und Spannunqswellenqetriebe mit dieser Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments welches in einem Spannungswellengetriebe eines Roboters auftritt. Insbesondere kommt die Vorrichtung in Robotergelenken zum Einsatz. Weiterhin betrifft die

Erfindung ein Spannungswellengetriebe.

Aus der DE 10 2010 029 186 A1 ist eine Messvorrichtung zum Ermitteln eines auf eine Achse wirkenden Drehmoments bekannt, wobei die Messvorrichtung eine erste und eine zweite Einrichtung aufweist. Die Einrichtungen sind dazu ausgebildet, jeweils ein dem Drehmoment zugeordnetes analoges elektrisches Signal zu erzeugen. Mittels nachgeschalteten Analogen-Digital-Wandlern und nachgeschalteten digitalen

Auswerteeinrichtungen werden zwei unabhängige Drehmomente ermittelt. Die

Einrichtungen sind durch auf mechanische Messkörper aufgebrachte

Dehnmessstreifen gebildet.

Die DE 10 2014 210 379 B4 beschreibt einen Drehmomentsensor und ein Verfahren zum Erfassen von an oder in einem Gelenk eines Gelenkarmroboters auftretenden Drehmomenten. Der Sensor umfasst mehrere Messspeichen, welche so gestaltet sind, dass sie sich unter Einwirkung eines Drehmoments verformen. Weiterhin umfasst der Sensor Dehnmessstreifen, welche an den Messspeichen angeordnet sind.

Die DE 10 2012 208 492 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer

Dehnmessstreifenanordnung an der Oberfläche eines Maschinenelements. Auf der Oberfläche ist eine verformungssensitive Messschicht mit darüber liegender

Schutzschicht aufgebracht. Die Schutzschicht wird lokal mittels Laserbearbeitung entfernt und die freigelegte Messschicht elektrisch kontaktiert. Weiterhin ist dieser Druckschrift zu entnehmen, dass eine Isolationsschicht zwischen der Oberfläche des Maschinenelements und der Messschicht angeordnet werden kann. Aus der DE 10 2014 219 737 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement anliegenden Drehmoments bekannt. An dem Bauteil ist ein Trägerbauteil angeordnet, auf welchem ein verformungssensitives Material als Beschichtung aufgebracht ist. Das verformungssensitive Material bildet eine

Drehmomenterfassungsanordnung.

Aus der DE 103 17 304 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen eines Abtriebsdrehmoments eines Elektromotors bekannt. Dem Elektromotor ist ein Getriebe mit Hohlrad nachgeordnet. Mittels eines Drehmomentsensors, welcher an dem Hohlrad ortsfest abgestützt ist, wird ein dynamisches Motordrehmoment erfasst.

Die DE 10 2013 204 924 A1 beschreibt eine Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Welle einwirkenden Drehmoments. Insbesondere ist die Anordnung Bestandteil einer Lenksäule eines Fahrzeugs. Die Anordnung umfasst einen lenkradseitigen ersten Lenkwellenabschnitt, einen lenkgetriebeseitigen zweiten Lenkwellenabschnitt und einen die Lenkwellenabschnitte verbindenden Torsionsabschnitt. Weiterhin umfasst die Anordnung eine Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung, welche einen Dehnungsmessstreifen aufweist.

Der Stand der Technik zeigt, dass zur Drehmomentmessung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments Messanordnungen zum Einsatz kommen, bei welchen Dehnungsmessstreifen außerhalb oder auf der Welle aufgebracht werden.

Bei Robotik-Getrieben ist es von großer Wichtigkeit das von einem

Spannungswellengetriebe übertragene Drehmoment genau zu bestimmen. So werden Roboterarme unter anderem in der Medizintechnik als Prothesen für Menschen verwendet, wobei der Roboterarm während des Betriebs sowohl feinmechanische als auch grobmechanische Bewegungen in unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bei unterschiedlichen Lasten durchführen muss. Dasselbe gilt für Industrieroboter.

Spannungswellengetriebe kommen unter anderem als Achsantriebe bei Robotern, Kraftfahrzeugen, in Werkzeugmaschinen und in Antrieben von Druckmaschinen zum Einsatz. Drehmoment übertragende Spannungswellengetriebe sind auch unter den Bezeichnungen Harmonie Drive oder Wellgetriebe bekannt. Ein Spannungs wellengetriebe umfasst regelmäßig eine Antriebswelle, eine elliptische Scheibe, einen Flexspline, einen Außenring, eine Antriebswelle und ein Gehäuse. Der Flexspline ist außenverzahnt und der Außenring ist innenverzahnt und die beiden Bauteile sind koaxial zueinander angeordnet, sodass die Verzahnungen ineinander greifen.

Es sind Vorrichtungen zur Drehmomentmessung in Roboterarmen bekannt, welche außerhalb des Getriebegehäuses des Roboterarms angebracht sind. So werden beispielsweise Verformungskörper mit darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen im Bereich der Roboterarme, insbesondere der Robotergelenke angeordnet. Mittels der Dehnungsmessstreifen werden Scherdehnungen erfasst, um das eingebrachte Moment am Robotergelenk zu bestimmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ausgehend vom Stand der Technik darin zu sehen, eine verbesserte Drehmomentmessvorrichtung bereitzustellen, welche bauraumsparend ausgebildet ist und welche gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und Robustheit aufweist.

Die genannte Aufgabe wir durch eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Spannungswellengetriebe gemäß Anspruch 9 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Messen eines Drehmoments eines Spannungswellengetriebes. Die Drehmomentmessvorrichtung umfasst ein Bauteil und mehrere auf dem Bauteil übereinander angeordnete Schichten, die Bestandteil einer Dehnungsmessstreifen-Direktbeschichtung sind. Unmittelbar auf dem Bauteil ist eine elektrisch isolierende Isolationsschicht angeordnet. Unmittelbar auf der

Isolationsschicht ist eine verformungssensitive Messschicht angeordnet.

Das Bauteil ist ein Bestandteil einer Robotik, insbesondere des Spannungswellen getriebes. Das die mehreren Schichten tragende Bauteil ist ein Flexspline. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie bauraumsparend gestaltet ist, da zusätzliche Verformungskörper, die lediglich der Momentenerfassung dienen, nicht benötigt werden. Ein weiterer Vorteil der

Vorrichtung ist, dass sie im Betrieb eine hohe Genauigkeit und Präzision ermöglicht sowie eine große Robustheit aufweist.

Das Bauteil ist bevorzugt aus einem Metall gebildet. Alternativ ist das Bauteil aus einem Halbleitermaterial. An seinem Außenradius weist der Flexspline eine

Verzahnung auf. Beispielsweise kann das Bauteil eine zylindrische Stahlbüchse sein, die in den gewünschten Grenzen flexibel ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der verformungssensitiven Messschicht eine Schutzschicht aufgebracht, die die unterhalb der Schutzschicht befindlichen Schichten vor Umwelteinflüssen schützt. Die Schutzschicht besteht vorzugsweise aus einem organischen Material. Alternativ bevorzugt besteht die Schutzschicht aus einem anorganischen Material.

Die Messschicht dient der Detektion einer Dehnung bzw. Scherung des Bauteils, wobei ein Drehmoment erfasst wird.

Die Messschicht weist bevorzugt ein Metall oder eine Legierung, insbesondere eine Nickellegierung auf. Vorzugsweise ist die Nickellegierung eine Nickelchrom-Legierung (NiCr).

Vorzugsweise weist die Messschicht eine Strukturierung auf. Besonders bevorzugt weist die Messschicht eine räumliche Strukturierung auf, die ein gestreiftes Muster bildet. Unterschiedliche Ausführungsformen können beispielsweise Streifen im

Winkelbereich zwischen 35° und 55° zur Bauteillängsachse besitzen. Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung mittels Laser oder durch Ätzen, wobei die Strukturierung erst nach dem Aufbringen der Messschicht auf dem Bauteil erfolgt.

Bevorzugt besteht die Isolationsschicht aus einem oder mehreren verschiedenen Oxiden. Alternativ besteht die Isolationsschicht aus Diamond Like Carbon (DLC). Die Isolationsschicht kann alternativ aus einem oder mehreren Oxiden und DLC bestehen. Besonders bevorzugt besteht die Isolationsschicht aus AI2O3 (Aluminiumoxid) oder/und S1O2 (Wollastonit).

Die Isolationsschicht kann beispielsweise in einem PVD-Verfahren (physical vapour deposition) oder einem PACVD-Verfahren (Chemical assisted physical vapour deposition) hergestellt sein. In einer Ausführungsform wird die Isolationsschicht durch eine Kombination aus dem PVD-Verfahren und dem PACVD-Verfahren erzeugt.

Vorzugsweise weist die auf das Bauteil aufgebrachte Schichtenfolge, bestehend aus Messschicht, Isolationsschicht und Schutzschicht, eine Gesamtdicke kleiner 200 pm auf. Besonders bevorzugt weist die Schichtenfolge aus Messschicht und

Isolationsschicht eine Gesamtdicke von weniger als 20 pm auf.

Auf dem Bauteil können vorzugsweise weitere Bauelemente angeordnet sein. In einer Ausführungsform sind auf dem Bauteil Elektronikbauteile zur Signalvorverstärkung und/oder zur Signalauswertung und/oder zur Signalübertragung angeordnet.

In einer Ausführungsform sind zwischen den Streifenabschnitten zumindest

abschnittsweise kontaktierende elektrische leitfähige Kontaktschichten ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe umfasst eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments gemäß der zuvor beschriebenen Vorrichtung mit all ihren Ausführungsformen. Weiterhin umfasst das Spannungswellengetriebe eine

Antriebswelle, einen Wellgenerator, der als Wälzlager mit nicht kreisförmigen, z. B. elliptischem Innenring und deformierbarem Außenring ausgebildet sein kann, ein Hohlrad und eine elastische Hülse, die als Flexspline bezeichnet wird. Letzteres Bauteil der Vorrichtung besitzt eine Außenverzahnung und das Hohlrad besitzt eine Innenverzahnung. Flexspline und Hohlrad sind koaxial zueinander angeordnet, sodass die Verzahnungen ineinander greifen. Der Innenring des Wellgenerators ist auf der Antriebswelle positioniert, sodass er das Bauteil antreibt. Vorzugsweise weist das Spannungswellengetriebe weiterhin ein Gehäuse auf, in dem die zuvor genannten Getriebebauteile zumindest teilweise angeordnet sind.

Vorteilhafterweise wird durch das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe Bauraum gespart, da die Vorrichtung und mit dieser die Beschichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und keine zusätzlichen Verformungskörper notwendig sind. Aufgrund der hohen Präzision, welche die Vorrichtung durch das exakte Erfassen eines Drehmoments ermöglicht, sind die Vorrichtung und das

Spannungswellengetriebe in der Robotik anwendbar und sehr vorteilhaft.

Insbesondere sind die Vorrichtung und das Spannungswellengetriebe beim Schutz vor Kollisionen bzw. bei der Kraft- und Steifigkeitsregelung von Vorteil.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht und eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht und eine Detailansicht der in Fig. 1 gezeigten

Vorrichtung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform Vorrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 5 eine Schnittansicht und eine Detailansicht der in Fig. 4 gezeigten

Seitenansicht der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht und eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung stellt ein in einem

Spannungswellengetriebe anwendbares Flexspline dar, wobei das Flexspline aus einer Scheibe 01 und einem an die Scheibe axial anschließenden zylindrischen Bauteil 02 besteht. Vorzugsweise besteht der Flexspline aus Stahl. Das zylindrische Bauteil 02 bzw. die Flülse ist an dem Innendurchmesser der Scheibe 01 angeordnet. Das zylindrische Bauteil 02 weist an seinem von der Scheiben 01 abgewandten Abschnitt eine Außenverzahnung 03 auf. An dem zur Scheibe 01 hingewandten Abschnitt des Außenumfangs des zylindrischen Bauteils 02 ist eine

verformungssensitive Messsicht 04 in Form eines Dehnmessstreifens, insbesondere in Form eines Sensotect-Dehnmessstreifens angeordnet. Zwischen dem

Grundmaterial des zylindrischen Bauteils 02 und der verformungssensitiven

Messschicht 04 ist eine isolierende Isolationsschicht 06 ausgebildet. Mittels der verformungssensitiven Messschicht 04 wird ein Drehmoment des

Spannungswellengetriebes ermittelt. Vorzugsweise weist die Messschicht eine Strukturierung auf, die ein gestreiftes Muster bildet.

Weiterhin ist in Fig. 1 eine Detailansicht der verformungssensitiven Messschicht 04 gezeigt. Die ausgebildete Struktur der Messschicht 04 verläuft im dargestellten Beispiel in zahlreichen Mäandern, wobei die Achsen der nicht gekrümmten Abschnitte der Struktur geneigt zur Zylinderachse des Bauteils 02 stehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat u.a. den Vorteil, dass sie Bauraum sparend ausgebildet ist.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Flexspline mit der Scheibe 01 und dem zylindrischen Bauteil 02 dargestellt. In einer Detailansicht der Fig. 2 ist die Schichtenfolge der Vorrichtung dargestellt. Auf dem aus Stahl bestehenden zylindrischen Bauteil 02 ist die Isolationsschicht 06 aufgebracht, auf welcher die verformungssensitive Messschicht 04 und eine darauf angeordnete Schutzschicht 07 aufgebracht sind. Die verformungssensitive Messsicht 04 ist eine strukturierte NiCr- Funktionsschicht.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine nicht beanspruchte Ausführungsform der

Vorrichtung. Abweichend zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, weist hier die Scheibe 01 die verformungssensitive Messschicht 04 auf. An dem Außenumfang des zylindrischen Bauteils 02 ist keine verformungssensitive Messschicht ausgebildet. Die einzelnen Bestandteile der verformungssensitive Messschicht 04 sind umfänglich verteilt auf der Scheibe 01 angeordnet. Die Vorrichtung ist hier als eine Kragenhülse gestaltet.

In der Fig. 4 ist eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigten Kragenhülse dargestellt. Da die verformungssensitive Messschicht 04 auf der Scheibe 01 ausgebildet ist, fehlt die Messsicht am Außenumfang des zylindrischen Bauteils 02. Im von der Scheibe 01 abgewandten Bereich des zylindrischen Bauteils 02 ist weiterhin die Verzahnung 03 am Außenumfang ausgebildet. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 4 gezeigten Seitenansicht der Vorrichtung. Weiterhin zeigt die Fig. 5 eine Detailansicht der Schichtenfolge der Scheibe 01. Auf der Stahlscheibe 01 ist die Isolationsschicht 06, vorzugsweise aus AI2O3 bestehend, angeordnet. Auf der Isolationssicht 06 ist die verformungssensitive Messsicht 04 mit einer darauf befindlichen Schutzschicht 07 angeordnet. Zwischen den einzelnen verformungssensitiven Messschichten 04 befinden sich Kontaktschichten 08 für die elektrische Kontaktierung.

Bezuqszeichenliste

01 Scheibe

02 zylindrisches Bauteil

03 Außenverzahnung

04 verformungssensitive Messschicht

05 -

06 Isolationsschicht

07 Schutzschicht

08 Kontaktschicht