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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein elastisches Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet. Das elastische Übertragungselement weist mindestens einen Dehnungsmesssensor, beispielsweise in Form eines Dehnungsmessstreifens zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes auf. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe.
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In dem Artikel von Hashimoto, M. et al.: „A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives“ in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben. Zur Messung dienen Dehnungsmessstreifen, welche auf einem elastischen Übertragungselement des Spannungswellengetriebes angeordnet sind.
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Der Artikel von Taghirad, Hamid D. et al.: „Intelligent built-in torque sensor for harmonic drive systems“ in Proceedings of IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Sensing, Processing, Networking, Mai 1997, und die Dissertation von Taghirad, Hamid D.: „Robust torque control of harmonic drive systems“, Department of Electrical Engineering. McGill University, Montreal, 1997, zeigen einen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe. Es wird ein Kalman-Filter angewendet, um hochfrequente Messsignalanteile zu eliminieren.
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Die
DE 10 2004 041 394 A1 zeigt eine Wellengetriebevorrichtung mit einem Drehmomentdetektionsmechanismus, welcher auf einem flexiblen Außenzahnrad mehrere Dehnungsmesser mit Widerstandsdrahtbereichen umfasst, die über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen sind.
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Die
JP 2000320622 A zeigt ein Wellengetriebe mit einem Drehmomentsensormechanismus, welcher an einem flexiblen Außenzahnrad einen Dehnungsmessstreifen umfasst, der über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen ist.
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Die
US 2004/0079174 A1 lehrt eine Drehmomentdetektionsvorrichtung für ein Wellengetriebe mit einer Dehnungsmesseinheit, welche ein Dehnungsmesseinrichtungsmuster aufweist. Das Dehnungsmesseinrichtungsmuster umfasst kreisbogenförmige Detektionssegmente A und B sowie drei Anschlussbereiche für eine externe Verdrahtung, von denen der eine zwischen den Detektionssegmenten ausgebildet ist und die anderen an den entgegengesetzten Enden derselben ausgebildet sind.
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Die
JP 2016-045055 A zeigt die Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke mit einem Dehnungsmesstreifen auf einer rotierenden Welle eines Wellgetriebes.
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Aus der
US 6,840,118 B2 ist ein Drehmoment-Messverfahren zum Messen eines in einer Wellengetriebevorrichtung übertragenen Drehmomentes bekannt. In der Wellengetriebevorrichtung steht ein flexibles, kreisförmiges Außenverzahnungsrad teilweise im Eingriff mit einem starren Innenverzahnungsrad. Auf der Oberfläche des flexiblen Außenverzahnungsrades sind mehrere Sätze von Dehnungsfühlern befestigt.
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Die
CN 105698992 A betrifft ein hochgenaues Wellgetriebe mit einem eingebauten Drehmomentsensor. Der Drehmomentsensor umfasst u. a. eine Wheatstonesche Halbbrücke.
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Die
RU 2 615 719 C1 lehrt ein Wellgetriebe, welches zur Messung eines Drehmomentes ausgebildet ist.
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Die
WO 2010/142318 A1 zeigt ein Gerät zur Messung eines Drehmomentes in einem Wellgetriebe. Das Gerät umfasst mindestens einen Sensor zur Messung von Kräften zwischen einem Außenring mit Innenverzahnung und einem Gehäuse.
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In der
JP 6320885 B2 ist ein Drehmomentdetektionselement beschrieben, welches mehrere Dehnungsmessstreifen umfasst, die eine Wheatstonsche Brücke bilden. Die Dehnungsmessstreifen sind in Form eines musterartigen metallischen Filmes auf einer Oberfläche einer flexiblen folienartigen Isolierung angeordnet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Messung einer mechanischen Beanspruchung, insbesondere einer durch ein Drehmoment erzeugten Scherdehnung in einem Spannungswellengetriebe, genauer und sicherer vornehmen zu können. Dabei soll die möglichst bauraum-neutral umgesetzt werden.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein elastisches Übertragungselement gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Spannungswellengetriebe gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9.
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Kerngedanke der Erfindung ist dabei, das elastische Übertragungselement als Sensorelement für die Drehmomentmessung zu verwenden und diese dadurch möglichst bauraum-neutral umzusetzen. Dabei werden ein oder mehrere Dehnungssensoren, beispielsweise in Form von Dehnmessstreifen eingesetzt, um die Scherdehnungen zu erfassen, die durch das Drehmoment erzeugt werden. Die Dehnungssensoren können als Einzel-Elemente ausgewertet werden, beispielsweise im Sinne einer Viertelbrücke, oder als Sensorpaar im Sinne einer Halbbrücke oder vier oder mehr Einzel-Elemente im Sinne einer Vollbrücke.
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Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement kann eine drehmomentübertragende Komponente eines Spannungswellengetriebes bilden. Ein solches Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonic Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Das elastische Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet. Das elastische Übertragungselement ist dabei bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmomentes ausgebildet.
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Das elastische Übertragungselement weist dabei vorzugsweise eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die bevorzugt zwei beträgt.
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Auf dem elastischen Übertragungselement ist mindestens ein Dehnungsmess-Sensor angeordnet, der zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes dient. Der mindestens eine Dehnungsmess-Sensor wird bevorzugt durch einen Dehnungsmessstreifen gebildet und dient bevorzugt zur Messung einer Scherdehnung, die durch das Drehmoment erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Dehnungsmesssensor sowie alle weiteren Dehnungsmesssensoren an dem zylinderförmigen Teil und/oder an dem Flanschbereich des elastischen Übertragungselements angebracht.
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Die erfindungsgemäßen Dehnungsmesssensoren können an dem elastischen Übertragungselement innenliegend oder außenliegend angebracht sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der mindestens eine Dehnungssensor über mindestens einen Teil einer zur Achse des elastischen Übertragungselements konzentrisch verlaufenden Kreislinie
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Die Dehnungssensoren können so gestaltet sein, dass sie nur einen Teil des Umfangs des elastischen Übertragungselements abdecken. Dabei kann ein Dehnungssensor über 90° der Kreislinie integriert sein. Die Dehnungssensoren können auch so ausgeführt sein, dass sie 180° oder 360° des Umfangs oder jeden anderen Winkelbereich des elastischen Übertragungselements abdecken.
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Ebenso können diese Ausführungen kombiniert werden oder Mehrfach-Anordnungen der drei zuvor genannten Varianten gewählt werden. Die Sensoren können z.B. auf mehreren konzentrisch angeordneten Kreislinien liegen, oder zwei 45° abdeckende Sensoren und zwei 90° abdeckende Sensoren können auf derselben Kreislinie liegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal jedes der Dehnungssensoren einzeln als eine Sensor-Einheit ausgewertet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Signale der Dehnungssensoren paarweise als eine Sensor-Einheit ausgewertet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Signale der Dehnungssensoren in Gruppen von vier oder mehr als jeweils eine Sensor-Einheit ausgewertet.
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Derartige Sensor-Einheiten können dergestalt angeordnet werden, dass drei Sensor-Einheiten um 120° versetzt um einen Mittelpunkt auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet sind. Damit lässt sich die Position des Wellgenerators und das wirkende Drehmoment mittels der trigonometrischen Additionstheoreme rekonstruieren.
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Alternativ können derartige Sensor-Einheiten dergestalt angeordnet werden, dass vier Sensor-Einheiten um einen Mittelpunkt auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet sind. Damit lässt sich die Position des Wellgenerators und das wirkende Drehmoment mittels der trigonometrischen Additionstheoreme rekonstruieren, und es ist redundante Information verfügbar.
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Zwei oder mehr Dehnungssensoren, die im Sinne einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet werden, können auf Kreislinien mit unterschiedlichen Radien bezogen auf die Achse des elastischen Übertragungselements angebracht werden.
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Zwei oder mehr Dehnungssensoren, die im Sinne einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet werden, können auf Kreislinien mit gleichen Radien bezogen auf die Achse des elastischen Übertragungselements angebracht werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes ist der mindestens eine Dehnungsmessstreifen über elektrische Verbindungen mit einer Messsignalverarbeitungseinheit des Drehmomentsensors verbunden. Die Messsignalverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt Messsignalverstärker, Messsignaladditionseinheiten, Messsignalinverter, analoge Filter, digitale Filter, AD-Wandler, einen Mikroprozessor und Datenspeicher.
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Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist bevorzugt einen büchsenförmigen Abschnitt in Form einer Hülse auf, auf welchem die Außenverzahnung ausgebildet ist. Der büchsenförmige Abschnitt besteht aus einem Metall, welches die metallische Oberfläche des elastischen Übertragungselementes bildet. Auf dem büchsenförmigen Abschnitt und/oder auf dem flanschförmigen Abschnitt ist bevorzugt der mindestens eine Dehnungssensor angeordnet. Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist bevorzugt die Form eines Napfes auf, welche auch als Cup-Form bezeichnet wird.
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Das elastische Übertragungselement umfasst bevorzugt weiterhin einen sich in axialer Richtung an den büchsenförmigen Abschnitt anschließenden kreisring- bzw. scheibenförmigen Abschnitt. Der kreisringförmige Abschnitt weist bevorzugt die Form eines Kragens oder eines Flansches auf. Entsprechend weist das elastische Übertragungselement die Form einer Kragenhülse auf. Der kreisringförmige Abschnitt dient dazu, eine Welle an das Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Welle zu übertragen. Der büchsenförmige Abschnitt und der kreisring- bzw. scheibenförmige Abschnitt weisen eine gemeinsame Achse auf.
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Das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement weist bevorzugt die Form eines Zylinderhutes auf, welche auch als Silk-Hat-Form bezeichnet wird. Diese Ausführungsform ist geeignet, eine größere Hohlwelle an das Übertragungselement zu koppeln, um ein Drehmoment auf die Hohlwelle zu übertragen. Die Hohlwelle bildet bevorzugt eine Komponente eines Roboters.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes bilden mehreren Dehnungsmessstreifen eine Wheatstonesche Brücke.
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Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe weist einen Wellengenerator auf, welcher eine nicht-kreisförmige Scheibe und bevorzugt einen verformbarem Laufring umfasst. Die nicht-kreisförmige Scheibe weist einen nicht-kreisförmigen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe weist bevorzugt einen elliptischen, ovalen oder Resal-kurvenförmigen Querschnitt auf. Die nicht-kreisförmige Scheibe besteht bevorzugt aus einem Stahl und bildet bevorzugt einen Antrieb des Spannungswellengetriebes. Das Spannungswellengetriebe umfasst weiterhin einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung. Der Außenring ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet und wird auch als Circular Spline bezeichnet. Das Spannungswellengetriebe umfasst zudem das erfindungsgemäße elastische Übertragungselement. Zwischen der nicht-kreisförmigen Scheibe und dem elastischen Übertragungselement befinden sich bevorzugt Wälzkörper eines Wellgeneratorlagers.
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Das Spannungswellengetriebe umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elastischen Übertragungselementes. Im Übrigen weist das Spannungswellengetriebe bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Übertragungselement beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004041394 A1 [0004]
- JP 2000320622 A [0005]
- US 2004/0079174 A1 [0006]
- JP 2016045055 A [0007]
- US 6840118 B2 [0008]
- CN 105698992 A [0009]
- RU 2615719 C1 [0010]
- WO 2010/142318 A1 [0011]
- JP 6320885 B2 [0012]