine Drehung von maximal oder weniger als 360° vollführen kann, wird der Antrieb, also die Position des Motors über einen entsprechenden Algorithmus aus der Vielzahl der von der Antriebswelle durchgeführten Drehungen im Zusammenhang mit der tatsächlichen Abtriebsposition des Abtriebselements unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses eines in der Regel noch zum Einsatz kommenden Untersetzungsgetriebes errechnet.
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Um die Detektion der Signale für den Abtrieb und den Antrieb so wenig fehleranfällig wie möglich zu halten, ist es von Vorteil, wenn die Abstände zwischen den Sensorringen und den Sensorchips innerhalb von gewissen Toleranzgrenzen gehalten werden, Darüber hinaus sollen Neigungen der Sensorringe gegenüber den Sensorchips vermieden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass der Sensorring für den Antrieb und der Sensorring für den Abtrieb deckungsgleich zu beiden Seiten der Leiterplatte einander gegenüberliegen und dass weiter bevorzugt die dem Sensorring für den Abtrieb zugeordnete Sensorvorrichtung und die dem Sensorring für den Antrieb zugeordnete Sensorvorrichtung zu beiden Seiten der Leiterplatte einander diametral gegenüberliegen, wodurch eine gegenseitige Einflussnahme der Sensorvorrichtungen weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
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Um eine einwandfreie parallele Führung der Sensorringe gegenüber den diesen jeweils zugeordneten Sensorvorrichtungen zu ermöglichen, schlägt die Erfindung darüber hinaus die nachfolgend erläuterten Maßnahmen vor.
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Für eine exakte Führung des Sensorrings für den Abtrieb ist auf der entsprechenden Seite der Leiterplatte eine ringförmige Gleitführung für diesen Sensorring vorgesehen, der auf der Leiterplatte, dem Motor gegenüberliegend, angeordnet ist. Das Gehäuse der Gleitführung kann darüber hinaus Mittel zur Befestigung und Führung von Leitungskomponenten wie Kabeln von der Leiterplatte aufweisen.
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Für eine exakte plane Führung des Sensorrings für den Antrieb, ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass ein Axiallager, das die Antriebswelle in dem Gehäuse des Motors, axial dem Abtrieb gegenüberliegend, führt, konstruktiv und baulich so nahe wie möglich an dem Sensorring angeordnet ist.
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Durch die Bereitstellung eines Gleitlagers für den Sensorring für den Abtrieb und durch eine entsprechende Positionierung des oberen Axiallagers der Antriebswelle ist es möglich, beide Sensorringe so parallel und konzentrisch wie möglich zu den diesen zugeordneten Sensorchips anzuordnen und zu führen, wodurch axiale und winkelmäßige Toleranzabweichungen äußert gering gehalten werden und sich Messfehler kaum einstellen.
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Die Leiterplatte lässt sich in einer exakten parallelen Ausrichtung zu dem Sensorring für den Antrieb anordnen, indem an dieser Verbindungselemente vorgesehen sind, die ausgestaltet sind, um mit einem Gehäuse des Motors so zusammenzuwirken, dass ein exakter Abstand zwischen Gehäuse des Motors und Leiterplatte eingehalten werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sensorwelle zur Aufnahme von Leitungskomponenten als Hohlwelle ausgebildet ist. Hierbei kann es sich um Leitungskomponenten (Kabel, Bus) handeln, die von einer weiteren Antriebsvorrichtung zwischen den nächsten Achsgliedern eines Manipulators stammen. Auf diese Weise lassen sich die Leitungskomponenten sicher und geschützt von der Mechanik der Antriebsvorrichtungen durch das Innere des Manipulators führen.
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Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass nur eine einzige integrierte Leiterplatte pro Gelenk zum Einsatz kommt, die der vollständigen Steuerung eben nur dieses Gelenks dient. Auch wird es dadurch auf einfache Art und Weise möglich, eine Verbindung mit anderen Gelenken herzustellen, indem die eine Leiterplatte des einen Gelenks mit der anderen Leiterplatte des nächsten Gelenks über entsprechende Versorgungs- und Singalbusleitungen verbunden wird.
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Durch den Wegfall einer komplexen Verkabelung und zumindest einer weiteren Leiterplatte für die abtriebsseitige Sensorvorrichtung kann ein insgesamt kompakterer und damit leichterer Aufbau der Antriebsvorrichtung realisiert werden. Es werden insgesamt weniger Teile benötigt, wodurch sich auch die Montage- und ggfs. Instandhaltungszeiten verkürzen lassen, beides einhergehend mit einer Kostenreduktion.
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Gleichzeitig kann die hohle Sensorwelle für die Führung der noch notwendigen Leitungskomponenten mittig in der Antriebsvorrichtung als eine Art Schutzhülle für diese Leitungen dienen.
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Die Anordnung der Sensorvorrichtung für den Abtrieb und der Sensorvorrichtung für den Antrieb auf einer einzigen Leiterplatte erweist sich als weniger stör- und fehleranfällig. Die Programmierung des Auswertealgorithmus wird wesentlich vereinfacht.
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In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung daher auch einen Roboter mit einem Manipulator aus mehreren Achsgliedern aufweisend eine Antriebsvorrichtung gemäß den oben geschilderten Ausführungsformen in zumindest einem zwischen Achsgliedern des Manipulators angeordneten Gelenk.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beilegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
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1 einen axialen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine Explosionsdarstellung dieser Ausführungsform; und
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3 ausschnittsweise die Anordnung der Sensorringe der Antriebswelle und der Sensorwelle.
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In der 1 ist exemplarisch eine Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung in einer Querschnittsansicht entlang der Drehachse, d. h. Längserstreckung der Antriebsvorrichtung gezeigt.
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Wie zu erkennen ist, ist die Antriebsvorrichtung im Wesentlichen aus rotationssymmetrisch ausgestalteten Komponenten und Bauteilen aufgebaut.
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Gemäß der Erfindung ist eine Modulbauweise vorgesehen, bei der mehrere Module in einer axialen Ausrichtung funktional zusammenwirken und ineinandergreifen. Die Module sind für sich jeweils einzeln austauschbar und lassen sich miteinander auf Grund von gemäß der Erfindung entsprechend konzipierten und ausgestalteten Verbindungstechniken verbinden.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vier funktional unterschiedlichen Antriebsmodulen.
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Ein erstes Antriebsmodul M1 beinhaltet ein Getriebe 1, beispielsweise ein Wellgetriebe, das in einem Gehäuse 2 aufgenommen ist. Das Ausgangselement des Getriebes 1 ist über eine Abtriebswelle 3 mit einem Gehäuse 4 eines zweiten Antriebsmoduls M2 drehfest, d. h. drehmomentübertragend verbunden.
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Das zweite Antriebsmodul M2 dient dem Abtrieb und ist zu diesem Zweck mit einem nicht dargestellten Achsglied eines Manipulators bzw. Roboterarms drehfest verbunden, während das Gehäuse 2 des ersten Antriebsmoduls M1 mit einem nicht dargestellten weiteren Achsglieds dieses Manipulators verbunden ist. Das Gehäuse 4 des zweiten Antriebsmoduls M2 ist mittels eines Radiallagers 5 gegenüber dem Gehäuse 2 des ersten Antriebsmoduls M1 drehbar gelagert.
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Dem zweiten Antriebsmodul M2 axial gegenüberliegend ist an dem ersten Antriebsmodul M1 ein drittes Antriebsmodul M3 befestigt, das ein Gehäuse 6 aufweist, in dem ein Motor 7 angeordnet ist, der eine Motor- bzw. Antriebswelle 8 antreibt.
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Die Antriebswelle 8 ist durch ein erstes Axiallager 9 in der Nähe des Getriebes 1 und durch ein zweites Axiallager 10 in einer Abdeckung 11 für das Gehäuse 6 drehbar und dadurch zentral in der Antriebsvorrichtung gelagert.
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Auf dem Gehäuse 6 des dritten Antriebsmoduls M3 bzw. auf der diesem zugehörigen Abdeckung 11 ist über Verbindungs- bzw. Abstandshalter 12 ein viertes Antriebsmodul M4 befestigt, das eine Leiterplatte 13 bzw. PCB für eine Sensor- und Steuerelektronik aufweist.
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Die Antriebswelle 8 des Motors 7, die als eine Hohlwelle ausgebildet ist, erstreckt sich durch die Abdeckung 11 hindurch bis zu der Seite der Leiterplatte 13, die der Abdeckung 11 zugewandt ist.
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Das Gehäuse 4 des zweiten Antriebsmoduls M2 ist stirnseitig über einen Flansch 14 mit einem Flansch 15 einer Sensorwelle 16 drehfest verschraubt.
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Wie in der 1 zu erkennen ist, durchsetzt die Sensorwelle 16 die Antriebswelle 3 und die Antriebswelle 8 des Motors 7 in einem radialen Abstand und erstreckt sich durch eine Öffnung in der Leiterplatte 13 bis zu der Seite der Leiterplatte 13, die dem dritten Antriebsmodul M3 gegenüberliegt (In der 3 ist die Sensorwelle 16 zu Veranschaulichungszwecken der Führung in der hohlen Antriebswelle 8 in einer zurückgezogenen Stellung gezeigt.).
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Das der Leiterplatte 13 zugewandte stirnseitige axiale Ende der Antriebswelle 8 weist einen Sensorring 17 auf, während auf der Leiterplatte 13 ein entsprechend diesem Sensorring 17 zugeordneter Sensorchip 18 angeordnet ist. Der Sensorring 17 ist auf einem Haltering 19 befestigt, so dass sich der Sensorring 17 mit der Antriebswelle 8 dreht.
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Die Sensorwelle 16 weist ebenfalls an ihrem stirnseitigen axialen Ende einen Sensorring 20 auf, der ebenfalls in einem entsprechenden Haltering 21 befestigt ist und sich so über einen diesem Sensorring 20 zugeordneten Sensorchip 22 auf der Leiterplatte 13 dreht.
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Die Sensorringe 17 und 20 weisen zumindest ein (nicht dargestelltes) Magnetelement auf, wobei die Sensorchips 18 und 22 jeweils ausgestaltet sind, um unter Nutzung des Hall-Effekts die jeweilige Position der Antriebswelle 8 bzw. der Sensorwelle 16 zu detektieren.
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Um den Sensorring 20 der Sensorwelle 16 exakt konzentrisch und parallel zu dem Sensorchip 22 zu führen, ist auf der Leiterplatte 13 eine radiale Gleitführung 23 angeordnet, die mit den Abstandshaltern 12 verschraubt wird.
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Um den Sensorring 17 der Antriebswelle 8 exakt konzentrisch und parallel zu dem Sensorchip 18 zu führen, ist das zweite Axiallager 10 des dritten Antriebsmoduls M3 so nahe wie möglich an der Leiterplatte 13 angeordnet.
