DE102022130859A1

DE102022130859A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems zur Vermeidung von Eingriffsstörungen in Spannungswellengetrieben

Info

Publication number: DE102022130859A1
Application number: DE102022130859.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Damerau; Daisuke KIRIHARA
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024109985A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem eine elektrische Maschine und ein Spannungswellengetriebe umfasst, das einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten Wellengenerator, einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung aufweist, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenringes steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- Messen eines auf den Übertragungsring ausgeübten Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors,
- Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmoments und Speichern eines bei der Eingriffsstörung aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts,
- Ermitteln eines Drehmoment-Schwellenwerts, der kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert ist und
- Ansteuern der elektrischen Maschine derart, dass das auf den Übertragungsring ausgeübte Drehmoment geringer ist als der Drehmoment-Schwellenwert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem eine elektrische Maschine und ein Spannungswellengetriebe umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einem Spannungswellengetriebe.
Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und sind daher insbesondere für Anwendungen geeignet, für die präzise Bewegungen und ein geringer Raumbedarf erforderlich sind. Da sich aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses mit relativ kleinen Motoren hohe Drehmomente erzeugen lassen, können durch Spannungswellengetriebe sehr kompakte Antriebsmechanismen realisiert werden, die beispielsweise in der Robotik zum Einsatz kommen.
Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten Übertragungsring („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.
Wirkt im Betrieb ein übermäßig starkes Drehmoment, beispielsweise wenn das Getriebe gegen einen hohen Widerstand arbeitet, so kann der Eingriff zwischen Übertragungsring und Außenring zumindest teilweise verloren gehen, so dass die Zähne des Übertragungsrings die Zähne des Außenrings überspringen („ratcheting“). Während die Drehung des Übertragungsrings und die des Außenrings im Normalbetrieb strikt gekoppelt sind, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung vorübergehend zu einer unkontrollierten Relativdrehung zwischen den beiden Ringen. Dadurch entsteht auf der Abtriebsseite ein unbekannter Winkelversatz (Offset) gegenüber der Antriebsseite, der eine genaue Kontrolle der Winkelposition unmöglich macht. Da sich am Zustand des Getriebes nicht erkennen lässt, ob eine solche Eingriffsstörung stattgefunden hat, wird zudem die Suche nach der Ursache des danach auftretenden Fehlverhaltens erschwert.
Aus der JP 2021014876 A ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren bekannt, bei der das auf der Abtriebsseite eines Spannungswellengetriebes wirkende Drehmoment gemessen und mit zwei Schwellenwerten verglichen wird. Eine Überschreitung des ersten Schwellenwerts dient als Indiz für eine Eingriffsstörung, während eine Überschreitung des zweiten Schwellenwerts ein mögliches Knicken („buckling“) des Übertragungsrings anzeigt. Nachteilig an diesem Verfahren ist zum einen, dass das kritische Drehmoment („ratcheting torque“), bei dem mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Eingriffsstörung auftritt, von Getriebe zu Getriebe variiert. Zum anderen lässt sich mit einem solchen einfachen Schwellenwertverfahren nicht zuverlässig ermitteln, ob tatsächlich eine Eingriffsstörung stattgefunden hat oder ob das zeitweise aufgetretene hohe Drehmoment störungsfrei abgebaut wurde. Weiter können diese Eingriffsstörungen zu Schädigungen im Spannungswellengetriebe führen, wobei mit fortschreitender Betriebsdauer Eingriffsstörungen ein selbstverstärkendes Phänomen darstellen. Lokal erhöhter Verschleiß an den Verzahnungen des Spannungswellengetriebes und hohe ausgangsseitig geforderte Drehmomente in wiederholenden Arbeitszyklen führen zu einem erhöhten Potenzial an lokalen Eingriffsstörungen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und ein System zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Eingriffsstörungen reduzieren lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem eine elektrische Maschine und ein Spannungswellengetriebe umfasst, das einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten Wellengenerator, einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung aufweist, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenringes steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

- Messen eines auf den Übertragungsring ausgeübten Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors,
- Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmoments und Speichern eines bei der Eingriffsstörung aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts,
- Ermitteln eines Drehmoment-Schwellenwerts, der kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert ist und
- Ansteuern der elektrischen Maschine derart, dass das auf den Übertragungsring ausgeübte Drehmoment geringer ist als der Drehmoment-Schwellenwert.

Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einem Spannungswellengetriebe, das einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten Wellengenerator, einen starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Antriebssystem dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen:

Sofern eine Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmoments detektiert wurde, wird der bei der Eingriffsstörung aufgetretene, kritische Drehmomentwert gespeichert. Dieser Drehmomentwert kann einem Ratschendrehmoment entsprechen.
Erfindungsgemäß wird nach der Detektion einer Eingriffsstörung und des Speicherns des kritischen Drehmomentwertes ein Drehmoment-Schwellenwert ermittelt, welcher kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert ist. Folgend wird die elektrische Maschine derart angesteuert, dass das auf den Übertragungsring ausgeübte Drehmoment geringer oder gleich dem Niveau des vorher ermittelten Drehmoment-Schwellenwerts ist. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Auftrittswahrscheinlichkeit weiterer Eingriffsstörungen deutlich zu reduzieren. In einem besonders bevorzugten Fall kann eine weitere Eingriffsstörung durch das erfindungsgemäße Verfahren und Antriebssystem komplett vermieden werden.
Der Wellengenerator des Spannungswellengetriebes wird insbesondere durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene Scheibe mit einer ovalen, beispielsweise elliptischen Form gebildet. Die Scheibe weist vorzugsweise ein auf ihrem Umfang aufgeschrumpftes Wälzlager mit einem dünnen, elastisch verformbaren Laufring und mehreren Wälzkörpern auf. Der Übertragungsring kann beispielsweise topfförmig („cup“) oder zylinderhutförmig („silk-hat“) ausgebildet sein, d.h. der Übertragungsring wird insbesondere durch eine zylindrische Wand einer topförmigen oder zylinderhutförmigen Buchse gebildet, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein kann. Hierbei handelt es sich um gängige Gestaltungsmöglichkeiten für den Übertragungsring, mit denen sich eine Vorspannung des Übertragungsrings gegenüber dem Wellengenerator erzielen lässt. Insbesondere kann das gemessene Drehmoment ber eine Auswerteeinheit analysiert und ausgewertet werden, welche eine zeitliche Änderung des Drehmoments bestimmt und mit einem Abnahmeschwellenwert vergleicht. Beispielsweise kann, insbesondere durch eine Differenzbildung oder eine numerische Ableitung der Drehmomentmesswerte, eine zeitlichen Änderungsrate ermittelt und mit dem Abnahmeschwellenwert verglichen werden. Denkbar ist auch, dass bei dem Vergleich überprüft wird, ob sich das gemessene Drehmoment innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne mindestens um einen vorgegebenen Betrag verringert. Der Abnahmeschwellenwert kann insbesondere ein relativer Abnahmeschwellenwert sein, d.h. bei dem Vergleich wird überprüft, ob das gemessene Drehmoment mindestens um einen vorgegebenen prozentualen Anteil abgefallen ist. Bei einer Überschreitung des Abnahmeschwellenwerts wird ein Warnsignal ausgelöst, das insbesondere an eine externe Datenverarbeitungseinheit, wie beispielsweise eine Kontroll- und Steuerungseinheit des Spannungswellengetriebes, übertragen werden kann.
Die Detektion der Eingriffsstörung kann auf einem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments am verformbaren Übertragungsring basieren. Dieser gibt das dynamische Verhalten der Drehmomentübertragung vor und während der Eingriffsstörung wieder. Typischerweise baut sich im Vorfeld der Eingriffsstörung zunächst ein übermäßig hohes Drehmoment auf, das schließlich dazu führt, dass die Zähne des Übertragungsrings den Eingriff mit dem Außenring verlieren und dessen Zähne überspringen. Dabei wird das aufgestaute Drehmoment innerhalb kurzer Zeit stark reduziert. Diese Abnahme des Drehmoments, kann als charakteristische Signatur einer Eingriffsstörung dienen und das zuverlässige Detektieren der Eingriffsstörung ermöglichen.
Ferner kann bei der Detektion das gemessene Drehmoment mit mindestens einem Schwellenwert verglichen werden, wobei die zeitliche Abnahme des gemessenen Drehmoments nur dann bestimmt und mit dem Abnahmeschwellenwert verglichen wird, wenn eine Überschreitung des Schwellenwerts erfasst wird. Der Schwellenwert dient dazu, die während des normalen Betriebs auftretenden Belastungsspitzen von übermäßig hohen Drehmomenten unterscheiden zu können, die eine Eingriffsstörung anzeigen bzw. ankündigen. So muss das Getriebe beispielsweise jeweils während des Start- bzw. Stoppvorgangs die Massenträgheit der an die Ausgangs- bzw. Abtriebsseite gekoppelte Last überwinden, was sich in einem kurzzeitig erhöhten Drehmoment äußert (Start/Stopp-Drehmoment). Tritt eine Behinderung auf der Abtriebsseite auf, beispielsweise wenn ein durch das Getriebe aktuierter Roboterarm an ein Hindernis anstößt, so arbeitet das Getriebe kurzzeitig gegen einen hohen Widerstand an (Anstoßdrehmoment, „impact torque“) bevor der Anstoß registriert wird. Bei sehr hohen Drehmomenten wird schließlich die mechanische Belastbarkeit des Übertragungsrings überschritten, so dass dieser knickt (Knickdrehmoment, Drillknickmoment, Biegedrillknickmoment, „buckling torque“). Zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment liegt das Ratschendrehmoment („ratcheting torque“), bei dem typischerweise Eingriffsstörungen ausgelöst werden. Der in dem Verfahren verwendete Schwellenwert kann beispielsweise dem Anstoßdrehmoment oder dem Ratschendrehmoment entsprechen. Vorzugsweise liegt der Schwellenwert zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment oder zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Ratschendrehmoment.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Speichern des bei der Eingriffsstörung aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts, beispielsweise des Ratschendrehmoments, in einer internen Speichereinheit im oder am Spannungswellengetriebe erfolgen, wobei diese in der Auswerteeinheit der eingangsseitigen elektrischen Maschine angeordnet sein kann. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der kritische Drehmomentwert, insbesondere das kritische Ratschendrehmoment, über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung an eine ausgelagerte Speichereinheit übersendet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ermitteln des Drehmoment-Schwellenwerts anhand des detektierten kritischen Drehmoments erfolgt. Das detektierte kritische Drehmoment wird bevorzugt bei der Ermittlung des Drehmoment-Schwellenwertes mit einbezogen. So ist es denkbar, dass ein Sicherheitsfaktor in einer Auswerteeinheit hinterlegt ist, wobei dieser einen Zusammenhang zwischen dem detektierten kritischen Drehmoment und dem zu ermittelnden Drehmoment-Schwellenwert definiert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Drehmoment-Schwellenwert als ein vorgegebener prozentualer Anteil des detektierten kritischen Drehmomentes ermittelt wird. Um die Effizienz und Effektivität des Spannungswellengetriebes zu wahren, sollte der prozentuale Anteil nicht zu niedrig gewählt werden, da das Spannungswellengetriebe in sonst nur einen Bruchteil des geforderten Drehmomentes liefern kann. Beispielsweise kann der prozentuale Anteil zwischen 80% und 95% gewählt werden. Der Sicherheitsfaktor bzw. der prozentuale Anteil kann während des Betriebs von der Auswerteeinheit angepasst werden oder ein fester, empirisch festgelegter Wert sein. Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform mit einem variablen Sicherheitsfaktor bzw. prozentualem Anteil, da dieser beispielsweise mit fortschreitender Lebensdauer konservativer eingeschätzt werden kann. Mit progressiver Lebensdauer und ansteigendem Verschleiß steigt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Eingriffsstörung. Somit kann der Sicherheitsfaktor bzw. der prozentuale Anteil in einem Spannungswellengetriebe mit einer hohen Betriebsdauer geringer gewählt werden, um ein erneutes Auftreten einer Eingriffsstörung zu vermeiden. Bei einem Spannungswellengetriebe mit nur wenigen Betriebsstunden kann der Sicherheitsfaktor bzw. der prozentuale Anteil größer gewählt werden, da eine Eingriffsstörung unwahrscheinlicher ist. Alternativ kann in der Auswerteinheit ein Sicherheitsabstand hinterlegt sein, beispielsweise ein Absolutwert, der den Drehmoment-Schwellenwert als Differenz des detektierten kritischen Drehmoments und des Absolutwerts definiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass anhand des gemessenen Drehmoments weitere Eingriffsstörungen detektiert werden, und die bei diesen Eingriffsstörungen auftretenden, weiteren kritischen Drehmomentwerte gespeichert werden, wobei der Drehmoment-Schwellenwert zusätzlich anhand der gespeicherten weiteren, kritischen Drehmomentwerte ermittelt wird. Eine Eingriffsstörung beschreibt in diesem Kontext ein „Durchrutschen“ der Zähne des Übertragungsrings gegenüber den Zähnen des Außenrings. Hierbei können bei einer Eingriffsstörung ein oder mehrere Zähne übersprungen werden, wobei die Zähne nebeneinander angeordnet sein müssen. Der Drehmoment-Schwellenwert wird dann anhand mehrerer, insbesondere sämtlicher, gespeicherter, kritischer Drehmomentwerte ermittelt. Auf diese Weise kann der Drehmoment-Schwellenwert beispielsweise weiter abgesenkt werden, sofern eine weitere Eingriffsstörung bei einem kritischen Drehmoment auftritt, welches unterhalb des aktuell verwendeten Drehmoment-Schwellenwerts liegt. Beispielsweise kann anhand der mehreren kritischen Drehmomentwerte ein geringster kritischer Drehmomentwert ermittelt werden und dieser dann zur Ermittlung des Drehmoment-Schwellenwerts herangezogen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer initialen Inbetriebnahme des Antriebssystems oder im Rahmen der Herstellung des Antriebssystems ein initialer, kritischer Drehmomentwert ermittelt und gespeichert wird und der Drehmoment-Schwellenwert zusätzlich anhand des initialen, kritischen Drehmomentwerts ermittelt wird. Da bereits einmalig auftretende Eingriffsstörungen einen erhöhten Verschleiß erzeugen können, ist es mehr als wünschenswert, Eingriffsstörungen möglichst lange zu vermeiden. Ein bereits vor dem ersten Betrieb voreingestellter Drehmoment-Schwellenwert ermöglicht es, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Eingriffsstörung, insbesondere in den ersten Betriebsstunden, zu reduzieren. So kann anhand von experimentell ermittelten Daten im Rahmen der Herstellung, aus Erfahrungswerten oder aus ermittelten Daten während einer ersten Inbetriebnahme des Antriebssystems ein Drehmoment-Schwellenwert ermittelt bzw. eingestellt werden. Insbesondere während einer experimentellen Versuchsreihe können erste kritische Drehmomentwerte bestimmt werden, welche als Basis für den ersten Drehmoment-Schwellenwert dient.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Detektieren der Eingriffsstörung zusätzlich ein Drehmomentverlauf und/oder ein Belastungsverlauf gespeichert wird und der Drehmoment-Schwellenwert zusätzlich anhand des gespeicherten Drehmomentverlaufs bzw. Belastungsverlaufs ermittelt wird. Das Speichern des Drehmoment- bzw. Belastungsverlaufs ermöglicht es, zu erkennen, ob Drehmoment- und/oder Belastungsmaxima wiederholt auftreten, insbesondere wiederholt dann auftreten, wenn bestimmte Bereiche, insbesondere Zähne, der Innenverzahnung und/oder Außenverzahnung in Eingriff miteinander stehen. So kann die Abnutzung dieser bestimmten Bereiche, insbesondere Zähne, frühzeitig erkannt werden. Bei erkannter Abnutzung in einem bestimmten Bereich, kann der Drehmoment-Schwellenwert derart gewählt werden, dass eine weitere Abnutzung in diesem Bereich minimiert wird, bzw. die Gefahr des Auftretens einer Eingriffsstörungen in diesem Bereich reduziert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Antriebssystem einen Positionssensor auf, wobei die Position des Wellengenerators beim Auftreten einer Eingriffsstörung gespeichert wird. Mittels des Positionssensors kann der Eingriffsstörung ein Bereich, insbesondere ein Zahn, des Übertragungsrings zugeordnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Ansteuern der elektrischen Maschine mindestens ein Regelparameter in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehmoment-Schwellenwert eingestellt wird, beispielsweise ein Regelparameter, der das Beschleunigungsverhalten und/oder das Abbremsverhalten der elektrischen Maschine beeinflusst. Alternativ kann der Regelparamater die Zykluszeit für einen Arbeitszyklus beeinflussen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine zusätzlich derart angesteuert wird, dass die elektrische Maschine bei einem Überschreiten eines Überlast-Drehmoment-Schwellenwerts, der größer ist als der ermittelte Drehmoment-Schwellenwert und/oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Überlast-Drehmomentanstiegs in einen Freilaufzustand versetzt wird. Der Freilaufzustand beschreibt einen Zustand in welchem die elektrische Maschine kein eingangsseitiges Drehmoment bereitstellt. Die elektrische Maschine kann dabei ausgeschaltet werden werden, so dass die elektrische Maschine als Dämpfer wirkt. Der Freilaufzustand ist nicht nur für den Schutz des Spannungswellengetriebes sondern auch für den Personenschutz bei solchen Anwendungen relevant, bei denen das Antriebssystem Verwendung in einem Roboterarm eines kollaborativen Roboters findet. Solche kollaborativen Roboter arbeiten beispielsweise eng mit einer Person zusammen, wobei diese durch das Versetzen der elektrischen Maschine in den Freilaufzustand bei einem Zusammenstoß mit dem Roboter geschützt werden kann.
Bei dem Spannungswellengetriebe ist bevorzugt der Übertragungsring feststehend angeordnet. Dabei kann der Wellengenerator den Eingang des Spannungswellengetriebes und der starre Außenring den Ausgang des Wellengetriebes bilden. Sowohl Wellengenerator als auch Außenring sind bevorzugt drehbar gelagert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer schematischen Darstellung;
2 eine schematische Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes, sowie einen im Betriebsfall intakten Zahneingriff;
3 eine schematische Eingriffsstörung, sowie eine Verformung eines Übertragungsringes zur Messung eines Drehmoments;
4 eine Schnittansicht eines Antriebssystems ;
5 eine Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes;
6 einen erster Drehmomentverlauf mit einer Eingriffsstörung anhand der ein Drehmoment-Schwellenwert ermittelt wird und ein weiterer Drehmomentverlauf unter Berücksichtigung des ermittelten Drehmoment-Schwellenwerts;
7 einen zweiter Drehmomentverlauf mit einer Eingriffsstörung anhand der ein Drehmoment-Schwellenwert ermittelt wird und ein weiterer Drehmomentverlauf unter Berücksichtigung des ermittelten Drehmoment-Schwellenwertes;
8 einen Lastzyklus eines Antriebssystems;
9 einen Ausschnitt des Lastzyklus' aus 8;
10 einen Regelkreis für das Antriebssystem und
11 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Antriebsystems.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Industrieroboter 200 ausgebildeten Roboters mit mehreren Armsegmenten 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 drehbar verbunden sind. Auch wenn der hier dargestellte Industrieroboter 200 drei Armsegmente 201 und drei Antriebsmodule 100 aufweist, sind Ausgestaltungen des Industrieroboters 200 mit einer abweichenden Anzahl an Armsegmenten 201 und Antriebsmodulen 100 denkbar, beispielsweise jeweils vier, fünf, sechs oder sieben. Ferner kann ein Antriebsmodul 100 für jegliche Robotergelenke verwendet werden. Solche Industrieroboter 200 finden oftmals Verwendung als kollaborative Roboter, welche in enger Zusammenarbeit mit Menschen arbeiten.
In der 2 ist ein typischer Aufbau eines Spannungswellengetriebes 10 schematisch dargestellt. Die Hauptkomponenten des Spannungswellengetriebes 10 sind ein Wellengenerator 13, ein starrer Außenring 11 („circular spline“) mit Innenverzahnung 1 und ein dazwischen angeordneter flexibler Übertragungsring 12 („flexspline“) mit Außenverzahnung 2. Der Wellengenerator 13 wird durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 (nicht dargestellt) angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen. Der flexible Übertragungsring 12 wird durch den Wellengenerator 13 mit dem Außenring 11 in Eingriff gebracht, wobei jeder individuelle Zahn des Übertragungsrings 12 während einer 180°-Drehung des Wellengenerators 13 aus einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Außenrings 11 herausbewegt wird und in die jeweils nachfolgende Lücke wandert (angedeutet durch den Pfeil 3 im Ausschnitt 4). Auf diese Weise rotiert der Übertragungsring 12 relativ zum Außenring 11 in die, der Drehung des Wellengenerators 13 entgegengesetzte Richtung, wobei ein Drehmoment zwischen den beiden Ringen 11 und 12 übertragen wird. Der Abtrieb des Spannungswellengetriebes 10 kann dabei entweder über den Übertragungsring 12 (bei festem Außenring 11) und über den Außenring 11 (bei festem Übertragungsring 12) erfolgen. Im Folgenden wird der Abtrieb des Spannungswellengetriebes durch den Außenring 11 gebildet.
Als Folge eines übermäßig hohen Drehmoments kann der Eingriff zwischen den Verzahnungen 1, 2 vorübergehend verloren gehen, so dass ein Zahn des Übertragungsrings 12 mehrere Zähne des Außenrings 11, während einer sogenannten Eingriffsstörung 62, überspringen kann (angedeutet durch den Pfeil 62). Während im Normalbetrieb durch die Verzahnung zwischen den Ringen 11, 12 eine strenge Beziehung zwischen den jeweiligen Drehwinkeln aufrechterhalten wird, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung zu einer unkontrollierten Relativdrehung und einem dadurch hervorgerufenen Winkelversatz 64.
In 3 ist die dynamische Verformung des Übertragungsrings 12 in verschiedenen Phasen der Eingriffsstörung schematisch abgebildet. Der Übertragungsring 12 ist dabei als zylinderhutförmige Buchse („silk-hat“) ausgebildet (siehe Abbildung links), deren oberer Rand die Außenverzahnung 2 aufweist, die wiederum mit der Innenverzahnung 1 des Außenrings 11 in Eingriff gebracht wird. Der Verformungsgrad der zylinderförmigen Wand des Übertragungsrings 12 ist zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zusammen mit dem zugehörigen Zustand der Verzahnungen 1, 2 dargestellt. Die Position des Außenrings 11 ist jeweils durch einen Bezugspunkt 34 am oberen Rand des Übertragungsrings 12 markiert, während die Linien 36, 37, 38 die zugehörige Verdrillung des Übertragungsrings 12 wiedergeben. In der ersten Phase ist der Eingriff zwischen den Ringen 1, 2 noch intakt, wobei sich jedoch durch die elastische Verdrillung 36 des Übertragungsrings 12 ein immer stärker werdendes Drehmoment aufbaut. Mit steigender Verdrillung erhöht sich die Torsionssteifigkeit des Übertragungsrings 12, so dass das Drehmoment steil ansteigt und schließlich bei der Verformung 37 seinen Maximalwert erreicht. Beim Erreichen dieses kritischen Werts wird eine Eingriffsstörung 62 ausgelöst, bei der der Eingriff der Verzahnungen 1, 2 zumindest teilweise aufgehoben wird, die Verdrillung zurückschnellt und die Außenverzahnung 2 gegenüber der Innenverzahnung 1 springt. Die Linie 38 endet nach dem Sprung nicht mehr, wie vorher, an dem Bezugspunkt 34, sondern weist zu diesem einen Winkelversatz auf, der dem entstandenen Offset zwischen den Drehwinkeln der beiden Ringe 2, 3 entspricht. Anhand dieser Verdrehung kann mittels eines Drehmomentsensors 15, beispielsweise ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen, ein Drehmoment gemessen werden und in Form eines Drehmomentverlaufs 60 (siehe 6) über die Zeit nutzbar gemacht werden.
In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsmoduls 100 zum Bewegen eines Armsegments 201 eines Industrieroboters 200 dargestellt, das bei dem Industrieroboter 200 gemäß 1 Verwendung finden kann. Das Antriebsmodul 100 umfasst ein als Spannungswellengetriebe 10 ausgebildetes Getriebe, eine elektrische Maschine 20 und eine Bremseinrichtung 30. Ein weiterer Bestandteil des Antriebsmoduls 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist eine Elektronikeinheit 40. Der Wellengenerator 13 wird durch eine ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen.
Der Wellengenerator 13 des Spannungswellengetriebes 10 ist mit der elektrische Maschine 20 gekoppelt, hier mit der Rotorwelle 21 der elektrische Maschine 20. Die elektrische Maschine 20 kann als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgestaltet sein.
Die Rotorwelle 21 und damit auch der Wellengenerator 13 sind ferner mit der Bremseinrichtung 30 gekoppelt, mittels welcher die Rotorwelle 21 verzögert und/oder festgelegt werden kann. Die Rotorwelle 21 ist zudem mit einem Positionssensor 50 gekoppelt, über welchen eine Position, hier eine Winkelstellung der Rotorwelle 21 ermittelt werden kann. Der Positionssensor 50 ist bevorzugt als optischer oder magnetischer Drehgeber bzw. Drehwinkelgeber ausgestaltet. Aus der Kombination aus dem Drehmomentsensor 15 und dem Positionssensor 50 kann der Betrag des Drehmomentes zwischen den Ringen 11, 12 und die Drehrichtung des Wellengenerators erfasst werden.
5 zeigt ein Detail des Spannungswellengetriebes 10 des Antriebsmoduls 100 nach 4. Es ist erkennbar, dass an dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 ein Drehmomentsensor 15 angeordnet ist, mittels dem das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment gemessen wird. Der Drehmomentsensor 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings 12 messen lässt. Der Drehmomentsensor 15 ist mit einer Auswerteeinheit 41 des Antriebsmoduls 100 verbunden, welche kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich Messwerte des Drehmomentsensors 15 empfängt. Die Auswerteeinheit 41 ist bei dem Ausführungsbeispiel als Teil der Elektronikeinheit 40 ausgestaltet, vgl. 4.
In 6 und 7 ist jeweils zwei Drehmomentverläufe 60, 60' über die Zeit t abgebildet, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten können. Dabei gibt der erste Drehmomentverlauf 60 eine Betriebssituation wieder, in welcher eine Eingriffsstörung 62 auftritt und detektiert wird. Der zweite Drehmomentverlauf 60' gibt eine entsprechende Betriebssituation wieder, bei der die elektrische Maschine infolge der detektierten Eingriffsstörung 62 derart angesteuert wird, dass das Drehmoment am Übertragungsring 12 geringer ist als ein Drehmoment-Schwellenwert 63, der anhand eines bei der Eingriffsstörung aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts ermittelt wird.
Die Messung des auf den Übertragungsring 12 ausgebübten Drehmoments erfolgt mittels eines oder mehrerer Drehmomentsensoren 15. Anhand des gemessenen Drehmoments wird die Eingriffsstörung 62 detektiert. Die Eingriffsstörung 62 ist in 6 und 7 jeweils als gedämpfte Schwingung erkennbar. Der bei Eingriffsstörung 62 auftretende kritische Drehmomentwert, beispielsweise das Ratschendrehmoment 61, welches beim ersten „Durchrutschen“ der Zähne 1, 2 vorliegt, wird gespeichert. Anhand des kritischen Drehmomentwerts wird dann der Drehmoment-Schwellenwert 63 ermittelt, wobei dieser Wert kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert 61 ist. Wie durch den zweiten Drehmomentverlauf 60' dargestellt, wird die elektrische Maschine dann derart angesteuert, dass das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment geringer ist als der der festgesetzte Drehmoment-Schwellenwert 63.
Der Unterschied zwischen der in 6 gezeigten Ausführungsform und der in 7 gezeigten Ausführungsform liegt im zweiten Drehmomentverlauf 60', 60", der sich beim Ansteuern der elektrischen Maschine mit dem Drehmoment-Schwellenwert 63 einstellt. Während der zweite Drehmomentverlauf 60' gemäß 6 dieselben Phasen des Drehmomentanstiegs und -abfalls aufweist wie der erste Drehmomentverlauf 60 kommt der zweite Drehmomentverlauf 60" gemäß 7 infolge einer Ansteuerungsstrategie zustande, bei welcher die Phasen des Drehmomentanstiegs und -abfalls gegenüber dem ersten Drehmomentverlauf 60 verändert sind. Eine derartig veränderte Ansteuerungsstrategie kann beispielsweise durch Adaption von Regelparametern erfolgen, die zum Ansteuern der elektrischen Maschine verwendet werden.
8 veranschaulicht die Änderungen in einem Drehzahlverlauf während eines bespielhaften Arbeitszyklus 80 eines Antriebssystems, die sich durch die Veränderung von Regelparametern ergeben können, wie diese in Zusammenhang mit 7 erläutert wurden. Dieser Arbeitszyklus 80 repräsentiert eine repetitive Aufgabe eines Antriebssystems. Dabei ist ein erster Drehzahlverlauf 81 gezeigt, welcher dem ersten Drehmomentverlauf 62 entspricht. Infolge der Ermittlung des Drehmoment-Schwellenwerts 63 und der Änderungen der Regelparameter ergibt sich für denselben Arbeitszyklus ein zweiter Drehzahlverlauf 62, welcher insbesondere dem zweiten Drehmomentverlauf 60'' entspricht.
In 8 ist erkennbar, dass sich im zweiten Drehzahlverlauf 82 das Beschleunigungs- und das Abbremsverhalten gegenüber dem ersten Drehzahlverlauf 81 verändert hat. 9 zeigt einen Ausschnitt 83 der Verläufe 81, 82aus 8. Es ist erkennbar, dass der zweite Drehzahlverlauf 82 eine anfänglich geringere Beschleunigung (84') als der erste Drehzahlverlauf 81 aufweist, die in eine gegenüber derm ersten Drehzahlverlauf 81 erhöhte Beschleunigung (84'') übergeht und zum Ende des Beschleunigungsvorgangs (84''') wieder in einer geringeren Beschleunigung als beim ersten Drehzahlverlauf 81 endet.
In 10 wird eine beispielhafte Regelung 1000 für ein Antriebssystem gezeigt. Die Regelung 1000 umfasst dabei einen Positions-Regler 70, einen Geschwindigkeits-Regler 71, einen Strom-Regler 72, eine Wechselrichter 73, Umrichter 74, einen Drehzahl-Geschwindigkeits-Umwandler75, die elektrische Maschine 20, den Positionssensor 50, das Spannungswellengetriebe 10 und den Drehmomentsensor 15. Die Regelung 1000 ist derart aufgebaut, dass sie drei kaskadierte Regelkreise umfasst. Ein erster Regelkreis ist der Positions-Regelkreise 70'. Darüber hinaus weist die Regelung 1000 einen Geschwindigkeits-Regelkreis 71' und einen Strom-Regelkreis 72' auf.
Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Drehmoment-Schwellenwert kann in dem Strom-Regelkreis berücksichtigt werden. Dabei kann der Drehmoment-Schwellenwert 63 dem Strom-Regler 72 zugeführt werden, so dass die Ansteuerung der elektrischen Maschine 20 derart erfolgt, dass das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment geringer ist als der Drehmoment-Schwellenwert 63. Sofern bei dem Verfahren Regelparameter in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehmoment-Schwellenwert 63 verändert werden, können diese Veränderungen den Geschwindigkeits-Regler 71, und optional zusätzlich den Positions-Regler 70, betreffen.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Vermeidung von Eingriffsstörungen 300. In einem optionalen, ersten Verfahrensschritt 301 kann bei einer initialen Inbetriebnahme des Antriebssystems oder im Rahmen der Herstellung des Antriebssystems ein initialer Drehmoment-Schwellenwert festgelegt werden, der bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine als Obergrenze des Drehmoments am Übertragungsring 12 berücksichtigt wird. Der initiale Drehmoment-Schwellenwert kann durch Messung eines initialen, kritischen Drehmomentwerts ermittelt werden oder anhand von Erfahrungswerten baugleicher Antriebssysteme. Der Drehmoment-Schwellenwert 63 kann somit vor der ersten Inbetriebnahme des Antriebssystems voreingestellt werden, sodass das Auftreten einer ersten Eingriffsstörung 62 in einem frühen Betriebsstadium vermieden wird.
Nach Inbetriebnahme des Antriebssystems können, beispielsweise aufgrund von Verschleiß, auf bei vorgegebenem Drehmoment-Schwellenwert dennoch Eingriffsstörungen auftreten. In einem zweiten Verfahrensschritt 302 kann eine solche Eingriffsstörung 62 detektiert werden,. Hierzu wird das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment mittels eines Drehmomentsensors 15 gemessen. In einem dritten Verfahrensschritt 303 wird der bei der Eingriffsstörung 62 aufgetretene, kritische Drehmomentwert gespeichert.
Nachfolgend wird in einer ersten Abfrage 304 überprüft, ob das gemessene Drehmoment größer ist als ein vorgegebener Überlast-Drehmoment-Schwellenwert oder ob ein Anstieg des gemessenen Drehmoments größer ist als ein vorgegebener Überlast-Drehmomentanstieg . Sofern einer dieser Schwellenwerte überschritten wird, so wird die elektrische Maschine in einen Freilaufzustand 309 versetzt. Anschließend an den Übergang zum Freilaufzustand 309 wird in einem fünften Verfahrensschritt 310 geprüft, ob der vorliegende Drehmomentwert für das Antriebssystem zumutbar ist oder immer noch erheblich zu hoch ist. Sofern der Drehmomentwert zu hoch ist, wird im sechsten Verfahrensschritt 311 eine Notabschaltung eingeleitet.
Bei einer negativen Abfrage 305' wird das Verfahren 300 mit einer zweiten Abfrage 306 fortgesetzt. Die zweite Abfrage 306 überprüft, ob das vorliegende Drehmoment das gespeicherte Ratschendrehmoment 61 überschreitet. Das gespeicherte Ratschendrehmoment 61 beschreibt dabei den letzten oder einer Mehrzahl von gespeicherten aufgetretenen, kritischen Drehmomenten. Bei einer positiven zweiten Abfrage 307 wird direkt zum sechsten Verfahrensschritt 311 gesprungen, wobei dieser eine Notabschaltung einleitet.
Bei einer negativen zweiten Abfrage 307' wird zum vierten Verfahrensschritt 308 fortgeschritten. Der vierte Verfahrensschritt 308 umfasst den normalen Betrieb des Antriebssystems unter Ansteuern der elektrischen Maschine 20 derart, dass das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment geringer ist als der ermittelte Drehmoment-Schwellenwert 63.
Kommt es während des Betriebs des Antriebssystems zu mehreren Eingriffsstörungen 62, werden alle bei diesen Eingriffsstörungen 62 auftretenden, kritischen Drehmomentwerte gespeichert. Der bei der Ansteuerung in Verfahrensschritt 308 verwendete Drehmoment-Schwellenwert 63 wird dann anhand aller gespeicherten kritischen Drehmomentwerte ermittelt, beispielsweise derart, dass der geringste kritische Drehmomentwert ermittelt wird und dieser zur Ermittlung des Drehmoment-Schwellenwerts herangezogen wird.
Bezugszeichenliste

1: Innenverzahnung
2: Außenverzahnung
3: Bewegung eines Zahnes der Außenverzahnung
4: Ausschnitt
10: Spannungswellengetriebe
11: Außenring
12: Übertragungsring
13: Wellengenerator
14: Wälzkörper
15: Drehmomentsensor
20: elektrische Maschine
21: Rotorwelle
30: Bremseinrichtung
34: Bezugspunkt
36, 37, 38: Verformungslinien
40: Elektronikeinheit
41: Auswerteeinheit
50: Positionssensor
60: Drehmomentverlauf
60': neuer Drehmomentverlauf
60'': alternativer neuer Drehmomentverlauf
61: Ratschendrehmoment
62: Eingriffsstörung
63: neuer Drehmoment-Schwellenwert
70: Positions-Regler
70': Positions-Regelkreis
71: Geschwindigkeits-Regler
71': Geschwindigkeits-Regelkreis
72: Strom-Regler
72': Strom-Regelkreis
73: Wechselrichter
74: Umrichter
75: Drehzahl-Geschwindigkeits-Umwandler
80: Arbeitszyklus
81: Drehzahlverlauf
82: neuer Drehzahlverlauf
83: Ausschnitt der Verläufe
84', 84'', 84''': geänderte Beschleunigung
100: Antriebsmodul
200: Roboter
201: Armsegment
300: Verfahren zur Vermeidung von Eingriffsstörungen
301: erster Verfahrensschritt
302: zweiter Verfahrensschritt
303: dritter Verfahrensschritt
304: erste Abfrage
305: positive erste Abfrage
305': negative erste Abfrage
306: zweite Abfrage
307: positive zweite Abfrage
307': negative zweite Abfrage
308: vierter Verfahrensschritt
309: Freilaufzustand
310: fünfter Verfahrensschritt
311: sechster Verfahrensschritt
1000: Regelung für ein Antriebssystems

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2021014876 A [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem eine elektrische Maschine (20) und ein Spannungswellengetriebe (10) umfasst, das einen mit der elektrischen Maschine (20) gekoppelten Wellengenerator (13), einen starren Außenring (11) mit einer Innenverzahnung (1) und einen elastisch verformbaren Übertragungsring (12) mit einer Außenverzahnung (2) aufweist, die in Eingriff mit der Innenverzahnung (1) des Außenringes (11) steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - Messen eines auf den Übertragungsring (12) ausgeübten Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors (15), - Detektieren einer Eingriffsstörung (62) anhand des gemessenen Drehmoments und Speichern eines bei der Eingriffsstörung (62) aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts, - Ermitteln eines Drehmoment-Schwellenwerts (63), der kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert ist und - Ansteuern der elektrischen Maschine (20) derart, dass das auf den Übertragungsring (12) ausgeübte Drehmoment geringer ist als der Drehmoment-Schwellenwert (63).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Drehmoment-Schwellenwerts (63) anhand des detektierten kritischen Drehmoments erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des gemessenen Drehmoments weitere Eingriffsstörungen (62) detektiert werden, und die bei diesen Eingriffsstörungen (62) auftretenden, weiteren kritischen Drehmomentwerte gespeichert werden, wobei der Drehmoment-Schwellenwert (63) zusätzlich anhand der gespeicherten weiteren, kritischen Drehmomentwerte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer initialen Inbetriebnahme des Antriebssystems oder im Rahmen der Herstellung des Antriebssystems ein initialer, kritischer Drehmomentwert ermittelt und gespeichert wird und der Drehmoment-Schwellenwert (63) zusätzlich anhand des initialen, kritischen Drehmomentwerts ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Detektieren der Eingriffsstörung (62) zusätzlich ein Drehmomentverlauf und/oder ein Belastungsverlauf gespeichert wird und der Drehmoment-Schwellenwert (63) zusätzlich anhand des gespeicherten Drehmomentverlaufs bzw. Belastungsverlaufs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ansteuern der elektrischen Maschine (20) mindestens ein Regelparameter in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehmoment-Schwellenwert (63) eingestellt wird, beispielsweise ein Regelparameter, der das Beschleunigungsverhalten und/oder das Abbremsverhalten der elektrischen Maschine (20) beeinflusst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (20) zusätzlich derart angesteuert wird, dass sie bei einem Überschreiten des Drehmoment-Schwellenwerts (63) oder des gespeicherten kritischen Drehmomentwerts die elektrische Maschine in einem Freilaufzustand betrieben wird.
Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine (20) und einem Spannungswellengetriebe (10), das einen mit der elektrischen Maschine (20) gekoppelten Wellengenerator (13), einen starren Außenring (11) mit einer Innenverzahnung (1) und einen elastisch verformbaren Übertragungsring (12) mit einer Außenverzahnung (2) umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung (1) des Außenrings (11) steht, wobei das Antriebssystem dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen: - Messen eines auf den Übertragungsring (12) ausgeübten Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors (15), - Detektieren einer Eingriffsstörung (62) anhand des gemessenen Drehmoments und Speichern eines bei der Eingriffsstörung (62) aufgetretenen, kritischen Drehmomentwerts, - Ermitteln eines Drehmoment-Schwellenwerts (63), der kleiner oder gleich dem kritischen Drehmomentwert ist und - Ansteuern der elektrischen Maschine (20) derart, dass das auf den Übertragungsring (12) ausgeübte Drehmoment geringer ist als der Drehmoment-Schwellenwert (63).