WO2022012713A1 - Wellgetriebe für einen roboter sowie roboter mit einem wellgetriebe - Google Patents

Wellgetriebe für einen roboter sowie roboter mit einem wellgetriebe Download PDF

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WO2022012713A1
WO2022012713A1 PCT/DE2021/100522 DE2021100522W WO2022012713A1 WO 2022012713 A1 WO2022012713 A1 WO 2022012713A1 DE 2021100522 W DE2021100522 W DE 2021100522W WO 2022012713 A1 WO2022012713 A1 WO 2022012713A1
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WO
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ring element
harmonic drive
flexible ring
flexible
rolling elements
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PCT/DE2021/100522
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Junginger
Oliver Boersch
Tomas Smetana
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B25J9/1025—Harmonic drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • F16H2049/003—Features of the flexsplines therefor

Definitions

  • the invention relates to a harmonic drive for a robot, comprising a flexible annular element with external teeth, which can be deformed circumferentially in the radial direction by a wave generator, and a rigid annular element with internal teeth.
  • the flexible ring element meshes with the rigid ring element to transmit torque.
  • the invention also relates to a robot with a harmonic drive.
  • a harmonic drive comprising a flexible annular element with external teeth, which can be deformed locally and radially by a wave generator, and a rigid annular element with internal teeth.
  • the outer toothing of the flexible ring element is available for the transmission of a torque on at least one toothed meshing area with the inner toothing of the rigid ring element in toothed engagement.
  • the wave generator comprises an out-of-round trained tes bearing element consisting of an inner ring, an outer ring and radially there between arranged rolling elements.
  • the bearing element is designed as a spherical roller bearing and the inner ring is non-rotatably connected to a shaft.
  • the outer ring and the flexible ring element are two separate components that are connected to one another in a rotationally fixed manner.
  • the outer ring has a loose fit with the flexible ring element.
  • a change in the clearance fit leads to a change in the stiffness of the harmonic drive, in particular the stiffness between the outer ring and the flexible ring element and between the flexible ring element and the rigid ring element.
  • the strain wave gear becomes soft, causing problems with zero crossing control and positioning inaccuracies.
  • the play in the clearance fit decreases, there can be transition fits, which increases friction and wear in the harmonic drive, which reduces the efficiency of the harmonic drive. Therefore, setting the clearance for the clearance fit of the strain wave gear is an essential aspect, especially in robot applications, because they require gears that are as precise and low-friction as possible.
  • the object of the invention is to develop a harmonic drive for a robot, wherein the harmonic drive should be particularly precise and low-wear.
  • the harmonic drive should have a long service life.
  • the object is achieved by the subject matter of patent claim 1. Preferred embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
  • a strain wave gearing according to the invention for a robot comprises a flexible ring element that can be deformed in the radial direction by a wave generator and has external teeth and a rigid ring element with internal teeth, the external teeth of the flexible ring element for transmitting a torque on at least one toothed meshing area with the internal teeth of the rigid ring element is in toothed engagement, with the wave generator having an out-of-round configured bearing element, with the bearing element having at least rolling elements and an inner ring with a first raceway for the rolling elements, with the bearing element protruding at least partially axially into the flexible ring element, and where the inner ring is non-rotatably connected to a shaft, wherein gelement a second raceway for the rolling elements is formed on the flexible ring.
  • the wave generator also known as wave generator, is in operative connection with the shaft, the shaft preferably being driven by an electric machine in order to cause the wave generator to rotate.
  • the wave generator in particular the inner ring of the bearing element, has an elliptical or oval cross-sectional shape.
  • the inner ring and the shaft are preferably two separate components, with the inner ring being pressed onto the shaft, for example, in order to implement a non-rotatable connection.
  • the wave generator is the drive unit of the wave gear and, in the case of a two-part configuration of the shaft and the inner ring, is preferably pressed into the flexible or elastically deformable ring element together with the bearing element.
  • the shaft is formed as a hollow shaft.
  • the shaft can also be designed as a solid shaft.
  • the flexible ring element is also called Flexspline and is a high-strength and torsion-resistant sleeve element. It is designed so flexibly that it Generator can at least partially accommodate axially with the bearing element, and is locally deformable depending on the outer shape of the wave generator.
  • the outer shape of the wave generator is formed by the rolling elements, in particular by the second raceway for the rolling elements, the rolling elements being arranged radially between the flexible ring element and the inner ring. Consequently, the rolling elements of the bearing element come to rest directly on the outer peripheral surface of the inner ring, the first raceway for the rolling elements being formed on the outer peripheral surface of the inner ring.
  • the rolling bodies of the bearing element come to rest directly on the inner peripheral surface of the flexible ring element, with the second raceway for the rolling bodies being formed on the inner peripheral surface of the flexible ring element. Because there is no outer ring, there is no clearance fit between the outer ring and the flexible ring element, which means that the clearance fit is not variable and thus the rigidity of the strain wave gear remains constant, thereby increasing the precision and efficiency of the strain wave gear.
  • the outer ring of the bearing element is omitted or the function of the outer ring of the bearing element is integrated into the inner peripheral surface of the flexible ring element.
  • the flexible ring element has at least one open axial side for accommodating the wave generator with the bearing element, the inner peripheral surface of the flexible ring element being set up for receiving and rolling off the rolling bodies of the bearing element.
  • the wave generator is rotated, causing the shaft and the inner ring of the bearing element to be rotated relative to the flexible ring element.
  • the flexible ring element deforms elastically analogous to the direction of rotation and rotational speed of the wave generator.
  • the wave generator is set into a rotational movement, which causes the flexible ring element to undergo circumferential deformation.
  • the external toothing of the flexible ring element for the transmission of a torque is at two symmetrically opposite toothed meshing areas at least partially with the internal toothing of the rigid ring element in toothed meshing.
  • the rigid ring element also known as a circular spline, is a torsion-resistant, rigid ring whose inner teeth have more teeth than the outer teeth of the flexible ring element.
  • the rigid ring element is formed out as a ring gear.
  • the rotation of the wave generator causes permanent, circumferential meshing of the flexible ring member and the rigid ring member.
  • the opposing tooth meshing areas move continuously around the axis of rotation of the wave generator or in the circumferential direction during the rotation of the wave generator. Since the flexible ring element has fewer teeth than the rigid ring element, rotation of the wave generator causes the flexible ring element to move relative to the rigid ring element. The rolling elements of the bearing element roll off between the inner ring and the flexible ring element.
  • the flexible ring element is formed in one piece at least with the external teeth and the second raceway.
  • the flexible ring element is therefore monolithic, at least with the external teeth and the second raceway, and combines at least the toothing functions for the rigid ring element on the outer peripheral surface of the flexible ring element with the raceway functions for the rolling elements on the inner peripheral surface of the flexible ring element.
  • the bearing element is preferably designed as a single-row ball bearing. Consequently, the rolling bodies of the bearing element are spherical.
  • the ball bearing allows light large deformations of the flexible ring element in the circumference as well as radial tilting movements of a collar of the flexible ring element. In other words, the ball bearing has a joint function.
  • the bearing element designed as a ball bearing has a plurality of rolling elements designed as balls, which are spaced apart from one another and roll between an outer peripheral surface of the inner ring and the inner peripheral surface of the flexible ring element.
  • the design of the bearing element as a single-row ball bearing in particular reduces the friction of the harmonic drive and thus increases efficiency.
  • the rolling elements are guided in a cage.
  • the cage is preferably made of a polymer material. This in particular reduces the wear on the rolling elements.
  • the rolling elements are guided in a first groove on the outer peripheral surface of the inner ring.
  • the first groove is designed to at least partially accommodate the rolling elements of the bearing element, the geometry of the first groove being designed at least partially to correspond to the geometry of the rolling elements.
  • the first raceway for the rolling bodies of the bearing element is at least partially, preferably completely, formed in the first groove.
  • the rolling bodies are guided by ge in a second groove on the inner peripheral surface of the flexible ring element.
  • the second groove is designed to at least partially accommodate the rolling elements of the bearing element, the geometry of the second groove being designed at least partially to correspond to the geometry of the rolling elements.
  • the second raceway for the rolling bodies of the bearing element is at least partially, preferably completely, formed in the second groove.
  • the second raceway for the rolling bodies is preferably formed in a region of the flexible ring element which is arranged radially opposite and centrally in the axial direction in relation to the external toothing.
  • the rolling bodies roll in the axial direction in the center of the external teeth on the flexible ring element.
  • a second raceway arranged centrally in the axial direction relative to the external toothing is to be understood as meaning that it may only have a slight axial offset to an axial center of a tooth, and thus at most an axial offset that is no higher than a radius of the rolling element is. This results in a particularly clean and efficient meshing of teeth.
  • the invention also relates to a robot comprising a corrugated gear according to the invention.
  • the harmonic drive according to the invention is arranged in a joint for a robot arm and acts at least indirectly between two robot arm segments. Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the figures. while showing
  • FIG. 1 shows a simplified schematic sectional view of a harmonic drive according to the invention
  • FIG. 2 shows a simplified schematic partial longitudinal section of the Wellge drive according to FIG. 1, and
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of a robot, shown only partially, with a harmonic drive according to the invention.
  • a harmonic drive 1 comprises a wave generator 2 which has a bearing element 6 with an inner ring 8 and with a large number of rolling elements 7 .
  • the wall thickness of the inner ring 8 is exaggerated Darge provides.
  • the rolling bodies 7 are spaced apart in a cage 10, wherein the cage 10 is made of a polymer material.
  • the bearing element 6 is designed as a single-row ball bearing, so that the rolling bodies 7 are spherical in shape.
  • the inner ring 8 has a first raceway 8a for the rolling bodies 7 .
  • the first raceway 8a is formed circumferentially in a first groove 8b on the outer peripheral surface of the inner ring 8 .
  • the wave generator 2 also includes a shaft 9 onto which the inner ring 8 is shrunk to form a non-rotatable connection, the wave generator 2 via the shaft 9 of a - electric motor can be set in rotation - not shown here.
  • the shaft 9 is designed as a hollow shaft.
  • the harmonic drive 1 has a flexible ring element 3 with external teeth 3a, which can be deformed circumferentially in the radial direction by the wave generator 2, and a rigid ring element 4 with internal teeth 4a.
  • the external toothing 3a of the flexible ring element 3 is available for the transmission of a torque, relative to an axis of rotation 11 of the wave generator 2, two symmetrically opposite lying meshing areas 5a, 5b with the internal teeth 4a of the rigid Ring gelements 4 in meshing.
  • the rigid ring element 4 is designed as a ring gear.
  • On the flexible ring element 3, a second track 3b for the rolling elements 7 is formed on the flexible ring element 3.
  • the flexible ring element 3 is formed in one piece with the external teeth 3a and the second raceway 3b.
  • a second groove 3 c is formed on the inner peripheral surface of the flexible ring element 3 , the rolling elements 7 being guided in the second groove 3 c on the inner peripheral surface of the flexible ring element 3 .
  • the second raceway 3 b is formed in the second groove 3 c on the inner peripheral surface of the flexible ring member 3 . Consequently, the rolling bodies 7 roll in the second groove 3c on the inner peripheral surface of the flexible ring element 3 .
  • the rolling elements 7 follow the eccentric shape of the first track and thereby deform the flexible ring element 3 with the external teeth 3a. Due to the slightly different number of teeth between the external toothing 3a of the flexible ring element 3 and the internal toothing 4a of the rigid ring element 4, there is a high translation between the shaft 9 and the rigid ring element 4.
  • the bearing element 6 projects completely axially into the flexible ring element 3 .
  • the second raceway 3b for the rolling elements 7 is formed in a region of the flexible ring element 3 which is arranged radially oppositely and in the axial direction centrally to the external toothing 3a.
  • an axial offset of the second raceway 3b for the rolling elements 7 from the axial center of the external teeth 3a on the flexible ring element 3 is not greater than a radius of the rolling elements 7. This results in a particularly efficient tooth engagement.
  • the rigid ring element 4 is not shown for the sake of simplicity.
  • the wall thickness of the flexible ring element 3 is exaggerated.
  • FIG. 3 shows a section of a robot 12.
  • a joint 13 is arranged between a first robot arm segment 12a and a second robot arm segment 12b, which joint connects the two robot arm segments 12a, 12b to one another in an articulated manner.
  • the robot 12 has a drive unit 14, comprising an electric motor 15 and a harmonic drive 1 according to Figures 1 and 2.
  • a drive unit 14 comprising an electric motor 15 and a harmonic drive 1 according to Figures 1 and 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe (1) für einen Roboter (12), umfassend ein von einem Wellgenerator (2) umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement (3) mit einer Außenverzahnung (3a) und ein starres Ringelement (4) mit einer Innenverzahnung (4a), wobei die Außenverzahnung (3a) des flexiblen Ringelements (3) zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich (5a, 5b) mit der Innenverzahnung (4a) des starren Ringelements (4) im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator (2) ein unrund ausgebildetes Lagerelement (6) aufweist, umfassend zumindest Wälzkörper (7) und einen Innenring (8) mit einer ersten Laufbahn (8a) für die Wälzkörper (7), wobei das Lagerelement (6) zumindest teilweise in das flexible Ringelement (3) axial hineinragt, und wobei der Innenring (8) drehfest mit einer Welle (9) verbunden ist, wobei an dem flexiblen Ringelement (3) eine zweite Laufbahn (3b) für die Wälzkörper (7) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter (12), umfassend ein solches Wellgetriebe (1).

Description

Wellqetriebe für einen Roboter sowie Roboter mit einem Wellqetriebe
Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Dreh moments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Roboter mit einem Wellgetriebe.
Aus der DE 102018 123915 A1 geht ein Wellgetriebe, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend lokal radial verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Die Au ßenverzahnung des flexiblen Ringelements steht zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff. Der Wellgenerator umfasst ein unrund ausgebilde tes Lagerelement, bestehend aus einem Innenring, einem Außenring sowie radial da zwischen angeordneten Wälzkörpern. Das Lagerelement ist als Pendelrollenlager ausgebildet und der Innenring ist drehfest mit einer Welle verbunden. Der Außenring und das flexible Ringelement sind zwei separate Bauteile, die drehfest miteinander verbunden sind.
In der Regel weist der Außenring eine Spielpassung zu dem flexiblen Ringelement auf. Eine Veränderung der Spielpassung führt zu einer Veränderung der Steifigkeit des Wellgetriebes, insbesondere der Steifigkeit zwischen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement sowie zwischen dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Mit zunehmendem Spiel der Spielpassung wird das Wellgetriebe weich, wodurch Probleme bei der Regelung im Nulldurchgang und Positionierungsungenau igkeiten entstehen. Mit abnehmendem Spiel der Spielpassung kann es zu Über gangspassungen kommen, wobei sich die Reibung und der Verschleiß im Wellgetrie be erhöhen, wodurch die Effizienz des Wellgetriebes sinkt. Daher ist die Einstellung des Spiels für die Spielpassung des Wellgetriebes ein Wesentlicher Aspekt, insbe sondere bei Roboteranwendungen, weil diese möglichst präzise und reibungsarme Getriebe benötigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wellgetriebe für einen Roboter zu entwi ckeln, wobei das Wellgetriebe besonders präzise sowie verschleißarm sein soll. Ins besondere soll das Wellgetriebe eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Well generator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit ei ner Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator ein unrund ausgebil detes Lagerelement aufweist, wobei das Lagerelement zumindest Wälzkörper und ei nen Innenring mit einer ersten Laufbahn für die Wälzkörper aufweist, wobei das La gerelement zumindest teilweise in das flexible Ringelement axial hineinragt, und wo bei der Innenring drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei an dem flexiblen Rin gelement eine zweite Laufbahn für die Wälzkörper ausgebildet ist.
Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit der Welle in Wirkverbin dung, wobei die Welle vorzugsweise von einer elektrischen Maschine angetrieben ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise wei sen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellge triebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innen rings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle aus gebildet. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.
Das flexible Ringelement wird auch Flexspline genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellge- nerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbeson dere wird die äußere Form des Wellgenerators durch die Wälzkörper insbesondere durch die zweite Laufbahn für die Wälzkörper gebildet, wobei die Wälzkörper radial zwischen dem flexiblen Ringelement und dem Innenring angeordnet sind. Mithin kommen die Wälzkörper des Lagerelements zum einen unmittelbar an der Außenum fangsfläche des Innenrings zur Anlage, wobei die erste Laufbahn für die Wälzkörper an der Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet ist. Zum anderen kommen die Wälzkörper des Lagerelements unmittelbar an der Innenumfangsfläche des flexib len Ringelements zur Anlage, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements ausgebildet ist. Weil ein Außenring nicht existent ist, entfällt eine Spielpassung zwischen dem Außenring und dem flexib len Ringelement, wobei dies dazu führt, dass die Spielpassung nicht variabel ist und somit die Steifigkeit des Wellgetriebes konstant bleibt, wodurch die Präzision und die Effizienz des Wellgetriebes erhöht werden. Mit anderen Worten entfällt der Außenring des Lagerelements bzw. die Funktion des Außenrings des Lagerelements wird in die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements integriert. Das flexible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Wellgenerators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements zur Auf nahme und zum Abwälzen der Wälzkörper des Lagerelements eingerichtet ist.
Während des Betriebs des Wellgetriebes wird der Wellgenerator rotiert, wodurch die Welle und der Innenring des Lagerelements relativ zum flexiblen Ringelement ver dreht werden. Dabei verformt das flexible Ringelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Well generator während des Betriebs des Wellgetriebes in eine Rotationsbewegung ver setzt, die bewirkt, dass das flexible Ringelement eine umlaufende Verformung erfährt.
Bevorzugt steht die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden. Das starre Ringelement, auch Circular Spline genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausge bildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Ro tation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des Lagerelements zwischen dem Innenring und dem flexiblen Ringele ment.
Insbesondere ist das flexible Ringelement zumindest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn einteilig ausgebildet. Mithin ist das flexible Ringelement zumin dest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn monolithisch ausgebildet und bündelt zumindest die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements.
Vorzugsweise ist das Lagerelement als einreihiges Kugellager ausgebildet. Mithin sind die Wälzkörper des Lagerelements kugelförmig ausgebildet. Das Kugellager ermög licht große Verformungen des flexiblen Ringelements im Umfang ebenso wie radiale Kippbewegungen eines Kragens des flexiblen Ringelements. Mit anderen Worten hat das Kugellager eine Gelenkfunktion. Das als Kugellager ausgebildete Lagerelement weist eine Vielzahl von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern auf, die räumlich zwi schen einer Außenumfangsfläche des Innenrings und der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements beabstandet zueinander angeordnet sind und abrollen. Durch die Ausbildung des Lagerelements als einreihiges Kugellager wird insbesondere die Reibung des Wellgetriebes verringert und somit die Effizienz erhöht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in ei nem Käfig geführt. Vorzugsweise ist der Käfig aus einem Polymerwerkstoff ausgebil det. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß an den Wälzkörpern gesenkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in ei ner ersten Nut an der Außenumfangsfläche des Innenrings geführt. Insbesondere ist die erste Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilwei se aufzunehmen, wobei die Geometrie der ersten Nut zumindest teilweise korrespon dierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der ersten Nut ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkör per in einer zweiten Nut an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements ge führt. Insbesondere ist die zweite Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des La gerelements zumindest teilweise aufzunehmen, wobei die Geometrie der zweiten Nut zumindest teilweise korrespondierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zu mindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der zweiten Nut ausgebildet.
Vorzugsweise ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper in einem Bereich des flexib len Ringelements ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung angeordnet ist. Mit anderen Worten wälzen die Wälz körper in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung am flexiblen Ringelement. Vorliegend ist unter einer in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung ange ordneten zweiten Laufbahn zu verstehen, dass diese nur einen geringfügigen axialen Versatz zu einer axialen Mitte eines Zahnes aufweisen darf, und somit höchstens ei nen axialen Versatz aufweist, der nicht höher als ein Radius der Wälzkörper ist. Dadurch wird ein besonders sauberer und effizienter Zahneingriff realisiert.
Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellge triebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in einem Gelenk für ei nen Roboterarm angeordnet und wirkt zumindest mittelbar zwischen zwei Roboter armsegmenten. Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
Figur 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines erfindungsge mäßen Wellgetriebes,
Figur 2 eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellge triebes gemäß Figur 1, und
Figur 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines nur teilweise darge stellten Roboters mit einem erfindungsgemäßen Wellgetriebe.
Gemäß den Figuren 1 und 2 umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 einen Wellgenerator 2, der ein Lagerelement 6 mit einem Innenring 8 und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern 7 aufweist. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben darge stellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Das Lagerelement 6 ist als einreihiges Kugellager ausgebildet, sodass die Wälzkörper 7 kugelförmig geformt sind. Der Innenring 8 weist eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Die erste Laufbahn 8a ist in einer ersten Nut 8b umlaufend an der Außenumfangsfläche des In nenrings 8 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der ersten Nut 8b an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ab. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 9, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufge schrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 9 von einem - hier nicht dar gestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 9 als Hohlwelle ausgebildet.
Ferner weist das Wellgetriebe 1 ein von dem Wellgenerator 2 umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außenverzahnung 3a und ein starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a auf. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezo gen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüber- liegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Rin gelements 4 im Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist als Hohlrad ausgebildet. An dem flexiblen Ringelement 3 ist eine zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 ausge bildet. Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a und der zweiten Laufbahn 3b einteilig ausgebildet. Ferner ist an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 eine zweite Nut 3c ausgebildet, wobei die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 geführt sind. Die zweite Laufbahn 3b ist in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ab. Die Wälzkörper 7 folgen der exzentrischen Form der ersten Laufbahn und verformen dadurch das flexible Rin gelement 3 mit der Außenverzahnung 3a. Aufgrund der geringfügig unterschiedlichen Anzahl von Zähnen zwischen der Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 und der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4, entsteht eine hohe Über setzung zwischen der Welle 9 und dem starren Ringelement 4.
Gemäß Figur 2 ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Rich tung mittig zu der Außenverzahnung 3a angeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein axialer Versatz der zweiten Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 von der axialen Mitte der Außenverzahnung 3a am flexiblen Ringelement 3 nicht größer als ein Radius der Wälzkörper 7. Dadurch wird ein besonders effizienter Zahneingriff realisiert. In Figur 2 wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 12. Zwischen einem ersten Roboter armsegment 12a und einem zweiten Roboterarmsegment 12b ist ein Gelenk 13 ange ordnet, das die beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b gelenkig miteinander verbindet. Zur Veränderung der Position der beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b zueinander weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen Elektromotor 15 und ein Wellgetriebe 1 gemäß den Figuren 1 und 2. Bezuqszeichenliste
1 Wellgetriebe
2 Wellgenerator 3 flexibles Ringelement
3a Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement 3b zweite Laufbahn an dem flexiblen Ringelement 3c zweite Nut an dem flexiblen Ringelement 4 starres Ringelement 4a Innenverzahnung an dem starren Ringelement 5a, 5b Zahneingriffsbereich 6 Lagerelement
7 Wälzkörper
8 Innenring 8a erste Laufbahn an dem Innenring 8b erste Nut an dem Innenring
9 Welle
10 Käfig 11 Rotationsachse 12 Roboter 12a erster Roboterarmsegment 12b zweiter Roboterarmsegment
13 Gelenk
14 Antriebseinheit 15 Elektromotor

Claims

Patentansprüche
1. Wellgetriebe (1 ) für einen Roboter (12), umfassend ein von einem Wellgenera tor (2) umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement (3) mit ei ner Außenverzahnung (3a) und ein starres Ringelement (4) mit einer Innenverzah nung (4a), wobei die Außenverzahnung (3a) des flexiblen Ringelements (3) zur Über tragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich (5a, 5b) mit der Innenverzahnung (4a) des starren Ringelements (4) im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator (2) ein unrund ausgebildetes Lagerelement (6) aufweist, umfassend Wälzkörper (7) und einen Innenring (8) mit einer ersten Laufbahn (8a) für die Wälz körper (7), wobei das Lagerelement (6) zumindest teilweise in das flexible Ringele ment (3) axial hineinragt, und wobei der Innenring (8) drehfest mit einer Welle (9) ver bunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem flexiblen Ringelement (3) eine zweite Lauf bahn (3b) für die Wälzkörper (7) ausgebildet ist.
2. Wellgetriebe (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Ringelement (3) zumindest mit der Au ßenverzahnung (3a) und der zweiten Laufbahn (3b) einteilig ausgebildet ist.
3. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (6) als einreihiges Kugellager ausgebildet ist.
4. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (7) des Lagerelements (6) in einem Käfig (10) geführt sind.
5. Wellgetriebe (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (10) des Lagerelements (6) aus einem Po lymerwerkstoff ausgebildet ist.
6. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (7) des Lagerelements (6) in einer ersten Nut (8b) an der Außenumfangsfläche des Innenrings (8) geführt sind.
7. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (7) des Lagerelements (6) in einer zweiten Nut (3c) an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements (3) geführt sind.
8. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Laufbahn (3b) für die Wälzkörper (7) in einem Bereich des flexiblen Ringelements (3) ausgebildet ist, der radial entgegenge setzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung (3a) angeordnet ist.
9. Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenverzahnung (3a) des flexiblen Ringele ments (3) zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf eine Rotationsachse (11) des Wellgenerators (2), zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbe reichen (5a, 5b) zumindest teilweise mit der Innenverzahnung (4a) des starren Rin gelements (4) im Zahneingriff steht.
10. Roboter (12), umfassend ein Wellgetriebe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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