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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1 und einen Roboter mit dem Roboterarm.
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Ein Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1 ist aus der
EP 2 407 283 B1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Roboterarm zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Roboter mit dem eingangs genannten Roboterarm werden in der Regel als Handlinggeräte verwendet. Für die geforderte Positionierungsgenauigkeit solcher Handlinggeräte haben sich Toleranzen im Bereich unter einem Millimeter und Steifigkeiten von 1 N/µm als ausreichend gezeigt. Auf darüber hinausgehende Positionierungsgenauigkeiten und Steifigkeiten kann bei Handlinggeräten zugunsten der Herstellungskosten verzichtet werden. Allerdings sind Roboter mit derartigen Steifigkeiten und Toleranzen zur Verwendung als Werkzeugmaschine, insbesondere als Fräsmaschine, ungeeignet. Zwar könnte den Nachteilen solcher Roboter durch eine geeignete Programmierung entgegengewirkt werden, allerdings kann die Software die grundsätzlichen strukturellen Probleme solcher Roboter nicht überwinden. Auch ist es zur Minimierung der Toleranzen bekannt, spielfreie Getriebe in Robotern einzusetzen. Allerdings weisen diese spielfreien Getriebe eine Steifigkeitsschwäche auf, wenn die Belastung auf das Betriebe die Richtung wechselt. Dieser Effekt ist als Lost Motion Effekt bekannt.
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Zwei Kettenglieder der kinematischen Kette eines herkömmlichen Roboterarms werden über eine Welle gegeneinander verdreht. Ein Antrieb trägt hier ein Drehmoment in die Welle ein, dessen Kraft- oder Hebelarm nicht größer ist, als der Radius der Welle. Dem Roboterarm gemäß dem geltenden Anspruch 1 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zuvor genannten Nachteile hinsichtlich Steifigkeit und Positioniergenauigkeit ihre Ursache gerade in dem geringen Kraftarm haben, weil die Kettenglieder diesem Kraftarm einen vergleichsweise großen Gegenhebel entgegensetzen. Dieser Gegenhebel wird umso größer je näher das zu drehende Kettenglied am proximalen Ende und damit am Sockel des Roboters liegt. Daher wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Kraftarm größer auszugestalten, als ein Lagerradius des Lagers, in dem die Welle gelagert ist, und damit einem Radius der Welle, die die Kettenglieder gegeneinander verdreht.
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Anders als bei herkömmlichen Robotern müssen die beiden zuvor genannten Kettenglieder nicht zwangsläufig über eine Welle miteinander verbunden sein, weil das Schwenkmoment unmittelbar an einem der Kettenglieder angreifen kann. Daher können die beiden Kettenglieder in angegebenen Roboterarm sowohl über eine Welle als auch über eine Achse gegeneinander gelagert werden.
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Mit den Bereichen für den Kraftarm nach Anspruch 2 konnten die Steifigkeit des Roboterarms auf mehr als 10 N/µm erhöht und die Positionierfehler des Endeffektors auf weniger als 1/10 mm reduziert werden, ohne dass ein Lost Motion Effekt auftritt. Dies kommt bereits nahe an die notwendigen Anforderungen an Werkzeugmaschinen heran.
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Mit dem Torquemotor als Antrieb gemäß Anspruch 3 lässt sich der Kraftarm unmittelbar an den Kettengliedern ansetzen, wodurch keine weiteren Positionierungsfehler und Steifigkeiten durch Getriebe oder dergleichen hervorgerufen werden.
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Mit dem Antrieb nach Anspruch 4 kann der Grundgedanke hinter der beanspruchten Erfindung vergleichsweise kostengünstig, bauraumsparend und gewichtsarm ungesetzt werden.
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Mit dem Roboterarm nach Anspruch 5 lassen sich die Schwenkmomente axial versetzt zu den zu verdrehenden Kettengliedern anordnen, ohne dass die beiden Kettenglieder winklig zur Rotationsachse verkippt werden. Auf diese Weise lässt sich zwischen den Schwenkmomenten ein axialer Abstand frei halten, in dem beispielsweise Kabel, Hydraulikleitungen oder dergleichen verlegbar ist.
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Der Roboterarm nach Anspruch 6 bewirkt eine Verspannung, mit der ein Spiel zwischen den beiden Kettengliedern minimiert und so die Positionierungsgenauigkeit und die Steifigkeit maximiert werden.
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Die Stirnradgetrieben nach Anspruch 7 sind beständig und steif.
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In dem Roboterarm nach Anspruch 8 lässt sich der Winkelgeber unmittelbar an dem zu drehenden Kettenglied anbringen, ohne dass ein Antrieb dazwischen geschaltet ist, der den Winkelgeber vom Kettenglied entkoppelt und einen Messfehler in den Aufbau einbringt.
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Besitzt das Abtriebsritzel die Form eines Rings oder Ringsegmentes gemäß Anspruch 9, so lässt sich ein axialer Abstand zwischen dem Winkelgeber und dem zu drehenden Kettenglied minimieren.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines in einem Werkzeugmaschinengehäuse verbauten Roboters,
- 2 den Roboter aus 1 isoliert in einer perspektischen Ansicht,
- 3 den Roboter aus 2 ohne Schutzabdeckungen und Energieversorgungsleitungen in einer perspektivischen Ansicht,
- 4 eine perspektivische Schnittdarstellung des Roboters aus 3 in einem Gelenkbereich zwischen zwei Kettengliedern,
- 5a eine schematische Darstellung des Roboters aus 2 von der Seite,
- 5b eine schematische Darstellung eines alternativen Roboters von der Seite, und
- 6 eine perspektivische Schnittdarstellung des Roboters aus 3 in einem Gelenkbereich zwischen zwei Kettengliedern in einer alternativen Ausführung.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Die Figuren sind rein schematisch und geben vor allem nicht die tatsächlichen geometrischen Verhältnisse wieder.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugmaschinengehäuses 1 zeigt, in dem ein Roboter 2 verbaut ist.
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Das Werkzeugmaschinengehäuse 1 weist eine Rückwand 3 auf, die einen bodenseitigen Behälterbereich 4 mit einer Deckplatte 5 verbindet. Der Roboter 2 ist kopfüber an der Deckplatte 5 montiert und zum bodenseitigen Behälterbereich 4 hingerichtet.
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Auf einer der Rückwand 3 gegenüberliegenden Seite kann ein Bediener 6 stehen. Ferner werden dort die Rohteile 7 durch den Roboter 2 zu einem Werkstück 10 bearbeitet. Der Roboter 2 holt sich die Rohteile 7 selbstständig vom Bearbeitungstisch 9 und legt sie als bearbeitete Werkstücke 10 dort auch wieder ab. Der Bediener 6 ist somit nur noch für Umrüst- und Wartungsarbeiten notwendig.
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Auf einer dem Ablagetisch 8 gegenüberliegenden Seite des Werkzeugmaschinengehäuses 1 ist ein Magazin 11 angeordnet, in welchem nicht weiter dargestellte Werkzeuge aufbewahrt werden, mit denen der Roboter 2 zur Bearbeitung der Rohteile 7 bestückbar ist. Auf einer dem Behälterbereich 4 gegenüberliegenden Seite der Rückwand 3 ist ein Späne-Förderer 12 angeordnet, der bei der Bearbeitung der Rohteile 7 entstehenden Spanabfall aus dem Behälterbereich 4 abfördert und in einen Auffangbehälter 13 ausstößt.
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Nachstehend wird auf den Roboter 2 anhand von 2 näher eingegangen.
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Der Roboter 2 umfasst einen Sockel 14 und einen Roboterarm 15 mit einem proximalen Ende 16, das mit dem Sockel 14 verbunden ist und einem distalen Ende 17, an dem ein Endeffektor 18 in Form eines Spannfutters zum Halten eines spanabhebenden Werkzeuges 19, hier in Form eines Fräsbohrers gehalten ist.
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Das proximale Ende 16 und das distale Ende 17 sind durch eine kinematische Kette aus einem ersten Kettenglied 20, einem zweiten Kettenglied 21 und einem dritten Kettenglied 22 miteinander verbunden. Hierbei erstreckt sich das erste Kettenglied 20 von proximalen Ende 16 in Richtung des distalen Endes 17 und das dritte Kettenglied 22 vom distalen Ende 16 aus in Richtung des proximalen Endes 16, wobei das zweite Kettenglied 21 das erste Kettenglied 20 und das dritte Kettenglied 22 an ihrem dem jeweiligen Ende 16, 17 der kinematischen Kette gegenüberliegendem Ende miteinader verbindet.
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Die einzelnen Kettenglieder 20 bis 22 sind an ihren Verbindungsstellen, nachstehend Gelenke 23 genannt, gegeneinander um eine Rotationsachse 24 verschwenkbar über Achslager 25 gehalten. Mit dem Ausdruck Achslager soll dabei verdeutlicht werden, dass die jeweiligen Kettenglieder 20 bis 22 im mechanischen Sinn gegeneineinander verschwenkbar entweder über eine Welle oder eine Achse gehalten sind.
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Die einzelnen Kettengleider 20 bis 22 werden an den Gelenken 23 über Antriebe 26 gegeneinander um die Rotationsachsen 24 gedreht. Die in 2 nicht weiter zu sehenden Kraftquellen der Antriebe 26 liegen ausgehend von der jeweiligen Rotationsachse 24 radial beabstandet zum jeweiligen Achslager 25. Ferner sind jedem Gelenk 23 zwei axial beabstandete Antriebe 26 zugeordnet, wobei die Kettenglieder 20 bis 22 axial zwischen den Antrieben 26 angeordnet sind. Sind über Energieversorgungsleitungen 27 an eine nicht weiter referenzierte Energieversorgungsquelle angeschlossen. Die Energieversorgung kann anwendungsabhängig beliebig, beispielsweise hydraulisch oder elektrisch gewählt werden, worauf der Kürze halber allerdings nicht näher eingegangen werden soll.
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Die Kettenglieder 20 bis 22 sind mit Abdeckungen 28 verschlossen, um sie insbesondere an den Gelenken 23 vor eindringendem Schmutz zu schützen. In 3 ist der Roboter 2 ohne diese Abdeckungen 28 dargestellt. Anhand dieser Darstellung soll der Aufbau der Antriebe 26 näher beschrieben werden.
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Die Gelenke 23 sind als Gabelgelenke ausgeführt. Hierzu weist das erste Kettenglied 20 an seinem dem proximalen Ende 16 gegenüberliegenden Ende einen Gabelkopf 29 auf, in das ein Gabelkopfgegenstück 30 am zweiten Kettengliedes 21 eingreift. In gleicher Weise weist das zweite Kettenglied 21 dem Gabelkopfgegenstück 30 einen Gabelkopf 29 auf, in das ein Gabelkopfgegenstück 30 am dritten Kettenglied 22 eingreift.
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Jeder Antrieb 26 weist als Kraftquelle einen Antriebsmotor 31 auf. Die einzelnen Antriebsmotoren 31 sind auf die einzelnen Gabelköpfe 29 ausgehend von den Rotationsachsen 24 gesehen axial außenseitig derart aufgesetzt, dass sich an jedem Gabelkopf 29 zwei Antriebsmotoren 31 koaxial gegenüberliegen. Jeder Antriebsmotor 31 weist eine nicht weiter gezeigte Antriebswelle auf, die durch die Gabelköpfe 29 hindurch axial ins Innere des jeweiligen Gabelkopes 29 geführt und mit einem Antriebsritzel 32 bestückt sind.
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Jedes Antriebsritzel 32 treibt einen Abtriebszahnring 33, wobei die einzelnen Abtriebszahnringe 33 an den axialen Außenflächen der Gabelkopfgegenstücke 30 befestigt sind. Jedes Antriebsritzel 32 bildet zusammen mit Abtriebszahnring 33, den es antreibt, ein Stirnradgetriebe. Die Abtriebszahnringe 33 können als geschlossene Ringe ausgeführt sein. Je nach Anwendungsfall reichen allerdings Ringsegmente, wie sie in 3 dargestellt sind, mit einer bestimmten Winkellänge aus. Auf diese Weise können mit den Antriebsmotoren 31 über die Stirnradgetriebe 32, 33 die einzelnen Kettenglieder 20 bis 22 in ihrer relativen Winkellage zueinander verstellt werden.
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Am Sockel 14 ist analog zu den Gelenken 23 ein Stirnradgetriebe 32, 33 angeordnet, um den Roboterarm 15 über zwei Antriebsmotoren 31 um eine nicht weitere referenzierte Höhenachse zu drehen.
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Die Funktionsweise der Antriebe 26 wird nachstehend anhand der 4 näher beschrieben, in der ein Schnitt durch das Gelenk 23 zwischen dem ersten Kettenglied 20 und dem zweiten Kettenglied 21 in einem Ausschnitt dargestellt ist. Alle nachstehend getroffenen Aussagen treffen auf alle Achslager 25 und alle Antriebe 26 zu.
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Das in 4 gezeigte Achslager 25 besitzt ein Achselement 34, welches durch das Gabelkopfgegenstück 30 getrieben ist. Es ist in der 4 als mit dem Gabelkopfgegenstück 30 verpresst dargestellt. Es kann allerdings auch mit dem Gabelkopfgegenstück 30 einstückig ausgebildet oder am Gabelkopfgegenstück 30 über Drehlager drehend gelagert sein.
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Am Gabelkopf 29 ist das Achslagerelement 34 über Wälzlager 35 gelagert, die auf beiden axialen Seiten des Gabelkopfgegenstücks 30 angeordnet sind. Die Wälzlager 35 sind bevorzugt als Kegelrollenlager in O-Anordnung ausgebildet, um den Gabelkopf 29 gegen das Gabelkopfgegenstück 30 axial zu verspannen. Zur axialen Sicherung des Achselementes 34 am Gabelkopf 29 sind auf die axialen Enden des Achselementes 34 Sicherungselemente 37 aufgesetzt.
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Das in der 4 dargestellte Achselement 34 dient im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern als reine Achse, welche eine Trag- und Lagerfunktion der beiden in 4 abgebildeten Kettenglieder 20, 21 gegeneinander erfüllt. Es werden keine Schwenkmomente über das Achslagerelement 34 an eine der beiden Kettenglieder 20, 21 übertragen, die notwendig sind, um die Kettenglieder 20, 21 gegeneinander zu verdrehen.
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Zum Verschwenken der Kettenglieder 20, 21 legt der Antriebsmotor 31 über das Antriebsritzel 32 an das Abtriebszahnring 33 ein Schwenkmoment 38 mit einem Kraftarm 39 an. Durch die Anordnung des in 4 zu sehenden Antriebsritzels 32 und des dazu gehörigen Abtriebszahnrings 33 ist der Kraftarm 39 größer, als ein Lagerradius 40 des Achslagers 25. Der Lagerradius 40 gibt dabei den radialen Abstand eines Umfangsbereiches um die Rotationsachse 24 von dieser an, in der sich die zum Gabelkopf 29 ruhenden Teile des Achslagers 25 gegenüber dem Gabelkopfgegenstück 30 ruhenden Teile des Achslagers 25 drehen. In einem Gleitlager wäre dieser Umfangsbereich abgesehen von einer toleranzbedingt stets vorhandenen Lagerluft eine Fläche, während in einem Wälzlager der Umfangsbereich ein radialer Raum wäre, in dem die Wälzelemente angeordnet sind.
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Aufgrund des vergleichsweise großen Kraftarmes 39 ist ein geringerer Kraftaufwand durch das Antriebsritzel 32 notwendig, um den Abtriebszahring 33 zu bewegen. Auf diese Weise werden die beiden Getriebepartner 32, 33 weniger mechanisch belastet, wodurch die Steifigkeit des Roboterarmes 15 des spanabhebenden Werkzeuges 19 deutlich gesteigert wird. Gute Ergebnisse, mit denen ein optimaler Ausgleich zwischen Bauraumbedarf und hoher Steifigkeit gewährleistet ist, konnten erreicht werden, wenn der Kraftarm 39 ungefähr 3,5 mal größer gewählt ist, als der Lagerradius 40.
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Um gesehen von der Rotationsachse 24 aus ein Verkippen der Kettenglieder 20, 21 gegeneinander zu vermeiden, ist das Schwenkmoment 38 axial beidseitig an die Abtriebszahnringe 33 des Gabelkopf 29 angelegt. Allerdings können die beiden axial voneinander beabstandeten Schwenkmomente 38 mit einem Versatzwinkel 41 an die Abtriebszahnringe 33 des Gabelkopf 29 angelegt werden, um das zuvor genannte Verkippen zu einem bestimmten Grad herbeizuführen und ein Spiel zwischen den beiden Kettengliedern 20, 21 im Falle einer Lastmomentenumkehr zu vermeiden.
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Eine grundsätzliche alternative Ausführung wäre es, einen einzigen Abtriebszahnring 33 auf einer der beiden axialen Seiten anzuordnen und an diesen zwei Antriebsritzel 32 an zwei verschiedenen Umfangspositionen angreifen zu lassen. Werden die Antriebszahnritzel 32 zum Antrieb des Abtriebszahnringes 33 ohne Versatzwinkel 41 betrieben, entsteht dass zuvor genannte Verkippen aufgrund der unsymmetrischen Anordnung der Getriebepartner 32, 33 bezogen auf einen Mittelpunkt der Welle 34. Allerdings hat das Verkippen hierbei keinen Einfluss, es ließen sich wirtschaftliche Vorteile herbeiführen, weil beispielsweise auf ein Abtriebszahnring 33 verzichtet werden kann. Soll in dieser alternativen Ausführung das oben genannte Spiel bei der Lastmomentenumkehr vermieden werden, müssten die beiden Antriebsritzel 32 ebenfalls mit dem Versatzwinkel 41 betrieben werden.
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Auf eines der axialen Enden der Achselementes 34 ist ein Drehwinkelgeber 42 aufgesetzt, so dass sich die Winkellage der beiden Kettenglieder 20, 21 zueinander erfassen und über eine geeignete Ansteuerung der Antriebsmotoren 31 basierend auf der erfassten Winkellage gemäß einem Sollwert lageregeln lässt. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass das Achselement 34 an einem der beiden Kettenglieder 20, 21 ortfest befestigt ist. Der Drehwinkelgeber 42 ist daher unmittelbar auf das Achselement 34 aufgesetzt, wodurch Messfehler minimiert werden und die Güte des Lageregelkreises maximiert wird.
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In 4 sind ferner ab den axialen Außenseiten des Gabelkopfes 29 Labyrintnuten 43 zu sehen, mit denen sich beim Aufsetzen der oben erwähnten Abdeckungen 28 Labyrinthspalte bilden lassen, um eindringenden Schmutz fernzuhalten.
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In 5a und 5b sind der zuvor beschriebenen Ausführung (5a) eine alternative Ausführung (5b) gegenübergestellt, denn der hinter der zuvor beschriebenen Ausführung stehende Gedanke, die Kettenglieder 20 bis 22 des Roboterarms 15 mit einem möglichst großen Kraftarm 39 gegeneinander zu bewegen, lässt sich auch mit einem koaxial in der Rotationsachse 24 wirkenden Antriebsmotor erreichen, wenn dieser ein Antriebsmoment mit einem ausreichend großen Kraftarm ausgibt. Derartige Voraussetzungen erfüllen beispielsweise Torquemotoren, die in 5b zur Abgrenzung gegen den beliebig verwendbaren Antriebsmotor 31 der vorangegangenen Ausführung mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet sind. Bei der Verwendung der Torquemotoren 44 dienen die Achselemente 34 in den Gelenken23 dann allerdings als Wellen und nicht als Achsen.
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Selbstverständlich lassen sich die Torquemotoren 44 jedoch auch als die oben beschriebenen Antriebsmotoren 31 in Kombination mit den Getrieben 32, 33 verwenden.
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In 6 ist eine alternative Ausführung zur Anlegung zweier um dem Versatzwinkel 41 verdrehten Antriebsmomente 38 an die Achselemente 34 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Antriebsmomente 38 durch entsprechende, sich axial gegenüberliegende Antriebsmotoren 31 unmittelbar und ohne weiteren Hebelarm in das Achselement 34 eingetragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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