Bezeichnung der Erfindung

Spreizbandmechanik mit Rollenführung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Spreizbandmechanik mit einer verbesserten Führung des Spreizbandes. Spreizbandmechaniken werden als Maschinenele- ment in der Antriebstechnik genutzt.

Eine Spreizbandmechanik ermöglicht eine übertragung von Zug- und Druckkräften sowie Biegemomenten in begrenztem Umfang durch profilierte Metallbänder. Dabei wird die Steifigkeitseigenschaft eines quer zur Wickelrich- tung gewölbten Metallbandes ausgenutzt, so dass damit im Unterschied zu den bekannten Zugmittelgetrieben mit Metallbändern sowohl Zug- als auch Druckkräfte in Längsrichtung des Bandes übertragen werden können. Um diese Kräfte auf die Antriebsrollen zu übertragen, wird die Eigenschaft der Breitenänderung eines gewölbten Bandes benutzt, das im aufgewickelten Zustand seine gesamte Breite einnimmt, während es im ausgewickelten und dann im Querschnitt gewölbten Zustand schmaler ist. Diese änderung in der Breite wird dazu verwendet, das Band zwischen die Seitenscheiben (Borde)

der Antriebsrolle zu klemmen, womit eine kraft- und gegebenenfalls formschlüssige Verbindung hergestellt wird.

In seiner Grundstruktur besteht ein Spreizbandmodul aus einer Rolle und einem Band und verfügt bei einer rotatorisch gelagerten, angetriebenen Rolle über zwei Bewegungsfreiheiten in einer Ebene. Kräfte können über diese Grundstruktur lediglich in Längsrichtung des Bandes, Momente ausschließlich senkrecht zur Längsrichtung des Bandes und zur Achsrichtung der Rolle übertragen werden. Durch die Kombination mehrerer Spreizbandmodule, die als Gelenk-Glied-Kombination Antriebs- und Führungsglied vereinigen, zu Parallelkinematiken können sehr kompakte Roboter aufgebaut werden. Diese zeichnen sich durch ein sehr gutes Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum sowie einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau aus.

Nachteilig an Spreizbandmechaniken ist die hohe Belastung, der das Metallband während des überganges vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere durch die notwendige Einklemmung des Spreizbandes zwischen die beiden Seitenscheiben der Antriebsrolle gegeben.

Es sind Spreizbandmechaniken bekannt, bei denen die Seitenscheiben der Antriebsrolle in Umfangsrichtung eine Profilierung aufweisen und gezielt vorgespannt sind. Hierdurch sollen die Belastungen des Spreizbandes reduziert werden und die Kraftübertragung effizienter und genauer ermöglicht werden. Jedoch sind auch bei dieser Lösung die Belastungen des Spreizbandes sehr hoch. Das Verschleißverhalten einer solchen Lösung ist bislang nicht bekannt. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass eine sehr genaue Fertigung der Seitenflächen des Spreizbandes erforderlich ist, um eine verbesserte Kraftübertragung zu ermöglichen. Eine erhöhte Positionier- genauigkeit kann nur durch aufwändige Regelungstechnik erzielt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Spreizbandmechanik zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Beanspruchung des Spreizbandes deutlich gesenkt ist und gleichzeitig eine effizientere und genauere Kraftübertragung ermöglicht ist. Die verbesserte Spreiz- bandmechanik soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Langlebigkeit und einen gesenkten Fertigungsaufwand auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch eine Spreizbandmechanik gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik umfasst zunächst ein Spreizband, welches von einem gestreckten Zustand reversibel in einen Wickelzustand überführt werden kann. Im gestreckten Zustand weist das Spreizband ein Profil im Querschnitt auf. Hierdurch ist das Spreizband zur Aufnahme von Biegemomenten geeignet. Ist ein Teil des Spreizbandes jedoch in den Wickelzustand überführt worden, so hat dieser Teil des Spreizbandes sein Profil im Wesentlichen verloren. Dieser Teil des Spreizbandes ist daher im Querschnitt flach ausgebildet. Diese überführung kann fortlaufend erfolgen, sodass das Spreizband bezogen auf seine Längsrichtung stetig in den Wickelzustand überführt werden kann. Diese überführung ist reversibel, sodass das Spreizband jederzeit wieder zurück in den ge- streckten Zustand überführbar ist, in welchem es wieder das Profil aufweist. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik umfasst weiterhin mindestens ein Paar Formrollen, zwischen denen das Spreizband longitudinal geführt ist. Die Formrollen dienen der Führung des Spreizbandes, wenn sich dieses im gestreckten Zustand befindet. Hierfür weisen die beiden Formrollen jeweils eine Lauffläche auf, die zumindest teilweise mit dem Profil des Spreizbandes in gestreckter Stellung in Formschluss steht. Dieser Formschluss kann dadurch erzielt werden, dass die Rollen-Lauffläche zumindest teilweise die komplementäre Form wie die zu führende Profilseite des Spreizbandes aufweist. Folglich greifen die Laufflächen und das Profil des Spreizbandes in- einander und die Profilformung des Spreizbandes wird durch die Laufflächen unterstützt.

Durch die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik werden bei geringem konstruktivem Aufwand gleich mehrere Vorteile erzielt. Durch das Formrollenpaar ist die übertragung größere Kräfte möglich, da die Ausformung des Querschnittprofils des gestreckten Spreizbandes durch die Laufflächen der Formrollen unterstützt wird. Zudem bewirken die Formrollen eine zusätzliche Positionierung des Spreizbandes, wodurch gleichzeitig die Positioniergenauigkeit des Spreizbandes erhöht ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizband- mechanik weist diese eine Aufwickelrolle zum Aufrollen und Abrollen des Spreizbandes auf. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes, welcher sich zwischen der Aufwickelrolle und den beiden Formrollen befindet, erfährt ein Biegemoment, durch welches das Spreizband an dieser Position von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt wird. Hierdurch verliert es sein Profil und wird im Querschnitt flach. Das flache Spreizband ist nun elastisch genug, um auf der Aufwickelrolle aufgerollt zu werden. Diese überführung erfolgt in umgekehrter Richtung, wenn das Spreizband von der Aufwickelrolle abgerollt wird. Die Aufwickelrolle weist den Vorteil auf, dass große Längen des Spreizbandes auf einem kleinen Raum vorgehalten werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik wird zumindest eine der beiden Formrollen angetrieben. Da das Spreizband durch die Formrollen geführt wird, können von den Formrollen Kräfte auf das Spreizband übertragen werden. Dies können sowohl Antriebskräfte als auch Bremskräfte sein. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der Antrieb des Spreizbandes über die beiden Formrollen wesentlich höhere Kraftübertragungen ermöglicht, als dies beispielsweise durch eine angetriebene Aufwickelrolle möglich ist. Zudem erlaubt der An- trieb des Spreizbandes über die beiden Formrollen eine deutlich höhere Positioniergenauigkeit, da der Antrieb nicht über einen Spreizbandabschnitt im flachen Wickelzustand erfolgt. Zudem muss der Antrieb nicht an den jeweils

aktuellen Aufwickelradius angepasst werden.

Die Formrollen sind bevorzugt so angeordnet, dass eine durch die Achsen der beiden Rollen aufgespannte Ebene senkrecht zu einer Ebene liegt, in welcher sich das Spreizband zwischen den Formrollen befindet. Somit befindet sich der durch die Rollen geführte Abschnitt des Spreizbandes unmittelbar zwischen deren Laufflächen. Der Abstand der Achsen der beiden Formrollen entspricht der Summe der Radien der beiden Rollen zuzüglich der Dicke des Spreizbandes. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass eine maximale Kraftübertragung ermöglicht ist. Bevorzugt sind die Formrollen in dieser Anordnung durch eine oder mehrere Federn aufeinander zu gedrängt, wodurch die Kraftschlüssigkeit der Verbindung zwischen Formrollen und Spreizband deutlich erhöht ist und hohe Kräfte zwischen diesen ü- bertragen werden können. Die Formrollen können alternativ auch durch Ak- tuatoren oder dergleichen aufeinander zu gedrängt sein.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kommen mehrere Formrollenpaare zum Einsatz, die in Laufrichtung des Spreizbandes hintereinander angeordnet sind. Die überführung des Spreizbandes vom aufgewickelten zum gestreckten Zustand kann in diesem Fall in mehreren Schritten erfolgen, wenn die sich die Querschnittsformen der Formrollenpaare unterscheiden. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein nahe an der Aufwickelrolle positioniertes erstes Formrollenpaar weniger gekrümmte Laufflächen besitzt und ein mehr entferntes zweites Formrollenpaar stärker gekrümmte Laufflächen aufweist.

Die Aufwickelrolle ist bevorzugt freilaufend. Da das Formrollenpaar die Funktion der Führung und gegebenenfalls auch des Antriebes erfüllt, bedarf es keines Antriebes an der Aufwickelrolle. Folglich entfällt die erhebliche Belas- tung die das Spreizband zwischen den Seitenscheiben der Aufwickelrolle bei Spreizbandmechaniken gemäß dem Stand der Technik erfährt.

Auch kann die Aufwickelrolle angetrieben sein, insbesondere mit einer Spiralfeder reversibel angetrieben und gegebenfalls auch bremsbar sein, um die Aufrollfunktion zu unterstützen.

In einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Laufflächen der beiden Formrollen vollständig mit dem Profil des Spreizbandes in Formschluss. Hierfür weisen die Laufflächen in Breite und Ausformung eine Oberfläche auf, die jeweils vollständig komplementär zu der zu führenden Profilseite des Spreizbandes ist.

Das Profil des Spreizbandes ist bevorzugt durch eine einfache Wölbung des Spreizbandes gebildet. Diese Profilform eines Spreizbandes hat sich bislang als die für die meisten Anwendungen geeignetste Form erwiesen. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik ist aber grundsätzlich auch für andere Profile des Spreizbandes geeignet. Beispielsweise sind wellenförmige oder dreieckförmige Profile verwendbar. Das Spreizband kann auch ein Profil im Längsschnitt aufweisen, beispielsweise in Form von Löchern oder Zacken, die ebenfalls mit den Laufflächen der Formrollen in Formschluss stehen können; beispielsweise durch Zapfen in der Lauffläche, die in die Löcher im Spreizband eingreifen. Bei der zuletzt genannten Ausführungsform reduziert sich der Schlupf zwischen Formrollen und Spreizband im Wesentlichen auf Null.

Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik mit einem gewölbten Spreizband weist bevorzugt eine der beiden Formrollen eine konvexe gewölbte Lauffläche auf, während die andere der beiden Formrollen eine konkav gewölbte Lauffläche aufweist. Das gewölbte Spreizband wird auf diese Weise im Querschnitt vollständig von den Formrollen eingeschlossen, wodurch ein vollständiger Formschluss und ein weitgehender Kraftschluss gewährleistet sind.

Die Radien der gewölbten Laufflächen der Formrollen sind bevorzugt genauso groß wie der Wölbungsradius des Profils des Spreizbandes. Somit wird das Spreizband durch die Formrollen in genau die Profilform gedrängt, die es allein durch die inneren Kräfte aufweist.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Radien der gewölbten Laufflächen der Formrollen etwas kleiner als der Wölbungsradius des Profils des Spreizbandes. Hierdurch wird das Profil des Spreizbandes nochmals unterstützt, wodurch das Spreizband höhere Biegemomente aufnehmen kann. Dieses Prinzip ist auch auf andere Profilformen übertragbar, indem die Laufflächen mit einem stärker ausgeprägten Profil als das Spreizband ausgeführt werden.

Das Spreizband besteht vorzugsweise aus einem elastischen Metall oder einem elastischen Kunststoff. Aufgrund der Elastizität des Spreizbandes kann dieses reversibel von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt werden. Das Spreizband ist aufgrund innerer Kräfte bestrebt, das Profil einzunehmen und so den gestreckten Zustand anzunehmen. Wirkt ein Biegemoment auf das Spreizband, so kann das Spreizband aufgrund des Querprofils dem Biegemoment zunächst widerstehen. Ist das Biegemoment jedoch größer als ein überführungsbiegemoment, so knickt das Spreizband schlagartig an der Einwirkungsstelle des Biegemomentes ein und verliert dort sein Profil. Die profillosen Abschnitte des Spreizbandes lassen sich jedoch mit geringeren Biegemomenten verformen, sodass das Spreizband aufgewickelt werden kann. Wird das auf das Spreizband wirkende Biegemoment kleiner als ein Rückführungsbiegemoment, nimmt das Spreizband wieder sein Profil an und schnellt in den gestreckten Zustand.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Spreizbandmechanik ist das Spreizband im Wickelzustand breiter als im gestreckten Zustand. Durch den

Verlust des Profils im Wickelzustand ist das Spreizband flach und dadurch breiter. Diese Eigenschaft kann beispielsweise zur Führung in der Aufwickel-

rolle ausgenutzt werden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik; und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Formrollenpaars der in Fig. 1 gezeigten Spreizbandmechanik.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik. Die Spreizbandmechanik umfasst ein Spreizband 01 , welches beispielsweise als Aktuator zur Positionierung dienen kann. über das Spreizband 01 sind Zug- und Druckkräfte, aber auch Biegemomente in einem begrenzten Umfang übertragbar. Das Spreizband 01 wird zwischen einer ersten Formrolle 02 und einer zweiten Formrolle 03 geführt. Am proximalen Ende des Spreizbandes 01 ist das Spreizband 01 auf einer Aufwickelrolle 04 aufgewickelt. Am distalen Ende des Spreizbandes könnte beispielsweise ein Werkzeug oder ein Messtaster befestigt werden.

Das Spreizband 01 ist in zwei Zuständen gezeigt. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes 01 , der auf der Aufwickelrolle 04 aufgewickelt ist, befindet sich in einem Wickelzustand. Der andere gezeigte Abschnitt des Spreizbandes 01 befindet sich in einem gestreckten Zustand. Das Spreizband 01 ist im gestreckten Zustand im Wesentlichen geradlinig ausgestreckt und weist ein gewölbtes Profil 06 auf. Das Profil 06 hat hier die Form eines Bogens.

Im Wickelzustand ist das Spreizband 01 im Querschnitt flach und breiter als im gestreckten Zustand. Es weist eine Wölbung gegebenenfalls nur ansatzweise auf. Das im Wickelzustand befindliche Spreizband 01 verändert bei auftretenden Biegemomenten seine Form in Längsrichtung, sodass es auf die Aufwickelrolle 04 aufgewickelt werden kann. Der übergang vom gestreckten Zustand in den Wickelzustand bzw. umgekehrt erfolgt während des Auf- bzw. Abwickeins fortlaufend in Längsrichtung des Spreizbandes 01.

Die erste Formrolle 02 weist eine Lauffläche 07 auf, die nach außen, das heißt konvex gewölbt ist. Die zweite Formrolle 03 weist eine Lauffläche 08 auf, die nach innen, das heißt konkav gewölbt ist. Die Wölbungen der Laufflächen 07, 08 gleichen in Bezug auf den Radius der Wölbung des Profils 06 des Spreizbandes 01. Auf diese Weise greifen die Rollen 02, 03 in das Profil 06 des Spreizbandes 01 formschlüssig ein und unterstützen die Ausbildung des Profils 06 beim übergang des Spreizbandes in den gestreckten Zustand. Die Formrollen 02, 03 werden durch Federn oder andere krafteinleitende Elemente (nicht gezeigt) auf einander zu gedrängt, sodass das Spreizband 01 zwischen ihnen eingeklemmt ist. Da diese Klemmwirkung auf das gesamte Querprofil 06 verteilt ist, wird das Spreizband 01 nur unwesentlich bean- sprucht. Die Formrollen 02, 03 werden durch die Federn auf das Spreizband 01 gepresst, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zum Spreizband 01 gegeben ist.

Die beiden Formrollen 02, 03 werden durch einen Motor oder dergleichen angetrieben. Das Antriebsmoment wird als Zug- oder Schubkraft auf das Spreizband 01 übertragen. Hierüber kann eine genaue Positionierung des Spreizbandes 01 erfolgen.

Die Aufwickel rolle 04 ist freilaufend oder gebremst. Der Antrieb des Spreiz- bandes 01 erfolgt entweder ausschließlich über die Formrollen 02, 03 oder bei abgewandelten Ausführungsformen ergänzend über die Aufwickelrolle.

Wenn nur über die Formrollen Antriebskräfte auf das Spreizband übertragen

werden bedarf es keiner seitlichen Einklemmung des Spreizbandes 01 zwischen seitlichen Scheiben der Aufwickelrolle, wodurch die Beanspruchung des Spreizbandes 01 wesentlich gemindert ist.

Der Antrieb des Spreizbandes 01 über die beiden Formrollen 02, 03 kann in zwei Richtungen erfolgen. In einer Abwickelrichtung wird das Spreizband 01 von der Aufwickelrolle 04 abgewickelt. Wenn die Abwickelrolle 04 frei läuft, wird der Antrieb des Spreizbandes 01 hierdurch nicht gebremst und die Beanspruchung des Spreizbandes 01 ist minimal. Wird das Spreizband 01 durch die Formrollen 02, 03 in die entgegen gesetzte Richtung angetrieben, so wird das Spreizband 01 in Richtung der Aufwickelrolle 04 bewegt. Hierdurch kommt es dazu, dass ein größer werdender gestreckter Abschnitt des Spreizbandes 01 der Aufwickelrolle 04 gegenübersteht, wodurch der das Biegemoment auf den übergangsbereich zwischen dem gestreckten Ab- schnitt und dem Abschnitt im Wickelzustand steigt. Durch das größer werdende Biegemoment wird das Spreizband 01 fortlaufend in den Wickelzustand überführt, wodurch das Biegemoment gleichzeitig abgebaut wird. Diese überführung erfolgt stetig und fortlaufend. Die Auf Wickel rolle 04 kann durch eine innere Spiralfeder veranlasst sein, das Aufwickeln des Spreiz- bandes 01 zu unterstützen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Details der in Fig. 1 gezeigten Spreizbandmechanik. Der Schnitt verläuft durch die Achsen der beiden Formrollen 02, 03. Die Schnittebene ist senkrecht gegenüber dem Spreiz- band 01 ausgerichtet. Das Spreizband 01 ist im Querprofil gezeigt. Weiterhin sind die gewölbten Laufflächen 07, 08 im Querschnitt gezeigt, zwischen denen das Spreizband 01 geführt wird. Die gewölbten Laufflächen 07, 08 greifen in das Profil des Spreizbandes 01 ein, sodass ein vollständiger Form- schluss zwischen den Laufflächen 07, 08 der beiden Rollen 02, 03 und dem Spreizband 01 gegeben ist.

Bezugszeichenliste

01 Spreizband

02 erste Formrolle 03 zweite Formrolle

04 Aufwickelrolle

05 -

06 Profil

07 Lauffläche der ersten Formrolle 08 Lauffläche der zweiten Formrolle