Die Erfindung betrifft ein mechanisches Überlast-Schaltwerk zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten

Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten

Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied in einem Antriebsstrang.

Die DE 20 2013 003 594 U1 beschreibt eine Armanordnung für einen

Industrieroboter, wobei die Armanordnung ein Schneckenelement, ein

Zahnradelement in Eingriff mit dem Schneckenelement, und ein Armelement enthält, wobei das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben und das Armelement zu bewegen, und wobei das Schneckenelement zwischen einer ersten Position, in der das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben, und einer zweiten Position bewegbar ist, in der eine Relativbewegung zwischen dem Schneckenelement und dem Zahnradelement verhindert wird, ferner enthaltend einen Pneumatikzylinder zum Bewegen des Schneckenelements zwischen der ersten Position und der zweiten Position, wobei das Schneckenelement auf einer Plattform gehalten wird, die durch besagten Pneumatikzylinder bewegbar ist, und wobei besagte Plattform über einer Basis gehalten wird und relativ dazu schwenk- bzw. drehbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mechanisches Überlast-Schaltwerk zu schaffen, das auch unter hoher Übertragungslast in zuverlässiger Weise in seinen gelösten Zustand schaltet und nach einem Auslösen zuverlässige in dem ausgelösten Zustand verbleibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mechanisches Überlast- Schaltwerk zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten

Übertragungsglied in einem Antriebsstrang, aufweisend ein das erste

Übertragungsglied lagerndes Schaltglied, das in einem Gestell verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung, die durch ein

Zusammenwirken eines ersten Federmittels und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel arbeitendes zweites Federmittels eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten Übertragungsglied zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung, in welcher das Schaltglied bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste Federmittel hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung, in welcher das Schaltglied bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines

entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der

entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel hineinbewegt ist.

Das mechanische Überlast-Schaltwerk ist insbesondere ausgebildet innerhalb eines Antriebstranges die übertragene Kraft oder die Kräfte und/oder das übertragene Drehmoment oder die Drehmomente zu überwachen, ob sie eine vordefinierte Maximalkraft oder ein Maximalmoment überschreiten. Falls die jeweilige Kraft die vordefinierte Maximalkraft überschreitet oder das jeweilige Moment das vordefinierte Maximalmoment überschreiten, trennt das mechanische Überlast-Schaltwerk den Antriebstrang, so dass eine Übertragung unterbrochen ist, d.h. keine Kraft und/oder kein Moment mehr über den Antriebstrang über das mechanische Überlast-Schaltwerk hinweg übertragen werden kann. Das mechanische Überlast-Schaltwerk ist eingerichtet, rein mechanisch zu arbeiten, d.h. das mechanische Überlast-Schaltwerk ist ausgebildet, ohne eine vom mechanischen Überlast-Schaltwerk externe Energieversorgung, wie eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Energieversorgung zu arbeiten. Das mechanische Überlast-Schaltwerk wird allein durch die durch den Antriebstrang geleitete Kraft oder das Moment betätigt d.h. das Schaltglied bewegt.

Mechanische Federmittel steuern und/oder unterstützen die Schaltvorgänge des Schaltglieds bzw. definieren durch Ihre Positionen, Lagen und/oder

Federsteifigkeiten und Federkennlinien die vorgegebene Maximalkraft oder das vorgegebene Maximalmoment. Die vorgegebene Maximalkraft und das vorgegebene Maximalmoment bestimmen insoweit die Grenzkräfte bzw.

Grenzmomente an denen das mechanische Überlast-Schaltwerk umschaltet.

Der Antriebsstrang kann im einfachsten Fall eine Schubstange aufweisen, über die im einfachsten Fall lediglich eine einzige Zugkraft und/oder Druckkraft übertragen wird. Der Antriebsstrang kann in einer anderen einfachen Ausführung einen Hebel aufweisen, über den im einfachsten Fall lediglich ein einziges

Moment übertragen wird. In einer höher komplexen Ausführung kann der

Antriebsstrang eine Welle aufweisen, beispielsweise eine Welle in einem

Getriebe, über die ein Drehmoment übertragen wird.

Das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied können insoweit beispielsweise lediglich zwei ineinandergreifende Klauen sein, die eine Kupplung schalten, kraftschlüssig zusammenwirkende Reibelemente sein, oder im Falle eines Getriebes beispielsweise zwei in einem eingerückten Zustand miteinander kämmende Zahnräder sein.

Das Schaltglied kann somit entweder ein Schaltschieber oder eine Schaltwippe sein. Im Falle eines Schaltschiebers würde sich das Schaltglied insoweit zumindest im Wesentlichen translatorisch d.h. linear bewegen und im Falle einer Schaltwippe würde sich das Schaltglied insoweit zumindest im Wesentlichen rotatorisch d.h. drehend bewegen. Das Schaltglied kann ggf. auch eine

überlagerte Bewegung ausführen, die sowohl einen linearen als auch einen drehenden Bewegungsanteil aufweist.

In der ersten stabilen Stellung des Schaltglieds ist das erste Übertragungsglied mit dem zweiten Übertragungsglied in Wirkverbindung, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig im Eingriff, so dass zumindest eine Kraft und/oder zumindest ein Drehmoment über den Antriebsstrang übertragen wird. Im Hinblick auf die Funktion des mechanischen Überlast-Schaltwerks weist die übertragene Kraft und/oder das übertragene Moment einen Betrag auf, der kleiner ist, als die vorgegebene Maximalkraft oder das vorgegebene Maximalmoment. Sowohl in der zweiten stabilen Stellung als auch in der dritten stabilen Stellung sind das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied ausgerückt, d.h. es besteht in der zweiten stabilen Stellung und in der dritten stabilen Stellung jeweils keine Wirkverbindung mehr zwischen dem ersten Übertragungsglied und dem zweiten Übertragungsglied und eine Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments über den Antriebsstrang ist unterbunden. Das mechanische Überlast- Schaltwerk nimmt die zweite stabile Stellung ein, wenn die das Stellglied bewegende, auslösende Maximalkraft oder das auslösende Maximalmoment in die eine Richtung wirkt und das mechanische Überlast-Schaltwerk nimmt die dritte stabile Stellung ein, wenn die das Stellglied bewegende, auslösende Maximalkraft oder das auslösende Maximalmoment in die andere d.h. entgegengesetzte Richtung wirkt.

Das erste Federmittel und das zweite Federmittel sind ausgebildet, je nach einwirkender Kraft oder Moment das Stellglied in der ersten stabilen Stellung zu halten, in der zweiten stabilen Stellung zu halten oder in der dritten stabilen Stellung zu halten.

In der ersten stabilen Stellung des Stellglieds wirken sowohl das erste Federmittel als auch das zweite Federmittel auf das Stellglied ein, um das Stellglied durch antagonistisch wirkende Federmittel in der ersten stabilen Stellung zu halten, wenn die übertragene Kraft kleiner als die Maximalkraft ist und/oder das übertragene Moment kleiner als das Maximalmoment ist.

In der zweiten stabilen Stellung des Stellglieds wirkt lediglich das erste

Federmittel, um das Stellglied in der zweiten stabilen Stellung zu halten, wenn die Maximalkraft und/oder das Maximalmoment das Stellglied ausgelöst hat. Das zweite Federmittel entfaltet in der zweiten stabilen Stellung vorzugsweise keine Wirkung auf das Stellglied.

In der dritten stabilen Stellung des Stellglieds wirkt lediglich das zweite

Federmittel, um das Stellglied in der dritten stabilen Stellung zu halten, wenn die entgegengesetzte Maximalkraft und/oder das entgegengesetzte Maximalmoment das Stellglied ausgelöst hat. Das erste Federmittel entfaltet in der dritten stabilen Stellung vorzugsweise keine Wirkung auf das Stellglied.

Das Gestell bildet einen Lagersitz für das bewegliche Stellglied. Das Gestell ist vorzugsweise starr mit Federsitzen gekoppelt, an denen das erste Federmittel und das zweite Federmittel sich abstützen, und zwar einer gegenüberliegenden Seite des ersten Federmittels bzw. des zweiten Federmittel von derjenigen Seite, mit der das erste Federmittels bzw. das zweite Federmittel an das Stellglied angekoppelt ist. Das Gestell kann ein Gehäuse einer Maschine bzw. des

Antriebsstranges sein. Im bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung ist das Gestell ein Gehäuseteil eines Roboterarms.

Das Schaltglied kann als eine Schaltwippe ausgebildet sein, indem das

Schaltglied mittels einer Viergelenk-Anordnung in dem Gestell gelagert ist, wobei das Schaltglied ein erstes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer ersten Schwinge schwenkbar gelagert ist, das Gestell ein zweites

Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der ersten Schwinge schwenkbar gelagert ist, das Schaltglied ein drittes Drehgelenk aufweist, an dem ein erster Endabschnitt einer zweiten Schwinge schwenkbar gelagert ist, und das Gestell ein viertes Drehgelenk aufweist, an dem ein zweiter Endabschnitt der zweiten Schwinge schwenkbar gelagert ist, und das Schaltglied außerdem einen ersten Federangriffspunkt aufweist, an dem das erste Federmittel an das

Schaltglied angekoppelt ist und einen zweiten Federangriffspunkt aufweist, an dem das zweite Federmittel an das Schaltglied angekoppelt ist.

Die Viergelenk-Anordnung bildet somit ein Koppelgetriebe mit vier

Festkörpergliedern, die mittels vier Drehgelenken verbunden sind. Insoweit wird bei diesem Koppelgetriebe ein erstes Festkörperglied durch das Gestell gebildet, ein (gegenüberliegendes) zweites Festkörperglied durch das Schaltglied, insbesondere die Schaltwippe gebildet, das dritte Festkörperglied durch die erste Schwinge gebildet und das vierte Festkörperglied durch die zweite Schwinge gebildet. Die Viergelenk-Anordnung ist insoweit ein ebenes Koppelgetriebe, da die Drehachsen der vier Drehgelenke parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch die Viergelenk-Anordnung bzw. das Koppelgetriebe entstehen insoweit die für Koppelgetriebe typischen Koppelkurven, welche die Bewegungsbahn des

Schaltglieds d.h. der Schaltwippe darstellen. Vorzugsweise sind die erste

Schwinge und die zweite Schwinge gleich lang. Vorzugsweise sind das erste Federmittel und das zweite Federmittel symmetrisch angeordnet und/oder identisch ausgebildet, insbesondere weisen das erste Federmittel und das zweite Federmittel die gleiche Federcharakteristik, insbesondere Federsteifigkeit auf.

Die Stablängen der ersten Schwinge und der zweiten Schwinge, sowie die

Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks können somit eine trapezförmige Gelenkkoppelanordnung ausbilden, welche von einer dem zweiten

Übertragungsglied gegenüberliegenden Seite des Schaltglieds ausgehend das Schaltglied in der ersten stabilen Stellung des Überlast-Schaltwerks hält, wenn die Gelenkkoppelanordnung ein symmetrisches Trapez bildet.

Der Abstand der beiden Drehgelenke an der Schaltwippe, d.h. der Abstand des ersten Drehgelenks von dem dritten Drehgelenk, ist insbesondere kleiner, als der Abstand der beiden Drehgelenke an dem Gestell, d.h. der Abstand des zweiten Drehgelenks von dem vierten Drehgelenk. Die Viergelenk-Anordnung ist insbesondere dem Eingriffsbereich des ersten Übertragungsglieds mit dem zweiten Übertragungsglied gegenüberliegend an der Schaltwippe angeordnet.

Die Stablängen der ersten Schwinge und der zweiten Schwinge, sowie die

Positionen und Abstände des ersten Drehgelenks, des zweiten Drehgelenks, des dritten Drehgelenks und des vierten Drehgelenks der trapezförmigen

Gelenkkoppelanordnung können ausgebildet sein, im Auskopplungspunkt der Schaltwippe, in dem das erste Übertragungsglied vollständig von dem zweiten Übertragungsglied außer Eingriff gerät, wenn das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die zweite stabile Stellung umschwenkt, das erste Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das erste Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem dritten Drehgelenk gegenüber liegt, und im Auskopplungspunkt der Schaltwippe, in dem das erste Übertragungsglied vollständig von dem zweiten Übertragungsglied außer Eingriff gerät, wenn das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die dritte stabile Stellung umschwenkt, das dritte Drehgelenk über eine Verbindungslinie zwischen dem zweiten Drehgelenk und dem vierten Drehgelenk Übertritt, so dass das dritte Drehgelenk bezüglich der Verbindungslinie dem ersten Drehgelenk gegenüber liegt.

Der erste Federangriffspunkt und der zweite Federangriffspunkt der Viergelenk- Anordnung können gegenüberliegend an der Schaltwippe angeordnet sein und zwar hinsichtlich Position und Abstand derart, sowie hinsichtlich der

Kraftrichtungen des ersten Federmittels und des zweiten Federmittels derart, dass am Kipp-Punkt der Schaltwippe, an dem das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die zweite stabile Stellung umschwenkt, das erste Federmittel entspannt ist oder von der Schaltwippe abgekoppelt ist und das zweite Federmittel maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des zweiten Federmittels durch den Momentanpol der Schaltwippe läuft, oder am Kipp-Punkt der Schaltwippe, an dem das Überlast-Schaltwerk von der ersten stabilen Stellung in die dritte stabile Stellung umschwenkt, das zweite Federmittel entspannt ist oder von der

Schaltwippe abgekoppelt ist und das erste Federmittel maximal komprimiert ist, wobei die Kraftrichtung des ersten Federmittels durch den Momentanpol der Schaltwippe läuft.

In allen Ausführungsvarianten kann generell die Viergelenk-Anordnung statt durch ein mehrteiliges mechanisches Stabwerk in analoger Anwendung auch durch eine Festkörpergelenkanordnung realisiert werden. Die Festkörpergelenkanordnung kann einteilig sein. Die Festkörpergelenkanordnung kann insbesondere durch einen entsprechend formgestalteten nachgiebigen Körper, wie beispielsweise einen Gummikörper oder einen Elastomerkörper gebildet werden.

Das auf dem Schaltglied gelagerte erste Übertragungsglied kann mittels eines Motors angetrieben sein, der auf dem Schaltglied angeordnet ist, so dass der Motor zusammen mit dem ersten Übertragungsglied bei einer Schaltbewegung des Schaltglieds mitbewegt wird. Der Motor dient zur Erzeugung eines

Drehmoments, das über das erste Übertragungsglied in das zweite

Übertragungsglied eingeleitet wird, um das über den Antriebstrang zu

übertragende Drehmoment bereitzustellen. Der Motor kann insbesondere ein elektrischer Motor sein. Der Motor kann einen Antrieb innerhalb eines

Roboterarmes darstellen, der ausgebildet ist, wenigstens ein Gelenk des

Roboterarmes zu bewegen, um die aktuelle Stellung der Gelenke des

Roboterarmes zu verändern, d.h. den Roboterarm zu bewegen.

Das erste Übertragungsglied kann ein erstes Zahnrad, insbesondere ein

Antriebszahnrad, eines Getriebes und das zweite Übertragungsglied kann ein zweites Zahnrad, insbesondere ein Abtriebszahnrad, des Getriebes sein, in welches Getriebe das Überlast-Schaltwerk integriert ist.

Das Getriebe kann Teil eines Roboterarms sein. Insbesondere kann das Getriebe einen Teil eines Antriebsstranges zum Bewegen eines Gelenks des Roboterarms bilden.

Das Getriebe kann als ein Schneckengetriebe ausgebildet sein oder das Getriebe kann eine Schneckengetriebestufe aufweisen, wobei das erste Übertragungsglied durch eine Schnecke des Schneckengetriebes oder der Schneckengetriebestufe und das zweite Übertragungsglied durch ein mit der Schnecke

zusammenwirkendes Schneckenrad des Schneckengetriebes oder der

Schneckengetriebestufe gebildet wird.

Alternativ oder ergänzend zu einem Getriebe kann das erste Übertragungsglied auch ein erstes Kupplungsglied einer ausrückbaren Kupplung sein und das zweite Übertragungsglied kann dabei ein mit dem ersten Kupplungsglied

zusammenwirkendes zweites Kupplungsglied der ausrückbaren Kupplung sein, in welche Kupplung das Überlast-Schaltwerk integriert ist. Das Überlast-Schaltwerk kann eine Komponente im Antriebsstrang, insbesondere in einem Getriebe oder einer Kupplung eines Antriebs eines Gelenkes in einem Roboterarm sein.

In einer konkreten vorteilhaften Ausführung kann das erste Übertragungsglied von einer Schnecke eines Schneckengetriebes gebildet werden. Dabei kann das zweite Übertragungsglied als ein Schneckenrad ausgebildet sein. Das Gestell kann beispielsweise ein Gehäuse des Roboterarms sein. Das Schaltglied kann in der konkreten Ausführung von einer Schaltwippe gebildet werden, an der die Schnecke um ihre Schneckenachse drehbar gelagert ist. Das erste Federmittel kann dabei von einer ersten Druckfeder gebildet werden und das zweite

Federmittel kann von einer zweiten Druckfeder gebildet werden. Die erste

Druckfeder und/oder die zweite Druckfeder können insbesondere jeweils als wenigstens eine Federwendel oder als wenigstens ein Elastomer-Federkörper ausgebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann das mechanische Überlast- Schaltwerk einen Kraftsensor, insbesondere eine Wägezelle aufweisen, der(die) ausgebildet und/oder eingerichtet ist, eine Axialkraft an der Lageranordnung der Welle, welche die Schnecke trägt, erfasst. Insoweit kann eine Erfassung bzw. Messung der Axialkraft im Koppelträger d.h. in der Schaltwippe erfolgen.

Der Kraftfluss stellt sich dabei folgendermaßen dar, er läuft ausgehend vom Schneckenrad über die Schnecke in das Lager der Schnecke und von dort aus in einen Deckel des Kraftsensors bzw. der Wägezelle und nach dem Kraftsensor bzw. der Wägezelle beispielsweise über ein Abschlussblech und einer

Verschraubung in den Koppelträger d.h. die Schaltwippe.

Da der Kraftsensor bzw. die Wägezelle im Allgemeinen keine Zugkräfte messen kann, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Schnecke mit der Hälfte des Messbereichs vorgespannt sein. Dazu können auf der einen axialen Seite der Schnecke zwei Federn, beispielsweise zwei Tellerfedern zwischen einem Absatz der Schnecke und dem Lager angeordnet sein. Diese werden beispielsweise über das Anziehen der Verschraubung des Abschlussbleches vorgespannt. Es entsteht eine sogenannte elastische Anstellung. In einem speziellen Fall wird die Lagerung beispielsweise über Schrägkugellager realisiert. Je nach Belastung lassen sich allerdings auch Gleitlager mit Bund oder Rillenkugellager verwenden. Wirkt die Axialkraft nun in Richtung der Federn, sinkt die auf den Kraftsensor bzw. die Wägezelle wirkende Kraft. Wirkt die Axialkraft hingegen in die andere Richtung wird der Kraftsensor bzw. die Wägezelle stärker belastet. Um auf das Moment zu schließen wird die Axialkraft mit dem Radius des Wirkkreises des Schneckenrads multipliziert.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Lastunterbrechung in einem Antriebsstrang eines Gelenkantriebs, insbesondere eines Gelenks eines

Roboterarms, aufweisend den Schritt des Trennens der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments zwischen einem ersten Übertragungsglied und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied in einem Antriebsstrang, wobei in einer ersten stabilen Stellung eines das erste Übertragungsglied und das zweite Übertragungsglied trennenden und/oder koppelnden Schaltglieds, eine Übertragung der Kraft und/oder des Moments stattfindet, das Schaltglied bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung hineinbewegt wird, wenn eine

Maximalkraft oder ein Maximalmoment während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments Überschritten wird, oder in eine dritte stabile Stellung hineinbewegt wird, wenn eine entgegengesetzten Maximalkraft oder ein

entgegengesetztes Maximalmoment während der Übertragung der

entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments überschritten wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Schaltglied bei Überlast je nachdem entweder in die zweite stabile Stellung durch eine vorgespannte erste Federkraft hineinbewegt werden, wenn eine Maximalkraft oder ein

Maximalmoment während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments Überschritten wird, oder in eine dritte stabile Stellung durch eine vorgespannte zweite Federkraft hineinbewegt werden, wenn eine entgegengesetzten Maximalkraft oder ein entgegengesetztes Maximalmoment während der

Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments überschritten wird.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden

Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Roboterarm,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Antriebstranges mit einem erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerk,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Schneckengetriebes mit einer konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks,

Fig. 4 bis 10 Seitenansichten des beispielhaften Schneckengetriebes mit der konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks gemäß Fig. 3 in den verschiedenen Phasen und Zuständen im zeitlichen Ablauf eines Ausrückens des Überlast- Schaltwerks,

Fig. 1 1 eine Seitenansicht des Überlast-Schaltwerks in einer zur Fig. 10 in entgegengesetzte Richtung ausgerückten Endstellung des Überlast- Schaltwerks,

Fig. 12 drei Darstellungen von Koppelkurven mit dem Federangriffspunkt am Koppelträger in den unterschiedlichen Bereichen in den Phasen, und Fig. 13 eine Schnittdarstellung des Überlast-Schaltwerks mit einer Wägezelle.

Die Fig. 1 zeigt einen Roboter, der einen Roboterarm 7 und eine

Robotersteuerung 20 aufweist. Der Roboterarm 7 umfasst im Falle des

vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke 21 verbundene Glieder 22. Bei den Gliedern 22 handelt es sich insbesondere um ein Grundgestell 23 und ein relativ zum Grundgestell 23 um eine vertikal verlaufende Drehachse A1 drehbar gelagertes Karussell 24. Eine

Schwinge 25 ist am unteren Ende z.B. an einem nicht näher dargestellten

Schwingenlagerkopf auf dem Karussell 24 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 25 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Drehachse A3 ein

Armausleger 26 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 27 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Der Armausleger 26 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen schwenkbar an der Schwinge 25 gelagerten Grundarm 29 auf. An dem Grundarm 29 ist ein Vorderarm 30 des Armauslegers 26 um die Drehachse A4 drehbar gelagert. Weitere Glieder des Roboterarms 7 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels neben dem Grundgestell 23, dem Karussell 24, der Schwinge 25 und dem Grundarm 29, außerdem die Glieder 22 der vorzugsweise mehrachsigen Roboterhand 17 mit einer als Anschlussflansch 28 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum

Befestigen eines nicht dargestellten Endeffektors, wie beispielsweise eines Werkzeugs oder eines Greifers.

Die Fig. 2 zeigt schematisch ein allgemeines, erfindungsgemäßes mechanische Überlast-Schaltwerk 1 zum Trennen der Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments, erzeugt durch einen Motor 1 1 , zwischen einem ersten

Übertragungsglied 2 und einem im Zustand der Übertragung mit dem ersten Übertragungsglied 2 zusammenwirkenden zweiten Übertragungsglied 4 in einem Antriebsstrang 16, aufweisend ein das erste Übertragungsglied 2 lagerndes Schaltglied 8, das in einem Gestell 5 (Fig. 3) verstellbar gelagert ist, und zwar verstellbar aus einer ersten stabilen Stellung S1 , die durch ein Zusammenwirken eines ersten Federmittels 9 und eines zumindest teilweise entgegen dem ersten Federmittel 9 arbeitendes zweites Federmittels 10 eingehalten ist und in der das erste Übertragungsglied 2 zur Übertragung der Kraft und/oder des Moments mit dem zweiten Übertragungsglied 4 zusammenwirkt, bei Überlast je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung S2, in welcher das Schaltglied 8 bei Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch das erste Federmittel 9 hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung S3, in welcher das Schaltglied 8 bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines

entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der

entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch das zweite Federmittel 10 hineinbewegt ist.

Die Fig. 3 bis Fig. 13 beschreiben den konstruktiven Aufbau eines konkreten Beispiels eines erfindungsgemäßen mechanischen Überlast-Schaltwerks 1.

In dieser konkreten Ausführung wird das erste Übertragungsglied 2 von einer Schnecke 2a eines Schneckengetriebes 3 gebildet. Demgemäß ist das zweite Übertragungsglied 4 als ein Schneckenrad 4a ausgebildet. Das Gestell 5 kann beispielsweise ein Gehäuse 6 eines Roboterarms 7 sein. Das Schaltglied 8 wird in der dargestellten konkreten Ausführung von einer Schaltwippe 8a gebildet, an der die Schnecke 2a um ihre Schneckenachse drehbar gelagert ist. Das erste

Federmittel 9 wird von einer ersten Druckfeder 9a gebildet und das zweite

Federmittel 10 wird von einer zweiten Druckfeder 10a gebildet.

In der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4, die durch ein Zusammenwirken der ersten Druckfeder 9a und der zumindest teilweise entgegen der ersten Druckfeder 9a arbeitenden zweiten Druckfeder 10a eingehalten ist, greift die Schnecke 2a zur Übertragung eines Moments in das Schneckenrad 4a ein, so dass das

Drehmoment im Schneckengetriebe 3 übertragen wird.

Bei Überlast schaltet das Überlast-Schaltwerk 1 je nachdem entweder in eine zweite stabile Stellung gemäß Fig. 10, in welcher die Schaltwippe 8a bei

Überschreiten einer Maximalkraft oder eines Maximalmoments während der Übertragung der Kraft und/oder des Moments durch die erste Druckfeder 9a hineinbewegt ist, oder in eine dritte stabile Stellung gemäß Fig. 1 1 , in welcher die Schaltwippe 8a bei Überschreiten einer entgegengesetzten Maximalkraft oder eines entgegengesetzten Maximalmoments während der Übertragung der entgegengesetzten Kraft und/oder des entgegengesetzten Moments durch die zweite Druckfeder 10a hineinbewegt ist.

Im folgenden Abschnitt werden die unterschiedlichen Phasen beispielhaft anhand der Bewegung der Schaltwippe 8a von der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4 in die zweite stabile Stellung gemäß Fig. 10 beschrieben. Diese Beschreibung trifft analog auch für die umgekehrte Bewegung der Schaltwippe 8a von der ersten stabilen Stellung gemäß Fig. 4 in die dritte stabile Stellung gemäß Fig. 1 1 zu, wenn ein entgegengesetztes Drehmoment durch das Schneckengetriebe 3 geleitet wird, beispielsweise im Falle einer Drehrichtungsumkehr.

Die Schnecke 2a wird beispielsweise wie in Fig. 3 aufgezeigt ist, antriebsseitig über einen Elektromotor 1 1 mit vorgeschaltetem Vorgetriebe 12 in Bewegung versetzt. In dieser Konstruktion wird beispielsweise ein bürstenloser

Gleichstrommotor mit einer maximalen Drehzahl von 32000 Umdrehungen pro Minute verwendet. Zur Reduzierung der Drehzahl ist ein zweistufiges

Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1 :18 nachgeschaltet. Mit Hilfe einer Klemmkupplung wird dieses abtriebsseitig mit der Schnecke 2a verbunden. Durch das Übersetzungsverhältnis der Schnecke 2a zum Schneckenrad 4a von 1 :50 ergibt sich eine Mindestgeschwindigkeit von 1807s am Schneckenrad 4a sowie ein Drehmoment von mindestens 25 Nm. Damit wird beispielsweise bei dem Roboterarm 7 (Fig. 1 ) in einer seriellen Sechsachskonfiguration und einer

Verwendung der hier beschriebenen Variante des Getriebes in der zweiten Achse eine Traglast von 1 kg bei einer Reichweite von 700 mm ermöglicht. Wobei die hier vorgestellte Konstruktion nur eine von vielen möglichen Varianten ist. Beim Schneckengetriebe 3 sind Übersetzungen bis zu 1 :100 möglich. Antriebsseitig können diverse Antriebe verwendet werden, wie z.B. Schrittmotoren oder bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Dies gilt auch für die Wahl eines

möglichen Zwischengetriebes bzw. Vorgetriebes 12. Neben dem hier verwendeten Planetengetriebe, sind z.B. auch eine Riemenstufe oder auch das Weglassen des Getriebes denkbar. Im Falle des beispielhaften Schneckengetriebes 3 wird die Sicherheitsfunktion vorzugsweise über einen Vier-Gelenk-Aufbau realisiert. Die beiden Schwingen 13.1 und 13.2 bilden dabei die Verbindung zwischen dem Gestell 5 respektive der Roboterstruktur und einem Koppelträger, welcher auch einen Schneckenhalter bildet und die Schaltwippe 8a ist. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist so konstruiert, dass diese in einer späteren Serienanwendung im kostengünstigen Spritzgussverfahren aus Kunststoff herstellbar ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit diesen aus Aluminium oder anderen Metallen zu fertigen. Der

Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a dient als Träger für die Schnecke 2a und deren Lagerung sowie noch später beschriebene Bauteile für eine Kraftmessung.

Weiterhin ist der Motor 1 1 über einen Motorhalter mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a verbunden. Auf den Koppelträger wirken somit die durch den Schneckeneingriff verursachten Axialkräfte wie auch die durch den Motor 1 1 aufgebrachten Torsionskräfte. Außerdem muss der Koppelträger die Gelenkkräfte der beiden Schwingen 13.1 und 13.2 aufnehmen, die je nach Lage des

Koppelträgers Zug oder Druck beansprucht sind. Da die Druckkräfte tendenziell höher sind, wurde der Koppelträger so ausgeführt, dass die Gelenke in einer Gelenkpfanne angeordnet sind und somit die Kräfte möglichst großflächig und direkt in den Koppelträger gelenkt werden.

Auf der Oberseite des Koppelträgers wirken die beiden Federkräfte F1 und F2. In dieser Konstruktion sind die beiden Druckfedern 9a und 10a mit der

Roboterstruktur d.h. dem Gehäuse 6 verbunden und werden durch das Ausrücken des Koppelträgers gestaucht. Am Koppelträger sind zwei rund ausgeformte Nasen, die dafür sorgen, dass die beiden Federkräfte möglichst senkrecht zur Oberfläche wirken und eine schonende Aufnahme der Druckkräfte ermöglichen. Die geometrischen Kenngrößen des Vier-Gelenk-Aufbaus folgen aus den

Bedingungen an den Mechanismus wie auch aus dem gegebenen Bauraum und den einzelnen Bauteilen. So sind zum einen die Größe der Schnecke 2a und des Schneckenrads 4a sowie der Bauraum des Motors 1 1 vorgegeben. Das heißt es muss eine ausreichende Drehfreiheit für die Bauteile gegeben sein. Für die Konstruktion beispielsweise als ein Roboterarm 7 ist es unabdingbar, dass diese zum einen die Kräfte an den Gelenkpunkten aufnimmt, sowie an den Federpunkten ausreichend steif ist. Der Koppelträger wiederum muss an seinen glatten Außenflächen in der Ebene geführt werden, da es sich bei dem Aufbau um einen zweidimensionalen Mechanismus handelt. Durch die Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a bewegt sich der Motor 1 1 mit, da dieser starr mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a verbunden ist. Es ist dafür notwendig innerhalb der Struktur diesen Bewegungsfreiraum für den Motor 1 1 zu beachten.

In einer weiteren Variante kann der Bauraum des Gelenks optimiert werden. So lässt sich durch die Verwendung einer anderen Schneckenpaarung z.B. durch die Wahl einer anderen Übersetzung die Baugröße minimieren.

Die beiden Federkräfte F1 und F2 können in diesem Beispiel auch als Elastomer- Federelemente realisiert sein, wie dies beispielsweise in Fig. 3 angedeutet ist. Die Nutzung von anderen Federarten ist jedoch möglich. So können beispielsweise Teller-, Druckfedern oder die elastischen Eigenschaften der Roboterstruktur des Roboterarms 7 verwendet werden.

Kommt es im Hinblick auf die Sicherheitsfunktion nun zu einer Belastung im Grenzbereich des Mechanismus erfolgt das Auskoppeln der Schnecke 2a. In diesem Zustand, wie er beispielsweise in Fig. 10 und Fig. 1 1 dargestellt ist, sind die Schnecke 2a und das Schneckenrad 4a völlig voneinander getrennt und das Gelenk kann kein Moment mehr übertragen.

Um das Gelenk wieder in den Ursprungszustand zu versetzen muss eine Person den Koppelträger wieder in die Ausgangsposition bringen. Dies kann manuell durch Drücken, aber auch elektrisch betätigt geschehen. Die Schnecke 2a koppelt dabei in einem Toleranzbereich von ± 0,5 Zähnen wieder ein. Danach ist das Überlastschaltwerk wieder betriebsbereit.

Wie insbesondere in Fig. 4 ersichtlich ist, umfasst der Mechanismus des Überlast- Schaltwerks 1 im Wesentlichen vier Elementen, nämlich die beiden Schwingen 13.1 und 13.2, den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und das Gestell 5, welche über vier Drehgelenke AO, A, B, BO so verbunden sind, dass der Aufbau eine nicht umlauffähige Doppelschwinge ergibt. Dabei bilden die Schwingen 13.1 und 13.2 im Betrieb Zug-Druck-Stäbe. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a lagert die Schnecke 2a und den Motor 1 1 , sowie alle dazugehörigen

Komponenten. Das Gestell 5 kann hier einem Strukturteil des Roboterarms 7 entsprechen. Der Mechanismus ist symmetrisch aufgebaut und befindet sich im Arbeitspunkt d.h. im gekoppelten Zustand in der Mittellage, wie in Fig. 4

dargestellt ist. Dabei sind mehre kinematische Punkte für die Funktion und Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a entscheidend.

Die kinematischen Punkte A und B stützen den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und definieren über die Schwingen 13.1 und 13.2 die Bewegung des

Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a und leiten alle Antriebskräfte und - momente in das Gestell 5 bzw. Strukturteil ein.

Die kinematische Kontaktpunkt K ist der Eingriffspunkt der Schnecke 2a in das Schneckenrad 4a.

Die kinematischen Punkte U1 und U2 bilden Krafteinleitungspunkte der Druckfedern F1 und F2 auf den Koppelträger. Die kinematischen Punkte 11x1 und Ux2 bilden Krafteinleitungspunkte der

Druckfedern F1 und F2 auf das Gestell 5 bzw. das Strukturteil des Roboterarms 7.

Eine markante virtuelle Größe ist der Momentanpol P des Koppelträgers. Dieser Momentanpol P beschreibt den momentanen Drehpunkt der Schaltwippe 8a gegenüber dem Gestell 5. In diesem Momentanpol P ruht die Schaltwippe 8a zu dem betrachteten Zeitpunkt und vollzieht nur eine reine Drehung um diesen

Punkt. Der Momentanpol P ergibt sich durch die Gelenkstellung und bewegt sich ständig weiter sowohl relativ zum Gestell 5 als auch relativ zur Schaltwippe 8a (siehe in Fachliteratur Rastpol- und Gangpolbahn).

Eine andere markante virtuelle Größe ist die Rastpolbahn p. Die zum Gestell 5 feste d.h. ortunveränderliche Rastpolbahn p ist die Gesamtheit aller Raumpunkte im raumfesten Bezugssystem, die bei einer Starrkörperbewegung jemals

Momentanpol sind.

Weitere markante virtuelle Größen sind die Bahnkurven u1 und u2 der Punkte U1 und U2 relativ zum Gestell 5.

Die virtuellen Größen a und b sind Bahnkurven der Punkte A und B relativ zum Gestell 5. Die virtuelle Größe k ist die Koppelkurve des Kontaktpunktes K.

Der Vier-Gelenk-Mechanismus besitzt einen Freiheitsgrad, welcher nur durch die von außen auf den Koppelträger wirkenden Kräfte vorgegeben wird.

Das System ist dabei stabil und im Gleichgewicht, wenn sich die Kräfte so ausgleichen können, dass die resultierende Kraft bzw. das resultierende Moment auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a zu Null wird. Können die wirkenden Kräfte nicht zum Nullvektor zusammengefasst werden, verbleibt eine freie Kraft, die zu einer Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a führt. Dabei kann der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a nur eine Bewegung in einem Freiheitsgrad in Form einer Drehung um den Momentanpol K durchführen. Die Kraft wirkt somit mit ihrem Abstand zu P (Lot von P auf Kraftvektor) als

bewegungsresultierendes Moment. Die Bewegungsrichtung ergibt sich aus Kraftrichtung und Lage relativ zu P.

Dabei wirken (hier ohne Berücksichtigung der Gravitationskraft, wie z.B. bei SCARA Strukturen) die folgenden Kräfte auf den Koppelträger d.h. die

Schaltwippe 8a.

Die Kraft F_Sa ist die Axialkraft auf die Schneckenwelle der Schnecke 2a aufgrund des Abtriebsmoments am Schneckenrad 4a. Die Kraft F_Sr ist die Querkraftkomponente auf Grund des Zahnschrägungswinkels. Die Kraft F_S ist die Resultierende aus F_Schnecke_axial und F_Schnecke_radial. Die Kräfte F1 und F2 sind die Kräfte des ersten Federmittels 9 und des zweiten Federmittels 10. Die Kräfte FA und FB sind Zug-/ Druckkräfte der Schwingen 13.1 und 13.2. Bei der Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a werden sechs Phasen und drei Zustände unterschieden.

Die Fig. 5 zeigt die Phase 1 im Zustand 1 mit dem Koppelträger d.h. der

Schaltwippe 8a im Bereich der Mittellage. Dieser Arbeitspunkt liegt bei geringen bzw. normalen Belastungen vor, wenn das Abtriebsmoment deutlich kleiner ist als das vorbestimmte Grenzmoment des Überlast-Schaltwerks 1.

Die Schnecke 2a ist im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K liegt dabei nahe des Eingriffspunkts. Die erste Druckfeder 9a erzeugt durch Vorspannung eine Druckkraft im Punkt U1 , die in auskoppelnder Richtung wirkt. Deren Federkraft nimmt bei der folgend

dargestellten Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a schnell ab.

Die zweite Druckfeder 10a erzeugt durch Vorspannung eine Druckkraft im Punkt U2, die entgegen der auskoppelnden Richtung wirkt. Deren Federkraft nimmt bei der folgend dargestellten Auslenkung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a schnell zu.

Die erste Druckfeder 9a wird im Zustand 1 bei zunehmender Auslenkung des Koppelträgers weiter entlastet. Die zweite Druckfeder 10a wird im Zustand 1 bei zunehmender Auslenkung in Zustand 2 des Koppelträgers weiter belastet. Beide Druckfeder 9a und 10a wirken in Summe jedoch rückstellend. Die Fig. 6 zeigt die Phase 2 im Zustand 2 mit dem Koppelträger d.h. der

Schaltwippe 8a leicht aus dem Mittelbereich (Fig. 5) ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei hohen Belastungen vor, wenn das Abtriebsmoment noch unter dem Grenzmoment liegt.

Die Schnecke 2a ist weiterhin im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar in

auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K entfernt sich leicht vom

Eingriffspunkt.

Die erste Druckfeder 9a ist vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste

Druckfeder 9a somit keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.

Die zweite Druckfeder 10a ist weiterhin im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a. Dabei wirkt die Vorspannkraft und zusätzlich die

Auslenkungskraft als Druckkraft im Punkt U2. Die zweite Druckfeder 10a wird in Phase 2 bei zunehmender Auslenkung des Koppelträgers weiter komprimiert. Die zweite Druckfeder 10a wirkt weiterhin rückstellend.

Die Fig. 7 zeigt die Phase 3 im Zustand 2. Dies ist der Kipppunkt. Der

Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a ist aus dem Mittelbereich (Fig. 5) ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei hohen Belastungen, wenn das

Abtriebsmoment gerade noch unter dem Grenzmoment liegt. Die Schnecke 2a ist immer noch im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F_S auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a und zwar immer noch in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol K entfernt sich zunehmend vom Eingriffspunkt.

Die erste Druckfeder 9a ist vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste

Druckfeder 9a somit keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt. Die zweite Druckfeder 10a ist immer noch im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der Schaltwippe 8a. Dabei wirkt allerdings nun die maximale Federkraft F2 in Punkt U2. Die zweite Druckfeder 10a ist in der Phase 3 somit maximal

komprimiert. Die Kraft der zweiten Druckfeder F2 wirkt jedoch in diesem Zustand weder in auskoppelnder noch in rückstellender Richtung Die Kraft hat keinen Einfluss auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a, da ihre sehr hohe, maximale Kraft durch den Momentanpol P verläuft und sie damit kein

bewegungsresultierendes Moment erzeugt. Die zweite Druckfeder F2 wirkt also neutral. Die Fig. 8 zeigt die Phase 4 im Zustand 2. Dies ist die Auskopplungsphase. Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist nun sehr weit aus dem Mittelbereich ausgelenkt bzw. gedreht. Dieser Arbeitspunkt liegt bei sehr hohen Belastungen, wo das Abtriebsmoment das Grenzmoment erreicht.

Die Schnecke 2a ist immer noch im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a. Dabei wirkt die Kraft F S immer noch in auskoppelnder Richtung. Der Momentanpol P

entfernt sich weiter vom Eingriffspunkt.

Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.

Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der

Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 jedoch nun ab.

Die Federkraft der zweiten Druckfeder 10a nimmt in Phase 4 ab, wobei allerdings Federkraft wieder in Bewegungsrichtung wirkt und hat einen Einfluss auf die Bewegung des Koppelträgers d.h. der Schaltwippe 8a. Diese wirkt jetzt in auskoppelnder Richtung, also mit der Schneckenkraft gleichgerichtet in dieselbe Richtung. Die Fig. 9 zeigt die Phase 5 im Zustand 2. Dies ist der Auskopplungspunkt.

Der Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a ist weiter aus dem Mittelbereich ausgelenkt bzw. gedreht. Der„Arbeitspunkt“ liegt nun über dem Grenzmoment bzw. überschreitet kurzzeitig das Grenzmoment geringfügig. Die Schnecke 2a verlässt instantan das Schneckenrad 4a. Der Momentanpol P entfernt sich weiter vom Eingriffspunkt.

Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.

Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der

Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 jedoch nun ab.

Ab Phase 5 ist die Schnecke 2a nicht mehr im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a und kann daher keine Kraft mehr auf den Koppelträger d.h. die Schaltwippe 8a übertragen. Es wirkt nur noch die Druckkraft der zweiten Druckfeder 10a in auskoppelnder Richtung.

Die Fig. 10 zeigt die Phase 6 im Zustand 3. Dies ist der vollständig ausgekoppelte Zustand, d.h. der Koppelträger bzw. die Schaltwippe 8a ist mit der Schnecke 2a ganz von dem Schneckenrad 4a weggeklappt, die Schnecke 2a ist vom

Schneckenrad 4a entkoppelt. Der Momentanpol P entfernt sich weiter vom

Eingriffspunkt.

Die erste Druckfeder 9a ist weiterhin vollständig entlastet bzw. hat keinen Kontakt mehr zu dem Koppelträger d.h. zu der Schaltwippe 8a. Es findet durch die erste Druckfeder 9a somit weiterhin keine Kraftübertragung mehr auf den Koppelträger d.h. auf die Schaltwippe 8a statt.

Die zweite Druckfeder 10a ist im Kontakt mit dem Koppelträger d.h. der

Schaltwippe 8a. Dabei nimmt die Federkraft in Punkt U2 weiterhin ab. Ab Phase 5 ist die Schnecke 2a nicht mehr im Eingriff mit dem Schneckenrad 4a und kann keine Kraft mehr auf den Koppelträger übertragen. Es wirkt nur noch die zweite Druckfeder 10a in auskoppelnder Richtung. Der Koppelträger bzw. die Schaltwippe 8a wird in Endstellung d.h. die zweite stabile Stellung gekippt in der die Schnecke 2a das Schneckenrad 4a nicht mehr berührt. Die Endlage ist entweder durch einen Anschlag oder eine entspannte Endlage der zweiten

Druckfeder 10a definiert. Ein Wiedereinkoppeln der Schnecke 2a kann nur gegen eine dann ansteigende Federkraft F2 der zweiten Druckfeder 10a erfolgen, was jedoch nur mit entsprechend hohem Kraftaufwand möglich ist. Insoweit wird dadurch ein unbeabsichtigtes Einkoppeln mit Übertragung einer Kraft und/oder eines Moments in dem Antriebsstrang zuverlässig verhindert.

Ist die Kraft von Schneckenrad 4a auf Schnecke 2a entgegengerichtet, also die Momentendrehrichtung umgekehrt, gilt der Ablauf von Fig. 5 bis Fig. 10 analog für die andere Federseite d.h. für die andere Kipprichtung des Koppelträgers bzw. der Schaltwippe 8a. In der Fig. 1 1 deshalb nur die ausgerückte Endstellung analog zur Fig. 10 dargestellt.

Durch den speziellen Aufbau mit seinen speziell ausgewählten Abmessungen bzw. Anordnungen bzw. Verhältnissen wird die Funktion des kraftabhängigen Entkoppelns ermöglicht, ohne dass ein Sperrelement verwendet wird, welches durch seine zusätzliche Reibung Unsicherheiten und Toleranzverschlechterungen mit sich bringt. Die Reibung in diesem System steckt hauptsächlich in den

Gelenken A0, A, B und B0. Sie hat auf Grund der Gelenkgröße und Lage jedoch einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf die resultierende Koppelträgerkraft.

Durchläuft der Koppelträger Phase 4 wirken alle äußeren Kräfte in auskoppelnder Richtung, wodurch die Schnecke 2a vollständig und schnell, insbesondere schlagartig von den Zähnen des Schneckenrades 4a getrennt wird. Dieser Effekt wird verstärkt, indem sich der Momentanpol P durch das Verkippen des

Koppelträgers immer weiter vom Kontaktpunkt K entfernt, sodass ein

momentverstärkender Effekt für die Auskoppelbewegung auftritt. Da dieses Prinzip ohne Sperrelement auskommt, ist auch kein spezieller

(insbesondere axialer) Auslösehub der Schnecke 2a relativ zu einer Sperrfläche erforderlich. Die Schnecke 2a führt von Phase 1 bis 5 d.h. unter maximaler Last nur einen kleinen Anteil der Auslösebewegung in tangentialer

Schneckenradrichtung aus, wodurch dieses sich nur minimal (beispielsweise 3°) bis zur Auslösung (beispielsweise bei ca. 20 bis 25 Nm) dreht. Dementsprechend ergibt sich eine vergleichsweise hohe Getriebesteifigkeit trotz notwendiger Nachgiebigkeit des Koppelträgers. Die Federanordnung in Kombination mit dem Vier-Gelenk-Aufbau besitzt dabei eine charakteristisch abfallende Steifigkeit. Dies ist vorteilhaft, da hier die Steifigkeit im„normalen“ Arbeitsbereichs beispielsweise eines Robotergelenks des Roboterarms 7 (Fig. 1 ) deutlich höher und der Roboter damit deutlich genauer ist als im Überlastbereich, die beispielsweise auch eine Kollision bzw. eine Klemmung von Personen kennzeichnen kann.

Bedeutend für eine einwandfreie Funktion können unter anderem folgende Detailmerkmale sein. Der Vier-Gelenk-Aufbau gemäß vorliegender Beschreibung. Der Momentanpol liegt in Nullstellung auf der Symmetrieachse, beabstandet zum Eingriffspunkt K und auf der dem Schneckenrad 4a abgewandten Seite. Der Abstand des Momentanpols zum Eingriffspunkt wird unter Last d.h. Auslenkung des Koppelträgers vergrößert, wodurch das resultierende bewegungsbewirkende Moment verstärkt wird. Die spezielle Form der Koppelkurven u1 und u2, bei welchen der jeweilige Kurvenabschnitt, der von Phase 1 bis Phase 6 durchfahren wird, weist die folgenden Eigenschaften auf.

In der Verbindung mit Fig. 12 werden im Folgenden nun die Eigenschaften der Bereiche U1 , Ux1 , u1 beschrieben. Aus Symmetriegründen gilt analoges für die andere Seite.

Im Bereich Phase 1 und Phase 2 wird bei externer Momentenlast auf das

Schneckenrad 4a der Koppelträger so ausgelenkt, dass der Abstand zwischen U1 und Ux1 verringert wird. Gleichzeitig reduziert sich auch der

Kraftübertragungswinkel betal (zwischen der Bahnnormalen N1 im Punkt U1 und der Federkraftwirkungslinie d.h. der Verbindungslinie U1 -Ux1 ). Dies bedeutet, dass die Kraftkomponente in Tangentialrichtung T1 der Kurve u1 abnimmt. Mit anderen Worten, je mehr der Koppelträger ausgelenkt wird, desto höher wird die Federkraft F1. Sie wirkt entgegen der Auslenkung. Ihre Wirkung nimmt trotz Kraftanstieg ab. Im Bereich der Phase 3 muss die Kurve u1 einen Umkehrpunktaufweisen. In diesem Punkt ist der Kraftübertragungswinkel beta = 0°. Dies bedeutet, dass obwohl hier die Kraft am größten ist, diese keinen Einfluss auf die

Auslenkbewegung hat und dieser auch nicht entgegenwirkt. Die Kraft geht durch den Momentanpol P und steht im Punkt U1 senkrecht zur Tangente T1 der Bahnlinie u1.

Im Bereich Phase 4 bis 6 fällt die Kurve u1 wieder in Richtung der Druckkraft F1 ab. Der Abstand U1 zu Ux1 vergrößert sich, die Kraft nimmt ab, aber der in Bewegungsrichtung wirkende Anteil nimmt zu.

Zusammenfassend heißt dies, dass die Kinematik des Vier-Gelenk-Aufbaus und die Lagen, also die Wirkungslinien der Federn (U1 , Ux1 sowie U2, Ux2) so zu wählen ist, dass die oben beschriebene Charakteristik, wie in Fig. 12 beispielhaft gezeigt, durchlaufen wird.

Die Kinematik des Vier-Gelenk-Aufbaus ist so ausgelegt, dass die Schnecke 2a mindestens bis zum Kipppunkt (Phase 3) im Eingriff ist. Die Phase 4 beschreibt den Eingriff der Schnecke 2a über diesen Punkt hinaus bis zum Verlassen (Phase

5). Sie kann kurzgehalten werden, dient jedoch als Sicherheit für einen sicher abgeschlossenen und insbesondere ratterfreien Entkoppelvorgang.

Die Federn F1 und F2 sind in der hier aufgezeigten Variante reine Druckfedern. In einer Ausprägungsform sind sie in ihrer Wirklänge begrenzt, dies bedeutet, dass bei Auslenkung die nicht belastete Feder nach Entspannung nicht mehr anliegt und wirkt. In einer Ausprägungsform kann eine der beiden Schwingen 13.1 oder 13.2, je nach Auskoppelrichtung, im Auskoppelvorgang eine Totlage d.h. eine Umkehrlage durchlaufen, in der der Momentanpol P im jeweiligen Gelenk A oder B liegt. Dies kann zu der gewünschten Form der Koppelkurve s1 bzw. s2 führen.

Die Koppelkurve k des Kontaktpunktes K steht in Mittellage im Wesentlichen bzw. mit großem Anteil senkrecht zur Schneckenradtangente, d.h. eine Auslöse- und Ausrückbewegung der Zähne erfolgt im Wesentlichen d.h. mit großem Anteil direkt in Radialrichtung.

Der zulässige Federweg muss größer oder zumindest gleich der

Ausrückbewegung des Koppelträgers am Eingriffspunkt der Feder in Wirkrichtung der Feder sein.

Um den Auslösevorgang zu ermöglichen, darf die Summe der auf den

Koppelträger wirkenden Kräfte nicht null sein. Demnach muss die auskoppelend wirkendende Kraft stets größer als die entgegenhaltenden Kräfte sein.

Zur Messung der Kräfte im Gelenk können verschiedene Varianten herangezogen werden. So können die Stabkräfte der beiden Schwingen 13.1 und 13.2

gemessen werden oder die Auflagekräfte an den Federaufnahmepunkten.

Weiterhin ist es möglich einen Messflansch abtriebsseitig im Schneckenrad 4a zu integrieren oder die Axialkraft der Schnecke 2a zu messen, wie es in dargestellten Beispiel der Fig. 13 dargestellt ist.

Zur Messung von Kräften wird grundsätzlich die Verformung der mit den Kräften beaufschlagten Körper gemessen. Dies kann mittels unterschiedlicher Verfahren geschehen. Messprinzipien können dabei die Nutzung von Dehnmesstreifen, die Nutzung optischer Messprinzipien, sowie induktive Wegmessungen, die z.B. die Verformung eine Feder messen, sein. In diesem Beispiel der Fig. 13 erfolgt die Messung durch eine Wägezelle 14, die die Axialkraft an den Lagerungen der Schnecke 2a im Koppelträger d.h. in der Schaltwippe 8a misst.

Der Kraftfluss stellt sich dabei folgendermaßen dar, er läuft ausgehend vom Schneckenrad 4a über die Schnecke 2a in das Lager der Schnecke 2a und von dort aus in einen Deckel der Wägezelle 14 und nach der Wägezelle 12 über ein Abschlussblech und einer Verschraubung in den Koppelträger d.h. die

Schaltwippe 8a.

Da die Wägezelle 14 keine Zugkräfte messen kann, wird die Schnecke 2a mit der Hälfte des Messbereichs vorgespannt. Dazu sind auf der rechten Seite der Schnecke 2a zwei Tellerfedern 15 zwischen dem Absatz der Schnecke 2a und dem Lager angeordnet. Diese werden über das Anziehen der Verschraubung des Abschlussbleches vorgespannt. Es entsteht eine sogenannte elastische

Anstellung. In diesem Fall wird die Lagerung beispielsweise über

Schrägkugellager realisiert. Je nach Belastung lassen sich allerdings auch

Gleitlager mit Bund oder Rillenkugellager verwenden. Wirkt die Axialkraft nun in Richtung der Tellerfedern 15, sinkt die auf die Wägezelle 14 wirkende Kraft. Wirkt die Axialkraft hingegen in die andere Richtung wird die Wägezelle 14 stärker belastet. Um auf das Moment zu schließen wird die Axialkraft mit dem Radius des Wirkkreises des Schneckenrads 4a multipliziert.

Für den Überlastfall und der daraus resultierenden Auskupplung der Schnecke 2a, ist ein schlagartiger Kraftabfall an der Wägezelle 14 detektierbar. Somit kann dieses Signal zur Erfassung der Überlast genutzt werden und beispielsweise eine Steuerung des Roboters das Antriebsglied ausschalten.

Da Schnecke 2a und Schneckenrad 4a vollständig voneinander getrennt werden können, ist vorzugsweise eine abtriebsseitige Positionsbestimmung vorgesehen, denn nach dem Einkoppeln ist nicht gewährleistet, dass der Eingriff an gleicher Position wie bei der Trennung erfolgt. Auch hier ergeben sich verschiedene anwendbare Lösungen. Zum einen die Möglichkeit einer optischen Encoderscheibe, die den Vorteil einer großen

Hohlwelle bietet, wie auch eine auf dem Hall-Prinzip basierende linear

exzentrische Sensorik. Dazu kann ein Ringmagnet mit einer Vielzahl an Polpaaren ausgestattet werden und somit eine sehr hohe Auflösung generieren. Eine bevorzuge Variante ist ein axialer Hall-Encoder der in der abtriebsseitigen

Roboterstruktur sitzt. Dieser hat den Vorteil, dass seine Absolutposition

programmierbar ist. Der Nachteil der Konzentrizität wird dadurch umgangen, dass die Kabel durch einen Schlitz oberhalb des Sensors aus der Hohlwelle geführt werden. Neben der abtriebsseitigen Positionsbestimmung ist auch eine

antriebsseitige Positionsbestimmung zweckmäßig. Um dies zu realisieren kann das zuvor gewählte Messprinzip verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar die Position der Motorwelle über die im Motor 1 1 verbauten Hall-Elemente zur Bestimmung der Ankerposition zu verwenden. Die Lagerung des Schneckenrades 4a wird über eine angestellte Lagerung realisiert. Der Aufbau besteht aus zwei ineinanderlaufenden Wellen, deren Drehbewegung bei gleichzeitiger Kraftabstützung durch zwei Rillenkugellager erfolgt. Um das Spiel in der Lagerung gering zu halten wird eine angestellte Lagerung verwendet und die Lager werden mit einer Klemmhülse miteinander verspannt.