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Dokumentenidentifikation DE10106938A1 19.09.2002
Titel Gelenkantrieb
Anmelder Astrium GmbH, 85521 Ottobrunn, DE
Erfinder Schepelmann, Jürgen, Dipl.-Ing., 28199 Bremen, DE
Vertreter Patentanwälte HANSMANN-KLICKOW-HANSMANN, 22767 Hamburg
DE-Anmeldedatum 15.02.2001
DE-Aktenzeichen 10106938
Offenlegungstag 19.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse F16D 3/16
Zusammenfassung Bei einem Gelenkantrieb ist eine Gelenkkugel in einem Zwischengehäuse gelagert, das seinerseits wie ein Kugelgelenk in einem Grundgehäuse gelagert ist. Der Gelenkkugel sowie gegebenenfalls auch dem Zwischengehäuse ist jeweils ein Antrieb zugeordnet, wobei jeder Antrieb einen Elektromotor aufweist und wobei wenigstens einer der Antriebe über einen Kegeltrieb, einen Schneckentrieb sowie über ein schrägverzahntes Zahnradpaar die zugeordnete Komponente beaufschlagt. Ferner ist wenigstens eine, vorzugsweise sind zwei Schaltkupplungen vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gelenkantrieb mit einem Kugelgelenk.

Gelenkantriebe sind in der Technik häufig als Kardan- oder Kreuzgelenk ausgeführt, daneben sind bereits Kugelgelenkantriebe der eingangs genannten Art bekannt geworden. Bei Kreuzgelenken besteht häufig ein charakteristischer Nachteil darin, daß sich die Bewegungsübertragung dadurch ungleichförmig vollzieht, daß einem Drehwinkel α einer antreibenden Welle ein abwechselnd größerer oder kleinerer Drehwinkel β einer zugeordneten angetriebenen Welle entspricht. Dieser Unterschied nimmt mit dem Neigungswinkel γ der gekuppelten Welle zu. Um diese Ungleichförmigkeit auszugleichen, stellt es eine bereits bekannte Maßnahme bei Kreuzgelenken dar, zwischen diesen beiden Wellen eine Zwischenwelle derart anzuordnen, daß sie mit den beiden Wellen den gleichen Winkel einschließt und somit die Gabeln des Kreuzgelenkes in einer Ebene liegen. Eine solche Anordnung ist insbesondere im Werkzeugmaschinenbau häufig anzutreffen.

Bei einem bekannten Kreuzgelenk mit vier angetriebenen Wellen wird das Kupplungsstück zwischen der An- und Abtriebswelle von zwei sich unter 90 Grad kreuzende Zapfen gebildet. Soll bei einer derartigen Anordnung erreicht werden, daß bei konstantem Neigungswinkel die Abtriebsdrehzahl derjenigen des Antriebes entspricht, so muß der Motor nach einem komplizierten Steuergesetz angetrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gelenk der eingangs genannten Art mit wenigstens drei Freiheitsgraden so auszubilden, daß es einen möglichst geringen konstruktiven Aufwand und zugleich einen kompakten Aufbau aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Gelenk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patenanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gelenkes nach der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Das Kugelgelenk nach der Erfindung stellt dabei ein Gelenk mit drei Freiheitsgraden der Bewegung dar und ist somit drei herkömmlichen Rotationsgelenken gleichwertig, wobei jedoch nicht nur der bauliche Aufwand wesentlich geringer ist, sondern zugleich die Positionierbarkeit erheblich verbessert ist, da das Gelenkspiel nur einmal statt, wie bei herkömmlichen Rotationsgelenken, dreimal auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen Gelenk kann es sich aber auch um ein Kugelrohrgelenk mit insgesamt vier Freiheitsgraden handeln. Auch bei diesem erfindungsgemäßen Gelenk ergibt sich aufgrund seiner kompakten Lagerung ein nur minimales Lagerspiel.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen vierachsigen Kugelgelenkantrieb in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Anordnung gemäß Fig. 1, ebenfalls in schematischer Darstellung,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt in der X-Z-Ebene der Anordnung gemäß Fig. 1 im Bereich eines Schneckentriebes,

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt in der Y-Z-Ebene der Anordnung gemäß Fig. 1 im Bereich des Schneckentriebes,

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt in der X-Y-Ebene der Anordnung gemäß Fig. 1 im Bereich des Schneckentriebes,

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt in der Y-Z-Ebene einer der Anordnung gemäß Fig. 1 vergleichbaren Anordnung, in diesem Fall jedoch ohne Schneckentrieb,

Fig. 7 eine Darstellung der Bahnkurve der Körperachse zk für die in Fig. 6 gezeigte Anordnung,

Fig. 8 und 9 Details der Lagerung der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 10 bis 12 Darstellung der Kraft- und Momentenflüsse eines Verstellantriebes der Anordnung gemäß Fig. 1 bei Verstell- und Spinfunktion und

Fig. 13 bis 15 verschiedene Anwendungsfälle unter Verwendung einer Anordnung gemäß Fig. 1.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine Gelenkkugel 1, die derartig gelagert ist, daß Rotationen um beliebige Achsen möglich sind. Die Kugel 1 besitzt eine in der Darstellung schräg nach oben weisende Körperachse zK, die im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels an ihrem äußeren Ende ein Rührwerkzeug 26 trägt. Die Körperachse weicht um einen Winkel β von einer Spinachse zZ ab. Dadurch vollführt die Körperachse eine Bewegung auf einem entsprechenden Kegelmantel. Die Gelenkkugel 1 ist in einem Zwischengehäuse 19 gelagert, das oben offen ist. Die Lage des oberen Randes dieses Zwischengehäuses 19 bestimmt dabei den maximalen Verstellwinkel β der Körperachse zK der Gelenkkugel 1; im Fall der hier gezeigten Anordnung ist βmax = 45 Grad gewählt. Um auch die Spinachse zZ räumlich beliebig ausrichten zu können, ist das Zwischengehäuse 19 ebenfalls wie ein Kugelgelenk in einem Grundgehäuse 20 gelagert. Der zulässige maximale Schwenkwinkel um y ist durch den Rand des Zwischengehäuses 19 sowie durch die Breite eines äußeren Lagers 29 begrenzt, die durch den Winkel γ ausgedrückt wird.

Der Antrieb der Gelenkkugel erfolgt über einen Innen- Antrieb 28, derjenige für das Zwischengehäuse über einen Außen-Antrieb 30. Beide Antriebe sind prinzipiell ähnlich aufgebaut. Pro Antrieb ist ein Elektromotor 18 vorgesehen, der über einen Kegeltrieb, einen Schneckentrieb sowie über ein schrägverzahntes Zahnradpaar die Gelenkkugel 1 bzw. das Zwischengehäuse 19 verstellt oder antreibt. Gesteuert werden diese Bewegungen jeweils über zwei Schaltkupplungen 13, 14 (Fig. 3).

Die Fig. 2 bis 5 beziehen sich auf den Innen-Antrieb der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Dieser treibt vom Zwischengehäuse 19 aus die Gelenkkugel 1 an. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Innen-Antrieb 28 wird die Gelenkkugel 1 gegen das Zwischengehäuse 19 um den Winkel β verstellt. Der Außen-Antrieb 30 dagegen bewirkt ein Verdrehen des Zwischengehäuses 19 gegenüber dem Grundgehäuse 20 um einen Elevationswinkel El.

Der Elektromotor 18 treibt über ein Kegelrad 8 ein Kegelrad 9 an, während ein Kegelrad 10 leer mitläuft. Ermöglicht wird dies durch die Schaltkupplung 13, die in dieser Phase ausgeschaltet ist. Dagegen ist die weitere Schaltkupplung 14 eingeschaltet, um ein Verdrehen um die Z-Achse zu vermeiden. Beim Innen- Antrieb 28 treibt eine Schnecke 6 über ein Schneckenrad 3' ein Ritzel 3 an. Letzteres überträgt ein Moment auf ein Zahnradsegment 2, wodurch letztlich der Verstellwinkel β der Gelenkkugel 1 eingestellt wird. Der Schneckentrieb 6, 3' besitzt einen nur geringen Steigungswinkel und ermöglicht dadurch ein feinfühliges Einstellen dieses Winkels. Er ist selbsthemmend, so daß eine Sicherheit gegen Verdrehen bei Krafteinleitungen von der Abtriebsseite her gegeben ist. Die Schaltkupplungen 13 bzw. 14 sind vorzugsweise nicht als Zahnkupplungen ausgebildet, da sie in diesem Fall die beiden Hälften nicht stufenlos in der erforderlichen Winkelgenauigkeit fixieren könnten. Vorteilhafterweise sind diese Schaltkupplungen, wie im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels als elektromagnetische Einflächenkupplungen ausgebildet.

Bei der in Fig. 6 dargestellten zweiten Variante eines Kugelgelenkantriebes ist beim Außen-Antrieb auf einen Schneckentrieb verzichtet worden, um eine direktere und schnellere Verstellung auch im Zusammenhang mit dem Spinantrieb zu ermöglichen. Die Motordrehzahl entspricht damit der Spindrehzahl bzw. der Geschwindigkeit des Azimutwinkels Az. Um in diesem Fall auch den Elevationswinkel El der Spinachse mit der gleichen Geschwindigkeit ändern zu können, sind der Kegeltrieb 8, 9 und die schrägverzahnten Räder 3, 2 in ihrer jeweiligen Übersetzung aufeinander abgestimmt. Die Gesamtübersetzung ist dabei = 1 gewählt. Falls nun der Winkel Az und der Winkel EI wechselweise nach einem Steuergesetz angetrieben werden, kann, wie in Fig. 7 dargestellt, eine beliebig dem Großkreis angenäherte Bewegungsspur ausgeführt werden. Damit ist ein relativ direkter Transfer der Spinachse zz von einem Startort S zu einem Zielort Z möglich.

Wie beschrieben, wird über den Innen-Antrieb 28 der Spinwinkel α, über den Außen-Antrieb 30 der Azimutwinkel Az von der jeweiligen Motorwelle direkt eingestellt. Voraussetzung für diese Antriebsform ist, daß die Schaltkupplung 14 ausgeschaltet ist, damit sich der Gehäusetopf 11 drehen kann. Andererseits muß die Schaltkupplung 13 eingeschaltet sein. Dann werden über das Kegelrad 8 die beiden Kegelräder 9 und 10 angetrieben, wobei sie gegeneinander wirken und die sie verbindende Welle verspannen. Die Folge ist, daß sich über die Lagerkräfte ein Moment um die Z-Achse der Anordnung aufbaut, das sich über den Schneckentrieb und den Schrägzahntrieb auf die Gelenkkugel 1 oder das Zwischengehäuse 19 fortsetzt.

Die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Lagerung eines Kugelgelenkes erlaubt Drehungen um drei Achsen, und zwar eine Drehung um die Z-Achse, d. h. den Azimut, sowie Drehungen um beliebige horizontale Achsen, durch die die Elevation festgelegt wird. Konstruktiv gelöst wird dies durch eine Aufteilung des Lagers für die Gelenkkugel 1 in zwei Teilkomponenten 36 außen und 33, 34, 35 innen. Die innere Teilkomponente ermöglicht dabei die Einstellung des Elevationswinkels. Als besonders günstig haben sich in diesem Zusammenhang für die inneren Teilkomponenten drei Kugelumlaufschuhe 33 bis 35 erwiesen, die äquidistant auf dem Umfang angeordnet sind. Die äußere Teilkomponente besteht aus einem zweireihigen Schrägkugellager 36 und ermöglicht die Einstellung von Azimutwinkeln.

Von beiden Lagerkomponenten müssen positive und negative Kräfte in Richtung der drei Koordinatenachsen aufgenommen werden können. Für die Aufnahme von axialen Kräften in Richtung der positiven Z-Achse ist bei der inneren Teilkomponente die obere halbe Lagerbreite maßgebend. Sie ist beim Innenlager 27 (Fig. 1) mit 45 Grad hinreichend groß. Ein größerer Wert würde hier andererseits den Elevationswinkelbereich für die Körperachse zK zu sehr einschränken. Radiale Kräfte in x- und y-Richtung können ebenfalls gut aufgenommen werden.

Dadurch, daß die äußere Teilkomponenten sowohl beim Innenlager 27 als auch beim Außenlager 29 jeweils als robustes zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet sind, können alle auftretenden Kräfte gut übertragen werden.

Beim Außenlager 29 ist die obere halbe Lagerbreite relativ gering gewählt. Der Grund liegt darin, daß bei einer zu großen Breite die Einstellmöglichkeit des Zwischengehäuses gegenüber dem Grundgehäuse eingeschränkt wäre. Während Kräfte in Richtung -zz gut aufgenommen werden können, sind für Richtung +zz nur geringere Kräfte übertragbar. Um eine zusätzliche Abstützung dieser Kräfte in Richtung +zz zu ermöglichen, sind zwischen dem Zahnradsegment 2 und der Aufnahmegabel 5 beidseitig Führungsrollen 21 schräg angeordnet (Fig. 3), die einen Teil der axialen Zugkräfte übertragen können. Obwohl beim Innenlager 27 diese zusätzliche Abstützung nicht erforderlich ist, kann auch bei diesem, wie im Fall des hier gezeigten Ausführungsbeispiels, aus Gründen der einheitlichen Bauweise die gleiche Stützrollenanordnung wie beim Außenlager 29 gewählt.

In den Fig. 10 bis 12 werden Kraft- und Momentenflüsse dargestellt vom Motor bis zur Gelenkkugel. Kraftvektoren sind derartig dargestellt, daß bei O der Vektor aus der Papierebene herausragt, während bei O die entgegengesetzte Richtung gilt.

Der Verstellantrieb 28 ist in Fig. 10 im Detail dargestellt. Der Verstellwinkel β wird über den Elektromotor 18 eingestellt. Dabei wird die Welle 7 über die Kegelräder 8 und 9 angetrieben, wobei das Kegelrad 10 leer mitläuft, da die Schaltkupplung 13 ausgeschaltet ist. Weiterhin treibt die Schnecke 6 über das Schneckenrad 3' und das Ritzel 3 das Segment 2 und damit die Gelenkkugel 1 an. Die Reaktionskräfte werden über das Lager der Gelenkkugel 1 in das Zwischengehäuse 19 übertragen. Außerdem werden die Lagerreaktionen der Schneckenwelle 7 vom Gehäusetopf 11 aufgenommen. Die zugehörigen Momente werden vom Gehäusemoment des Elektromotors 18 ausgeglichen. Die Abstützkraft des Schneckenrades 3 wird über die Aufnahmegabel 5 und den Gehäusedeckel 12 ebenfalls vom Gehäusetopf 11 aufgenommen. Die Axialkraft der Schnecke 6 wird ebenfalls vom Gehäusetopf 11 abgestützt. Diese Abstützkräfte werden über das blockierte Lager 17 (Fig. 12) weiter in das Zwischengehäuse 19 geleitet, sofern die Schaltkupplung 14 eingeschaltet ist.

Fig. 11 zeigt einen gegenüber der Fig. 10 abgeänderten Aufbau, wobei bei dieser Anordnung die Schnecke 6 und die Schneckenwelle 7 fehlen. Das Ritzel 3 treibt hier das Segment 2 direkt an. Die Kraftflüsse decken sich im wesentlichen mit den anhand von Fig. 10 beschriebenen. Aufgrund der Schrägverzahnung zwischen dem Ritzel 3 und dem Segment 2 tritt, wie in Fig. 11 dargestellt, beim Verstellen ein Axialschub auf. In diesem Fall werden die Normalkräfte über Führungsrollen 21 auf die Rollenbahnen der Gabel 5 übertragen (Fig. 6). Die resultierende Normalkraft N wird auch hier wieder über die Aufnahmegabel 5 und den Gehäusedeckel 12 auf den Gehäusetopf 11 übertragen.

Bei dem in Fig. 12 dargestellten Spinantrieb treibt das Abtriebsmoment MAB die Gelenkkugel 1 um die Spinachse z an, so daß ein Spinwinkel α aufgebaut wird. MAB wird dabei entweder vom äußeren Widerstandsmoment oder vom Beschleunigungsmoment ins Gleichgewicht gesetzt. Die Antriebswelle 16 läßt, da die Schaltkupplung 13 ein- und die Schaltkupplung 14 ausgeschaltet ist, die darüber befindlichen Komponenten der Anordnung mittels des Lagers 17 rotieren. Das in der Schrägverzahnung um die Spinachse z wirkende Kräftepaar verursacht dabei Axialschübe, die sich in der Summe ausgleichen.

Der Antrieb des Zahnradsegmentes 2 über das Ritzel 3 erfolgt über eine doppelte Schrägverzahnung. Das Zahnradsegment 2 besteht dazu aus zwei nebeneinanderliegenden Schrägzahnsegmenten, zwischen denen ein Schneckenradsegment angeordnet ist. Die beiden Schrägzahnsegmente ermöglichen wegen ihres Abstandes voneinander eine günstige Momentenübertragung um die Spinachse z.

Bei der Verstellung der Gelenkkugel 1 kommt es zu einem gegenseitigen Abwälzen beider Teile, wobei stets ein Axialschub auftritt. Wird dagegen ein Spin um die zentrale Achse erzeugt, so ändern sich die Flankenpressungen. Es tritt in diesem Fall kein resultierender Axialschub auf, da sich die Einzelanteile aufheben.

Der Sprungüberdeckungsgrad εs erfaßt die Verlängerung der wirksamen Eingriffsstrecke durch die Umfangserstreckung eines Zahnes. Er sollte möglichst ganzzahlig gewählt sein, um eine gleichmäßige Zahnbeanspruchung zu erzielen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist εs = 2, d. h. es sind mindestens immer zwei Zähne im Eingriff. Dadurch ist auch die Übertragung größerer Kräfte möglich bzw. es ist eine größere Laufruhe gegeben. Andererseits erhöht sich bei normaler Beanspruchung die Lebensdauer, da die Zahnpressungen geringer sind.

Der Schneckentrieb dient der Feineinstellung der Gelenkkugel-Körperachse zK. Das Schneckenrad 3' besitzt die gleiche Drehachse wie das Ritzel 3. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei wichtig, daß eine Selbsthemmung vorhanden ist. Das bedeutet, daß ein äußeres, von der Gelenkkugel 1 verursachtes Moment die Schnecke 6 nicht in Bewegung zu setzen vermag.

Die beiden Kegelradpaare 8 und 9 bzw. 8 und 10 ermöglichen in Verbindung mit den beiden Schaltkupplungen 13 und 14 die Verstellfunktion oder den Spinantrieb der Gelenkkugel 1 bzw. des Zwischengehäuses 19.

Das hier beschriebene Antriebskonzept, bestehend aus Innen-Antrieb 28 und Außen-Antrieb 30, umfaßt insgesamt vier angetriebene Achsen, die, wie in der Robotertechnik üblich, auch als Gelenke bezeichnet werden können. Diese vier Gelenke ermöglichen drei rotatorische Freiheitsgrade. Zwar ließen sich im Prinzip auch mit nur drei Achsen bzw. drei Gelenken die gewünschten Bewegungen realisieren, jedoch wäre in diesem Fall die Steuerung sehr aufwendig und das Ergebnis in stärkerem Maße fehlerbehaftet, so daß eine solche Lösung als weniger geeignet angesehen werden kann.

In den Fig. 13 bis 15 sind schließlich verschiedene Anwendungen des vorangehend beschriebenen Kugelgelenkantriebes dargestellt. Als besonders geeignet hat sich der vorangehend beschriebene Kugelgelenkantrieb beispielsweise in Zusammenhang mit Rührwerken erwiesen, wie sie in der Verfahrenstechnik zum Einsatz kommen. Derartige Rührwerke werden insbesondere zum Mischen von Flüssigkeiten eingesetzt, wobei auch Gase oder Festkörper in dem zu vermischenden Gut vorhanden sein können.

Fig. 13 zeigt zunächst eine Anordnung, bei der über einem Rührkessel 39 ein Kugelgelenkantrieb 38 der vorangehend beschriebenen Art zusammen mit einem Quirl 40 angebracht ist. Die folgenden Betriebsarten sind bei dieser Anordnung möglich:

  • - Quirlen, wobei der Winkel β zwischen Körper- und Spinachse Null ist. Der Quirl 40 kann dabei über die gesamte Achsenlänge auch als Schnecke ausgebildet sein, wobei das Verfahren dann dem bei einem Kegelschneckenmischer ähnelt. Diesem gegenüber kann jedoch bei der hier beschriebenen Anordnung die Spinachse in beliebiger Weise und nicht nur auf einem Kegelmantel bewegt werden.
  • - Allgemeines Mischen, wobei der Winkel β beliebig einstellbar ist. Ein Zusammenhang zwischen dem Winkel β und der Lage der Spinachse ist dadurch gegeben, daß die Rührplatte nicht gegen die Behälterwand schlagen darf. Vorteilhaft ist, daß der Rührort oder die Position der Rührplatte auf einfache Weise variiert werden kann. Neben der Spinachse kann auch der Winkel β während des Rührprozesses ständig geändert werden mit dem Resultat, daß bei üblichen Mischzeiten eine gute, gleichmäßige Zufallsmischung erzielbar ist.

Beim Mischen von Feststoffen in Form eines Schüttgutes wird durch die Bewegung des Mischbehälters die zum Vermischen notwendige Relativbewegung von Teilbereichen erzeugt. Es handelt sich um rotierende Mischer, auch Schwerkraft- oder Freifallmischer genannt. Im einfachsten Fall rotiert ein zylindrischer Behälter um seine horizontale Achse. Das Schüttgut wird durch die Rotation einseitig angehoben und rutscht über die sich bildende Böschung ab. Fig. 14 zeigt demgegenüber eine Mischkapsel 48 in Form einer Gelenkkugel, die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels als Hohlkugel ausgebildet ist und die zur Verbesserung der Mischwirkung mit rippenartigen Strombrechern 41 versehen ist. Die Gelenkkugel 48 ist in einem Zwischengehäuse 42 gelagert, das wiederum in einem Grundgehäuse 43 angeordnet ist. Die Anordnung ist mit zwei entsprechenden Antrieben 44 und 45 versehen. Die Mischkapsel 48 sowie das Zwischengehäuse 42 sind jeweils mit Deckeln 46 bzw. 47 verschließbar.

Nach Befüllung mit Mischgut wird die Füllöffnung mit dem Deckel 46 verschlossen. Auch das Zwischengehäuse wird nach dem Befüllen mit dem Deckel 47 verschlossen. Da keine Körperachse vorhanden ist, liegt keine Beschränkung für den Winkel β vor. Somit sind sehr vielfältige Bewegungsprofile für die vier Achsen möglich. Die Innenrippen 41 können dadurch sehr komplexe Relativbewegungen gegenüber der Mischmasse vollführen und es ist eine sehr effektive Durchmischung möglich.

Ein weiteres Einsatzgebiet für den vorangehend beschriebenen Kugelgelenkantrieb sind Nachführungen, wie sie insbesondere im Bereich der Raumfahrttechnik vielfach erforderlich sind. So sind die zur Energieversorgung von Satelliten dienenden Solarzellen meist flügelartig zu beiden Seiten des Satelliten angebracht. Um sie bei Satelliten ohne Lageregelung derartig nachzuführen, daß die Sonnenstrahlen möglichst senkrecht auftreffen, sind gelenkige Anordnungen erforderlich. Eine Nachführung mit dem vorangehend beschriebenen Kugelgelenkantrieb kann hier auf relativ einfache Weise die erforderlichen Freiheitsgrade liefern, wobei in der Regel bereits ein Einfach-Antrieb genügt. Der Stellmotor muß dabei stark ins Langsame übersetzen, wobei in vorteilhafter Weise insbesondere ein sehr exakt arbeitender Schneckentrieb Verwendung findet.

Ähnliche Anwendungen finden sich auch im Bereich der Verkehrstechnik, wo insbesondere Antennen häufig nachgeführt werden müssen. So ist es sehr wichtig, daß eine Stab- oder Parabolantenne in ihrem Inertialsystem konstant exakt ausgerichtet bleibt. Bei bewegten Massen, wie Land- und Seefahrzeugen, Flugzeugen oder Satelliten, kommt es ständig zu räumlichen Lageänderungen, die durch Störgrößen bedingt sind, deren Wirkungen zu messen sind und die somit die Art der Nachführung bestimmen. Auch hier kann der vorangehend beschriebene Kugelgelenkantrieb als Einfach-Antrieb mit einem Schneckentrieb vorteilhaft eingesetzt werden.

Gleiches gilt auch für Kraftfahrzeugscheinwerfer. Die theoretische Reichweite normaler asymmetrischer Scheinwerfer beträgt bei Abblendlicht am rechten Fahrbahnrand etwa 50 m. Die wirkliche Sichtweite kann von diesem Wert beträchtlich abweichen, wobei bei günstigen Verkehrsverhältnissen bei asymmetrischem Abblendlicht ohne Gegenblendung mit etwa 70 bis 100 m am rechten und etwa 60 m am linken Fahrbahnrand gerechnet werden kann. Bei einer Blendung durch den Gegenverkehr verändert sich die Sichtweite mit der Entfernung zweier sich begegnender Fahrzeuge jedoch nachteilig.

Der mechanische Teil eines Scheinwerfers ist das Gehäuse mit Einstellvorrichtung, wobei die Einstellung über Stellschrauben erfolgt. Diese Einstellung kann nun in der Art eines Kugelfußes derart erfolgen, daß dieser Fuß in die Kugel eines Kugelgelenkantriebes der vorangehend beschriebenen Art eingebaut wird, wodurch zwei Winkel leicht einstellbar werden und damit die Sichtverhältnisse leicht zu variieren. Sind. Um den rechten Fahrbahnrand besser auszuleuchten, können bei einer solchen Anordnung die Scheinwerfer bei Gegenblendung nach rechts verschwenkt werden, wobei gleichzeitig die Sichtweite am linken Straßenrand und damit auch die Blendwirkung verringert wird.

Darüber hinaus ist die Reichweite des Abblendlichtes in der Regel derartig optimiert, daß sie während des Fahrens hinreichend groß ist, daß aber andererseits der Gegenverkehr nicht geblendet wird. Hier ist eine Einstellbelastung vorgeschrieben, die abhängig vom Gewicht und von der Verteilung der Insassen angegeben wird. Bei Abweichungen von dieser definierten Belastung kann es ebenfalls zu Reichweitenabweichungen und damit zu Blendwirkungen kommen. Durch Verschwenken um eine waagerechte Achse, entweder nach oben oder nach unten, ist auch hier die Einhaltung der zulässigen Reichweite möglich.

Schließlich ist es während einer Kurvenfahrt für einen Kfz-Fahrer wünschenswert, die vor ihm liegende Fahrbahn gut auszuleuchten und zur Erhöhung der Fahrsicherheit eine möglichst große Sichtweite zu haben. Durch den Einsatz eines Kugelgelenkantriebes der vorangehend beschriebenen Art können die Scheinwerfer in etwa gleichem Maße in Rechtskurven nach rechts und in Linkskurven nach links verschwenkt werden, wobei jedoch ein Optimum gefunden werden muß zwischen der Kurvenausleuchtung und der Blendung des Gegenverkehrs, da ansonsten die Blendung des Gegenverkehrs in Linkskurven problematisch werden könnte.

In all diesen Fällen kann ein Kugelgelenkantrieb in Form eines Einfach-Antriebes vorteilhaft eingesetzt werden, vorzugsweise in Verbindung mit einem Regelungssystem, das über eine Verarbeitung geeigneter Sensordaten die Sollwerte für die einzelnen Einstellwinkel vorgibt.

Eine weitere Anwendung eines Kugelgelenkantriebes der vorangehend beschriebenen Art ist schließlich beim Farbspritzen gegeben. Fig. 15 zeigt abschließend einen Roboterarm 50, bei dem statt eines Greifers eine Farbspritzpistole 51 montiert ist. Die Aufgabe besteht in diesem Fall darin, eine plane Fläche oder die Innenseite einer zylindrischen oder kugeligen Fläche 52 gezielt und definiert mit Farbe zu besprühen. Insbesondere die Gestaltung von grafischen Mustern oder Schriften ist schwierig, denn hier sind der Abstand der Farbspritzpistole 51 von der Fläche 52 und der Auftreffwinkel des Farbstrahles auf diese Fläche von Bedeutung. Diese Aufgabe wird durch einen Roboterarm 50 mit den rotatorischen Freiheitsgraden Az und El sowie mit dem translatorischen Freiheitsgrad L, d. h. einer Längenänderung des Roboterarmes 50, erfüllt. Es handelt sich bei diesem Roboterarm 50 um ein Kugelrohrgelenk. Das Kugelgelenk stellt dabei einen Einfach-Antrieb dar. Wird zudem ein präzises Lineargelenk verwendet, so kann in Kombination mit dem Kugelgelenk bei dieser Anordnung eine gute Positioniergenauigkeit erreicht werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Gelenkantrieb mit einem Kugelgelenk, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gelenkkugel (1) in einem Zwischengehäuse (19) gelagert ist, daß das Zwischengehäuse (19) seinerseits in einem Grundgehäuse (20) gelagert ist und daß der Gelenkkugel (1) ein Antrieb (28) zugeordnet ist.
  2. 2. Gelenkantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengehäuse (19) als Kugelgelenk gelagert ist.
  3. 3. Gelenkantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zwischengehäuse (19) ebenfalls ein Antrieb (30) zugeordnet ist.
  4. 4. Gelenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antrieb (28, 30) einen Elektromotor (18) aufweist, von denen wenigstens einer über einen Kegeltrieb, einen Schneckentrieb sowie über ein schrägverzahntes Zahnradpaar die zugeordnete Komponente (1, 19) beaufschlagt.
  5. 5. Gelenkantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schaltkupplung (13, 14) vorgesehen ist.






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