Bezeichnung der Erfindung

Spreizbandmechanik

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Spreizbandmechanik mit einer verbesserten Führung des Spreizbandes. Spreizbandmechaniken werden als Maschinenelement 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 Wickelrichtung gewölbten Metallbandes ausgenutzt, sodass 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 ausschließ- lieh 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 Bau- räum 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 notwen- dige 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 vor- gespannt 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 ge- naue Fertigung der Seitenflächen des Spreizbandes erforderlich ist, um eine verbesserte Kraftübertragung zu ermöglichen. Eine erhöhte Positioniergenauigkeit kann nur durch aufwändige Regelungstechnik erzielt werden.

In einer parallelen Patentanmeldung des Anmelders sind Spreizbandmecha- niken beschrieben, bei denen das auf einer Antriebsrolle oder einer Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband durch einen Gleitschuh geführt wird.

Durch den Gleitschuh sind definierte Auf- und Abwickelabläufe ermöglicht. Zwischen dem Gleitschuh und dem Spreizband tritt eine Gleitreibung auf, die insbesondere bei großen Geschwindigkeiten zu einem hohen Verschleiß führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Spreizbandmechanik zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Beanspruchung des Spreizbandes insbesondere beim übergang vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand deutlich gesenkt ist und gleich- zeitig eine effizientere und genauere Kraftübertragung ermöglicht ist. Die verbesserte Spreizbandmechanik soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Langlebigkeit und einen gesenkten Fertigungs- und Wartungsaufwand 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 Längsrich- tung stetig in den Wickelzustand überführt werden kann. Diese überführung ist reversibel, sodass das Spreizband jederzeit wieder zurück in den gestreckten Zustand überführbar ist, in welchem es wieder das Profil aufweist. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist weiterhin eine Aufwickelrolle zum Aufrollen und Abrollen des Spreizbandes auf. Derjenige Ab- schnitt des Spreizbandes, welcher sich zwischen der Aufwickelrolle und dem gestreckten Teil des Spreizbandes 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. Auf der Aufwickel rolle können große Längen des Spreizbandes auf einem kleinen Raum vorgehalten werden. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist schließlich mehrere drehbare Rollelemente zur Zwangsführung des Spreizbandes auf, die umfänglich um das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband angeordnet sind.

Durch die Rollelemente ist die bei der Führung des Spreizbandes auftretende Rollreibung im Vergleich zu der bei einer Führung durch einen Gleitschuh (gemäß dem Stand der Technik) auftretenden Gleitreibung deutlich gesenkt. Die verminderte Reibung führt zu einem geringeren Verschleiß und somit auch zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und einer Langlebigkeit der Spreizbandführung. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spreizbandführung werden insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des Spreizbandes deutlich, da es dann meist zu erhöhten Kräften zwischen dem Spreizband und seiner Führung kommt. Durch die Rolleelemente werden erhöhte Reibungskräfte zwischen dem Spreizband und seiner Führung vermieden. Somit kommt es nicht zu einer überhitzung des Spreizbandes und dem daraus resultierenden Verschleiß.

Die Rollelemente können vorzugsweise durch Rollen gebildet sein, deren Achsen parallel zur Achse der Aufwickelrolle liegen. Alternativ dazu könnten aber auch Kugeln eingesetzt werden, welche auf die Oberfläche des Spreizbandes drücken und dieses zur Anlage an der Aufwickelrolle zwingen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik weist diese eine Vielzahl der Rollen auf, die gemeinsam eine Rollenbahn ausbilden. Die Rollenbahn umschließt das auf der Aufwickelrolle aufgerollte Spreizband umfänglich vollständig oder abschnittswei-

se, wobei jedoch eine Einfädelöffnung freigehalten bleibt. Durch die Rollenbahn ist die Führung des Spreizbandes im gesamten Bereich der Aufwickelrolle festgelegt. Das Spreizband ist durch die Einfädelöffnung durchgeführt und kann sehr reibungsarm auf die Aufwickelrolle aufgewickelt und von der Aufwickelrolle abgewickelt werden. Die Rollenbahn ist im Wesentlichen kreisförmig angeordnet, da sie die Aufwickelrolle umfänglich umschließt.

Alternativ zu dieser Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik so ausgeführt werden, dass sie nur im übergangsbereich von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand des Spreizbandes Rollen für die Zwangsführung des Spreizbandes aufweist. Außerhalb dieses übergangsbereiches kann das Spreizband durch einen Gleitschuh oder dergleichen geführt werden.

Die Rollen werden vorzugsweise kraftbelastet auf das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband gedrängt. Folglich können sich die Rollen hinsichtlich ihres Abstandes von der Aufwickelrolle der Menge des auf der Aufwickelrolle aufgerollten Spreizbandes anpassen. Die Rollen können beispielsweise durch Federn oder Aktuatoren auf das auf der Aufwickelrolle aufgerollte Spreizband gedrängt werden. Befindet sich eine größere Menge Spreizband auf der Aufwickelrolle, so ist der Radius einer durch das aufgewickelte Spreizband gebildeten Spreizbandrolle deutlich größer als der Radius der Aufwickelrolle. Befindet sich hingegen nur wenig Spreizband auf der Aufwickelrolle, so ist der Radius der Spreizbandrolle kaum größer als der Radius der Aufwickelrolle. Die Anordnung der Rollen ist an den sich ständig ändernden Radius der durch das aufgewickelte Spreizband gebildeten Spreizbandrolle angepasst. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik ist gewährleistet, dass das Spreizband im Bereich zwischen den Rollen und dem bereits aufgewickelten Spreizband definiert ge- führt wird. Ansonsten könnte es in diesem Bereich zu einer unkontrollierten überführung vom gestreckten Zustand in den Wickelzustand kommen, wodurch das Spreizband unnötig beansprucht würde.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik ist die Rollenbahn in mehrere Segmente geteilt. Die Rollen sind segmentweise angeordnet und somit auch segmentweise auf das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband gedrängt. Der segmentweise Auf- bau der Rollenbahn vereinfacht die bewegliche Lagerung der Rollen, da nicht jede Rolle einzeln auf das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband gedrängt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Segmente jeweils einen Bügel, auf welchem die Rollen des jeweiligen Segmentes angeordnet sind. Die Bügel sind jeweils schwenkbar gegenüber der Aufwickelrolle gelagert und durch eine Feder oder einen Aktuator gegen das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband gedrängt. Die Rollenbahn kann beispielsweise in zwei Segmente ä etwa 180° oder drei Segmente ä etwa 120° geteilt sein. Die Bügel haben dann in etwa die Form des entsprechenden Kreissegmentes und weisen Lager für die Lagerung der Rollen auf. Die Bügel können jeweils an einem ihrer Enden drehbar gelagert sein, wobei die Feder oder der Aktuator durch eine Druckfeder gebildet ist, welche den Bügel gegen das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband drängt.

In einer abgewandelten Ausführungsform sind die Rollen der Segmente jeweils flexibel miteinander verbunden, sodass die Segmente jeweils eine Rollenkette bilden. Die Rollenketten sind jeweils um ein Kreissegment der durch das aufgewickelte Spreizband gebildeten Spreizbandrolle gespannt. Die fle- xiblen Rollenketten können sich der veränderlichen Krümmung des Kreis- umfanges der Spreizbandrolle anpassen. Somit ist gewährleistet, dass möglichst viele der Rollen eines jeden Segmentes auf der Oberfläche der Spreizbandrolle abrollen. Weiterhin ist es durch das Spannen der Rollenketten um jeweils ein Segment der Spreizbandrolle aufwandsarm möglich, die Rollen auf das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband zu drängen. Beispielweise kann die Rollenbahn durch zwei Segmente gebildet sein, welche jeweils um nahezu 180° des Umfanges der Spreizbandrolle gespannt

sind. Die beiden Rollenketten können beispielsweise durch eine Zugfeder oder einen Aktuator gespannt werden.

Die Aufwickelrolle ist bevorzugt antreibbar. Das antreibende Drehmoment der Aufwickelrolle wird beim Abwickeln des Spreizbandes aufgrund der Führung durch die Rollen verlustarm und präzise als Schubkraft auf den gestreckten Teil des Spreizbandes übertragen. Die Aufwickelrolle kann aber auch gebremst oder freilaufend betrieben werden.

Die Rollen sind bevorzugt als zylinderförmige Nadelrollen ausgeführt. Die Achsen aller Nadelrollen und der Aufwickelrolle sind parallel zueinander ausgerichtet. Sämtliche Nadelrollen sind gleich und weisen eine Länge auf, die größer als die Breite des Spreizbandes ist, sodass das Spreizband in seiner gesamten Breite geführt wird, wobei hierdurch eine Bandführung durch die Rollen in radialer Richtung erfolgen kann. Eine Führung des Bandes in axialer Richtung kann hierüber hinaus bevorzugt durch plane Seitenscheiben, insbesondere zwei plane Seitenscheiben, bewerkstelligt werden.

Nadelrollen können aufgrund ihres kleinen Durchmessers in einem geringen Abstand zueinander angeordnet werden, sodass eine genaue Führung des Spreizbandes ermöglicht ist. In abgewandelten Ausführungsformen kann die Lauffläche der Rollen einem Längsprofil oder einem verbleibenden Querprofil des Spreizbandes angepasst sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Rollenlänge kleiner als oder gleich der Breite des Spreizbandes gewählt wird, insbesondere wenn seitlich der Aufwickelrolle kein Bauraum zur Verfügung steht.

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 auch wellenförmige

oder dreieckförmige Profile verwendbar. Das Spreizband kann auch ein Profil im Längsschnitt aufweisen, beispielsweise in Form von Löchern oder Zacken.

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 je- doch 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 für eine zusätzliche Führung in der Aufwickelrolle 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 Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte; und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwi- ekeln wirkenden Kräfte.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung 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. An seinem proximalen Ende ist das Spreizband 01 auf einer Aufwickelrolle 02 aufgewickelt. Am distalen Ende kann beispielsweise ein Werkzeug angebracht sein, welches durch das Spreizband positioniert werden soll.

Das Spreizband 01 ist in zwei Zuständen gezeigt. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes 01 , der auf der Aufwickelrolle 02 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 auf.

Im Wickelzustand ist das Spreizband 01 im Querschnitt flach und breiter als im gestreckten Zustand. Es weist eine Wölbung gegebenenfalls nur noch ansatzweise auf. Das im Wickelzustand befindliche Spreizband 01 verändert bei auftretenden Biegemomenten seine Form in Längsrichtung, sodass es auf die Aufwickelrolle 02 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.

Auf dem Umfang einer durch das aufgerollte Spreizband 01 gebildeten Spreizbandrolle 03 sind viele Nadelrollen 04 angeordnet. Die Spreizbandrolle 03 ist nahezu über ihren gesamten Umfang durch die Nadelrollen 04 einge- fasst. Die Spreizbandrolle 03 ist jedoch nicht in einem Bereich einer Einfä- delöffnung 06 durch die Nadelrollen eingefasst. Die Einfädelöffnung 06 dient der Durchführung des Spreizbandes 01 , sodass dieses auf die Aufwickelrolle 02 aufgewickelt, bzw. von der Abwickelrolle 02 abgewickelt werden kann. Sämtliche Nadelrollen 04 bilden eine nahezu kreisförmige Rollenbahn aus. Die Nadelrollen 04 sind auf zwei Segmentbügel 07 der Rollenbahn verteilt. Jeder der beiden Segmentbügel 07 ist in einem Drehpunkt 08 drehbar gelagert, sodass die Segmentbügel 07 in Richtung der Aufwickelrolle 02 geschwenkt werden können. Weiterhin wirkt auf jeden der beiden Segmentbügel 07 jeweils eine Druckfeder 09 ein, welche die Segmentbügel 07 in Richtung der Aufwickelrolle 02 drängt. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch dann ein großer Anteil der Nadelrollen 04 mit der Oberfläche der Spreizbandrolle 03 in Kontakt steht, wenn die Spreizbandrolle 03 weitgehend abgewickelt ist und folglich einen verkleinerten Radius aufweist.

Wird das Spreizband 01 in Richtung der Aufwickelrolle 02 bewegt, so wird es in die durch die Nadelrollen 04 gebildete kreisförmige Rollenbahn geschoben, sodass ein Biegemoment auf den übergangsbereich zwischen dem gestreckten Abschnitt und dem Abschnitt im Wickelzustand wirkt. Durch das Biegemoment wird das Spreizband 01 fortlaufend in den Wickelzustand ü- berführt, wodurch das Biegemoment gleichzeitig abgebaut wird. Diese über- führung erfolgt stetig und fortlaufend. Durch die kreisförmige Führung wickelt sich das Spreizband 01 auf die Aufwickelrolle 02 auf, unabhängig davon, ob die Aufwickelrolle 02 angetrieben wird und dadurch eine Zugkraft auf das Spreizband 01 ausübt oder ob Aufwickelrolle 02 freilaufend ist.

Hg. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist auf die in Fig. 1 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der übersichtlichkeit auf die Darstellung einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt ein Drehmoment Mi, sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 11 bewegt wird. Das Drehmoment Mi wirkt entgegen einer Zugkraft F _z auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle 03 ausgehend wirken radial nach außen eine Einzelkräfte FR _X , die aus dem Bestreben des Spreizbands zur Einnahme des gewölbten Zustands resultieren. Dem entgegen müssen vom Rollenband aus Einzelkräfte F _Px auf die Oberfläche der Spreizbandrolle 03 einwirken, um das Spreizband an der Einnahme des gewölbten Zustands zu hindern. Die Einzelkräfte F _Px ergeben in ihrer Summe eine Kraft F _P , welche einer Normalkraft F _N entspricht. Die Reibung des Spreizbandes 01 gegenüber dem Rollenband weist einen Reibungskoeffizienten μ auf. Die Spreiz- bandrolle 03 weist einen Radius r auf. Folglich gilt: M ₁ = F ₂ ^• r + (M ^■ FN), wobei der erste Summand dem Antriebsmoment entspricht und der zweite Summand dem Reibmoment des geführten Spreizbandes 01 entspricht.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwi- ekeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist wiederum auf die in Fig. 1 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der übersichtlichkeit auf die Darstellung einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt ein Drehmoment M ₁ , sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 12 bewegt wird. Das Drehmoment Mi wirkt entgegen einer Schubkraft F _s auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle 03 wirken Einzelkräfte FRy auf das Rollenband. Von dem Rollenband wirken Einzelkräfte F _0x auf die Oberfläche der Spreizbandrolle 03. Die Reibung des Spreizbandes 01 gegenüber dem Rollenband weist einen Reibungskoeffizienten μ auf. Die Spreizbandrolle 03 weist einen Radius r auf. Folglich gilt: M ₁ = Fs T ₊ KM - FNH(M - FRy)].

Bezugszeichenliste

01 Spreizband

02 Aufwickelrolle 03 Spreizbandrolle

04 Nadelrollen

05 -

06 Einfädelöffnung

07 Segmentbügel 08 Drehpunkt

09 Druckfeder, Aktuator

10 —

11 Richtung des Zugbar

12 Richtunα des Zuαbar