Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes und ein Verfahren zum Kompensieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes in einem Antriebssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe.

Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und sind daher insbesondere für Anwendungen geeignet, für die präzise Bewegungen und ein geringer Raumbedarf erforderlich sind. Da sich aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses mit relativ kleinen Motoren hohe Drehmomente erzeugen lassen, können durch Spannungswellengetriebe sehr kompakte Antriebsmechanismen realisiert werden, die beispielsweise in der Robotik zum Einsatz kommen.

Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten Übertragungsring („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.

Wirkt im Betrieb ein übermäßig starkes Drehmoment, beispielsweise wenn das Getriebe gegen einen hohen Widerstand arbeitet, so kann der Eingriff zwischen Übertragungsring und Außenring zumindest teilweise verloren gehen, so dass die Zähne des Übertragungsrings die Zähne des Außenrings überspringen („ratcheting“). Während die Drehung des Übertragungsrings und die des Außenrings im Normalbetrieb strikt gekoppelt sind, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung vorübergehend zu einer unkontrollierten Relativdrehung zwischen den beiden Ringen. Dadurch entsteht auf der Abtriebsseite ein unbekannter Winkelversatz (Offset) gegenüber der Antriebsseite, der eine genaue Kontrolle der Winkelposition unmöglich macht. Da sich am Zustand des Getriebes nicht erkennen lässt, ob und in welcher Größenordnung eine solche Eingriffsstörung stattgefunden hat, wird zudem die Suche nach der Ursache des danach auftretenden Fehlverhaltens erschwert.

Aus der JP 2021014876 A ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren bekannt, bei der das auf der Abtriebsseite eines Spannungswellengetriebes wirkende Drehmoment gemessen und mit zwei Schwellwerten verglichen wird. Eine Überschreitung des ersten Schwellwerts dient als Indiz für eine Eingriffsstörung, während eine Überschreitung des zweiten Schwellwerts ein mögliches Knicken („buckling“) des Übertragungsrings anzeigt. Nachteilig an diesem Verfahren ist zum einen, dass das kritische Drehmoment („ratcheting torque“), bei dem mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Eingriffsstörung auftritt, von Getriebe zu Getriebe variiert. Zum anderen lässt sich mit einem solchen einfachen Schwellwertverfahren nicht zuverlässig ermitteln, ob tatsächlich eine Eingriffsstörung stattgefunden hat, ob das zeitweise aufgetretene hohe Drehmoment störungsfrei abgebaut wurde und in welchem Umfang die Eingriffsstörung stattgefunden hat.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Robustheit eines Antriebsmechanismus mit einem Spannungswellengetriebe, insbesondere eines Roboters, erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes, das einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring,

Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs,

Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments und Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring, welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Kompensieren einer Eingriffsstörung eines Spannungswellengetriebes in einem Antriebssystem, insbesondere eines Roboters, wobei das Spannungswellengetriebe einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Antriebssystem einen Drehgeber zur Messung der Drehstellung des Wellengenerators des Spannungswellengetriebes aufweist, wobei ein Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren einer Eingriffsstörung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird und der berechnete Winkelversatz an eine mit dem Drehgeber verbundene Auswerteeinheit übermittelt wird, welche die Eingriffsstörung anhand des berechneten Winkelversatzes kompensiert.

Die Detektion der Eingriffsstörung basiert auf einem gemessenen zeitlichen Drehmomentverlauf am verformbaren Übertragungsring. Dieser gibt das dynamische Verhalten der Drehmomentübertragung vor und während der Eingriffsstörung wieder. Typischerweise baut sich im Vorfeld der Eingriffsstörung zunächst ein übermäßig hohes Drehmoment auf, das schließlich dazu führt, dass die Zähne des Übertragungsrings den Eingriff mit dem Außenring verlieren und dessen Zähne überspringen. Dabei wird das angestaute Drehmoment innerhalb kurzer Zeit stark reduziert. Diese Abnahme des Drehmoments, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als charakteristische Signatur einer Eingriffsstörung dienen und das zuverlässige Detektieren der Eingriffsstörung ermöglichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der bei der Eingriffsstörung übersprungenen Zähne bzw. Zahneingriffe zwischen Übertragungsring und Außenring anhand des Drehmomentverlaufs ermittelt. Eine Eingriffsstörung kann mehrere übersprungene Zähne bzw. Zahneingriffe aufweisen, wobei ein übersprungener Zahn anhand von vordefinierten Parametern erkannt werden kann. Erfindungsgemäß wird aus der ermittelten Anzahl an übersprungenen Zähnen ein Winkelversatz zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring bestimmt, wobei dieser Winkelversatz dem durch die übersprungenen Zähne bzw. Zahneingriffe definierte Winkelversatz entspricht. Dieser Winkelversatz entspricht dem Winkelversatz der zwischen dem eingangsseitigen Wellengenerator und dem ausgangsseitigen Außenring des Spannungswellengetriebes auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kompensieren der Eingriffsstörung wird der ermittelte Winkelversatz der Auswerteeinheit übermittelt, die mit dem Drehgeber verbunden ist. Die Auswerteinheit kompensiert dann das Auftreten der Eingriffsstörung anhand des berechneten Winkelversatzes. Dadurch kann die Robustheit des Spannungswellengetriebe aufweisenden Antriebssystems verbessert werden.

Der Wellengenerator des Spannungswellengetriebes wird insbesondere durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene Scheibe mit einer ovalen, beispielsweise elliptischen Form gebildet. Die Scheibe weist vorzugsweise ein auf ihrem Umfang aufgeschrumpftes Wälzlager mit einem dünnen, elastisch verformbaren Laufring und mehreren Wälzkörpern auf. Der Übertragungsring kann beispielsweise topfförmig („cup“) oder zylinderhutförmig („silk-hat“) ausgebildet sein, d.h. der Übertragungsring wird insbesondere durch eine zylindrische Wand einer topförmigen oder zylinderhutförmigen Buchse gebildet, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein kann. Hierbei handelt es sich um gängige Gestaltungsmöglichkeiten für den Übertragungsring, mit denen sich eine Vorspannung des Übertragungsrings gegenüber dem Wellengenerator erzielen lässt. Insbesondere kann der zeitliche Drehmomentverlauf über eine Auswerteeinheit analysiert und ausgewertet werden, die zeitliche Änderung der Messwerte bestimmt und mit einem Abnahmeschwellwert verglichen werden. Beispielsweise kann, insbesondere durch eine Differenzbildung oder eine numerische Ableitung der Drehmomentmesswerte, eine zeitlichen Änderungsrate ermittelt und mit dem Abnahmeschwellwert verglichen werden. Denkbar ist auch, dass bei dem Vergleich überprüft wird, ob sich das gemessene Drehmoment innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne mindestens um einen vorgegebenen Betrag verringert. Der Abnahmeschwellwert kann insbesondere ein relativer Abnahmeschwellwert sein, d.h. bei dem Vergleich wird überprüft, ob das gemessene Drehmoment mindestens um einen vorgegebenen prozentualen Anteil abgefallen ist. Bei einer Überschreitung des Abnahmeschwellwerts wird ein Warnsignal ausgelöst, das insbesondere an eine externe Datenverarbeitungseinheit, wie beispielsweise eine Kontroll- und Steuerungseinheit des Spannungswellengetriebes, übertragen werden kann.

Ferner kann bei der Detektion das gemessene Drehmoment mit mindestens einem Drehmomentschwellwert verglichen werden, wobei die zeitliche Abnahme des gemessenen Drehmoments nur dann bestimmt und mit dem Abnahmeschwellwert verglichen wird, wenn eine Überschreitung des Drehmomentschwellwerts erfasst wird. Der Drehmomentschwellwert dient dazu, die während des normalen Betriebs auftretenden Belastungsspitzen von übermäßig hohen Drehmomenten unterscheiden zu können, die eine Eingriffsstörung anzeigen bzw. ankündigen. So muss das Getriebe beispielsweise jeweils während des Start- bzw. Stoppvorgangs die Massenträgheit der an die Ausgangs- bzw. Abtriebsseite gekoppelte Last überwinden, was sich in einem kurzzeitig erhöhten Drehmoment äußert (Start/Stopp-Drehmoment). Tritt eine Behinderung auf der Abtriebsseite auf, beispielsweise wenn ein durch das Getriebe aktuierter Roboterarm an ein Hindernis anstößt, so arbeitet das Getriebe kurzzeitig gegen einen hohen Widerstand an (Anstoßdrehmoment, „impact torque“) bevor der Anstoß registriert wird. Bei sehr hohen Drehmomenten wird schließlich die mechanische Belastbarkeit des Übertragungsrings überschritten, so dass dieser knickt (Knickdrehmoment, Drillknickmoment, Biegedrillknickmoment, „buckling torque“). Zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment liegt das Ratschendrehmoment („ratcheting torque“), bei dem typischerweise Eingriffsstörungen ausgelöst werden. Der in dem Verfahren verwendete Drehmomentschwellwert kann beispielsweise dem Anstoßdrehmoment oder dem Ratschendrehmoment entsprechen. Vorzugsweise liegt der Drehmomentschwellwert zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Knickdrehmoment oder zwischen dem Anstoßdrehmoment und dem Ratschendrehmoment. Insbesondere kann der Drehmomentschwellwert individuell auf das Getriebe abgestimmt werden, beispielsweise indem vor der Inbetriebnahme in kontrollierter Weise eine oder mehrere Eingriffsstörungen ausgelöst werden und der Schwellwert in Abhängigkeit von dem bei den Eingriffsstörungen auftretenden Drehmomenten gewählt wird. Denkbar ist auch, zunächst einen Vergleich mit einem ersten Drehmomentschwellwert durchzuführen und im Falle einer Überschreitung einen Vergleich mit einem zweiten Drehmomentschwellwert durchzuführen, der höher als der erste Drehmomentschwellwert ist. Insbesondere kann der erste Drehmomentschwellwert dem Anstoßdrehmoment entsprechen, während der zweite Drehmomentschwellwert dem Ratschendrehmoment entspricht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Detektion wird zu Beginn des Verfahrens ein individueller Drehmomentschwellwert für das Spannungswellengetriebe ermittelt und der Vergleich des gemessenen Drehmoments mittels des individuellen Drehmomentschwellwerts durchgeführt, wobei der individuelle Drehmomentschwellwert insbesondere durch mindestens eine, vorzugsweise mehrere, kontrollierte Auslösungen von Eingriffsstörungen ermittelt wird. Anders ausgedrückt wird das gemessene Drehmoment mit einem individuellen Drehmomentschwellwert verglichen, wobei eine Überschreitung des individuellen Drehmomentschwellwerts erfasst wird und durch die Überschreitung des individuellen Drehmomentschwellwerts eine Erhöhung einer Abtastrate des Drehmomentsensors ausgelöst wird. Der individuelle Drehmomentschwellwert wird durch eine oder mehrere gezielte Experimente festgestellt. Beispielsweise kann dabei der individuelle Schwellwert so bestimmt werden, dass er oberhalb der beim Normalbetrieb auftretenden Drehmomentwerte (z.B. Start/Stopp-Drehmoment) liegt. Der im erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren und Quantifizieren ermittelte Winkelversatz zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring kann in einem weiteren Verfahrensschritt zur Kompensation der Fehlstellung genutzt werden. Ein Drehgeber kann während der Aufnahme des Drehmomentes die Position des Wellengenerators bestimmen, sodass anhand dieser Position eine Positionszuordnung der Eingriffsstörung möglich ist. Dieser Wert in Kombination mit dem ermittelten Winkelversatz des Außenringes kann an die Auswerteeinheit überführt werden. Aus der ermittelten Position des Drehgebers am Wellengenerator kann die Auswerteeinheit exakt die Drehstellung des Außenrings bestimmen, bei welcher die Eingriffsstörung aufgetreten ist. Die Auswerteeinheit kann mittels des Winkelversatzes den gemessenen Wert des Drehgebers korrigieren, wobei der Winkelversatz, welcher durch das sogenannte „Durchrutschen“ der Zähne am Außenring entsteht, ohne eine Bewegung des Antriebsmoduls durch ein „Reset“ des Drehgebers kompensiert werden kann. Beim „Reset“ des Drehgebers kann der Winkelversatz in die aktuelle Positionsbestimmung durch den Drehgeber einkalkuliert werden, wobei der Winkelversatz entweder zu der aktuellen Position addiert oder von dieser subtrahiert werden kann. Vorteilhafterweise kann durch das „Reset“ des Drehgebers weiterhin eine exakte Positionierung ausgangsseitig stattfinden, wobei die Robustheit des Spannungswellengetriebes erhöht wird. Standzeiten einer Maschine mit eingebautem Spannungswellengetriebe und Ungenauigkeiten in der Drehstellung am Außenring durch Eingriffsstörungen können darüber hinaus minimiert werden.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Drehgeber an einer eingangsseitigen Rotorwelle oder direkt an einem eingangsseitigen Antriebsmodul, bevorzugterweise ein Elektromotor, angebracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zeitliche Drehmomentverlauf mittels eines an dem verformbaren Übertragungsring angeordneten Drehmomentsensors erfolgt, der bevorzugt einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen aufweist. Die Sensordaten des Drehmomentsensors können hierbei die Daten für den Drehmomentverlauf bereitstellen. Mehrere Drehmomentsensoren erzeugen hierbei ein zuverlässigeres System, wobei bevorzugt Drehmomentsensoren mit einer hohen Messgenauigkeit verwendet werden. Der Drehmomentsensor kann beispielsweise am Übertragungsring angebracht oder in den Übertragungsring integriert sein. Insbesondere kann der Übertragungsring eine dehnungsempfindliche Struktur oder Beschichtung aufweisen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings messen lässt. Es ist ferner denkbar, dass ein Kompensations- Dehnungsmessstreifen verwendet werden kann, wobei dieser zur Kompensation von Temperaturschwankungen dienen kann. Bei einem hochdynamischen Betrieb können die Temperaturen innerhalb des Spannungswellengetriebes ansteigen, welches den Drehmomentverlauf verfälschen könnte. Ein Kompensations-Dehnungsmessstreifen kann innerhalb des Spannungswellengetriebes angeordnet sein, wobei dieser keine mechanischen Spannung erfährt, aber jedoch die gleichen Temperaturen erfährt. Hierdurch wird es der Auswerteeinheit möglich, die Verfälschung durch die Temperaturschwankung zu egalisieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messen des zeitlichen Drehmomentverlaufs das Messen einer Drehrichtung des Wellengenerators und/oder eines Betrags des Drehmoments umfasst. Über die vorhandene Sensorik kann die Drehrichtung des Wellengenerators bestimmt werden, wobei die Drehrichtung bei der Ausgabe des Drehwinkels des Außenrings von besonderer Relevanz ist. Aus der ermittelten Drehrichtung des Wellengenerators und der Übersetzung kann die Drehrichtung des Außenrings ermittelt werden, wobei diese zur Nutzung des ermittelten Drehwinkels des Außenringes benötigt werden kann. Alternativ kann die Drehrichtung des Wellengenerators direkt übermittelt werden oder ein Drehgeber, beispielsweise aufweisend einen Hall-Sensor, kann die Drehrichtung des Wellengenerators ermitteln.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Detektieren der Eingriffsstörung in dem gemessenen Drehmomentverlauf ein Ereignis einer gedämpften Schwingung erkannt wird. Beim Überschreiten des Ratschendrehmoments und beim „durchrutschen“ kann der Drehmomentverlauf der Eingriffsstörung eine gedämpfte Schwingung abbilden. Einerseits kann diese Eingriffsstörung bereits über die Schwellwerte erkannt werden, aber andererseits kann die Eingriffsstörung alternativ anhand der charakteristischen Schwingungsform erkannt werden. Das Moment baut sich hierbei kurzzeitig stark auf oder ab bis das Ratschendrehmoment über- bzw. unterschritten ist. Beim sogenannten „Durchrutschen“ der Zähne fällt zuerst das gemessene Moment ab, bis ein Zahn der Außenverzahnung erneut auf einen Zahn der Innenverzahnung trifft. Die Zähne können beim Durchrutschen aufeinanderprallen, wobei kurzzeitig eine Schwingung entsteht, welche bedingt durch den Eingriff und der Kraftzufuhr des Wellengenerators schnell gedämpft wird. Dies kann den charakteristischen Verlauf der gedämpften Schwingung abbilden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Ermitteln der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne eine Anzahl an aufeinanderfolgenden gedämpften Schwingungen in dem gemessenen Drehmomentverlauf ermittelt wird. Eine Eingriffsstörung kann mehrere übersprungene Zähne aufweisen, wobei die Anzahl an übersprungenen Zähnen für die Berechnung des Drehwinkels von besonderer Relevanz sind. Um den Drehwinkel des Außenringes exakt bestimmen zu können, kann innerhalb der Eingriffsstörung mit mehreren auftretenden gedämpften Schwingungen die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird während einer Eingriffsstörung überprüft, ob die übersprungenen Zähne nebeneinander angeordnet sind. Eine Eingriffsstörung mit mehreren übersprungenen Zähnen kann nur als solche erachtet werden, wenn die Zähne direkt nebeneinander übersprungenen werden. Sofern ein Zahn zwischen zwei übersprungenen Zähnen nicht übersprungen wird, können diese Ereignisse als zwei unterschiedlichen Eingriffsstörungen verstanden werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehwinkel 360° berechnet wird als A0 = ■ zs)/i, wobei Azs die Anzahl übersprungener Zähne Azc die

Anzahl Zähne der Innenverzahnung des Außenrings und i das Übersetzungsverhältnis ist. Aus dem gemessenen Drehmomentverlauf und den daraus ermittelten übersprungenen Zähnen kann der Winkelversatz zwischen Übertragungsring und Außenring, bedingt durch die Eingriffsstörung, ermittelt werden. Dieser Wert kann an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass anhand der Drehstellung des Wellengenerators eine Drehstellung des Außenrings ermittelt wird, an welcher die Eingriffsstörung aufgetreten ist, wobei die Drehstellung zusammen mit dem ermittelten Drehmomentwert beim Auftreten der Eingriffsstörung, und optional zusammen mit der Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne für einen späteren Vergleich gespeichert wird.. Durch einen solchen Vergleich können defekte Zähne oder stark verschlissene Zähne ermittelt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der ist vorgesehen, dass überprüft wird, ob ein Drehmoment beim Auftreten der Eingriffsstörung kleiner ist als ein gespeichertes Drehmoment an derselben Drehstellung des Außenrings bei einer vormals detektierten Eingriffsstörung. Die Daten des Drehgebers und weitere Daten können in einer internen Speichereinheit gespeichert werden. Vorteilhafterweise können diese Daten bei wiederholt auftretenden Eingriffsstörungen genutzt werden, wobei die an gleicher Drehstellung auftretenden Eingriffsstörungen miteinander verglichen werden können und ein Indikator für die Lebensdauer und den Verschleiß des Spannungswellengetriebes sein können. Wiederholt auftretende Eingriffsstörung an einer gleichen Drehstellung am Außenring können auf starken lokalen Verschleiß eines Zahnes oder die Beschädigung eines Zahnes hindeuten. So können die Drehmomentverläufe dieser Eingriffsstörungen miteinander verglichen werden, wobei starke Abweichung zwischen den Drehmomentverläufen auf Schädigungen oder starken Verschleiß hinweisen können. Mit steigender Betriebsdauer können mehrere Eingriffsstörungen an derselben Zahnposition auftreten, wobei eine zu einem späteren Zeitpunkt auftretende Eingriffsstörung einen geringeren Drehmomentanstieg, bzw. -abfall oder einen flacheren Gradienten im Drehmomentverlauf aufweisen sollte als eine vorher aufgetretene Eingriffsstörung. Der Vergleich des Drehmoments kann entweder das Ratschendrehmoment bei dem ersten übersprungen Zahn einer Eingriffsstörung betreffen oder das maximale Drehmoment bei dem ersten übersprungen Zahn einer Eingriffsstörung oder das gemittelte Drehmomentwert aus den mehreren gedämpften Schwingungen einer Eingriffsstörung, sofern mehrere Zähne übersprungen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Betrag der Drehmomente verglichen, sodass die Vorzeichen bei einem Vergleich der Daten nicht von Relevanz sind. Ferner vereinfacht dies den Vergleich und die gezielte Abfrage durch vordefinierte Kriterien bei einem Vergleich.

Das eingangs genannte Problem wird weiterhin gelöst durch ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe, das einen eingangsseitigen Wellengenerator, einen ausgangsseitigen, starren Außenring mit einer Innenverzahnung und einen elastisch verformbaren Übertragungsring mit einer Außenverzahnung umfasst, die in Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrings steht, wobei das Antriebsmodul dazu konfiguriert ist folgende Verfahrensschritte auszuführen:

- Messen eines zeitlichen Drehmomentverlaufs an dem verformbaren Übertragungsring,

- Detektieren einer Eingriffsstörung anhand des gemessenen Drehmomentverlaufs,

- Ermitteln einer Anzahl während der detektierten Eingriffsstörung übersprungener Zähne anhand der Messung des Drehmoments und

- Berechnen eines Winkelversatzes zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring, welcher der ermittelten Anzahl an Zähnen entspricht.

Durch das erfindungsgemäße Antriebsmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die zuvor iim Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können - allein oder in Kombination - gleichfalls bei dem erfindungsgemäßen Antriebsmodul Anwendung finden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes, sowie einen im Betriebsfall intakten Zahneingriff;

Fig. 3 eine schematische Eingriffsstörung, sowie eine Verformung eines Übertragungsringes zur Messung eines Drehmoments;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes eingangsseitig;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Spannungswellengetriebes ausgangsseitig;

Fig. 6 ein Drehmomentverlauf über die Zeit mit einer Eingriffsstörung;

Fig. 7 ein schematisches Sensorsystem und

Fig. 8 ein schematisches Flussdiagramm zum Erkennen, Quantifizieren und Kompensieren einer Eingriffsstörung.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Industrieroboter 200 ausgebildeten Roboters mit mehreren Armsegmenten 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 gemäß der Erfindung drehbar verbunden sind. Auch wenn der hier dargestellte Industrieroboter 200 drei Armsegmente 201 und drei Antriebsmodule 100 aufweist, sind Ausgestaltungen des Industrieroboters 200 mit einer abweichenden Anzahl an Armsegmenten 201 und Antriebsmodulen 100 denkbar, beispielsweise jeweils vier, fünf, sechs oder sieben. Ferner kann ein Antriebsmodul 100 für jegliche Robotergelenke verwendet werden.

In der Fig. 2 ist ein typischer Aufbau eines Spannungswellengetriebes 10 schematisch dargestellt. Die Hauptkomponenten des Spannungswellengetriebes 10 sind ein Wellengenerator 13, ein starrer Außenring 11 („circular spline“) mit Innenverzahnung 1 und ein dazwischen angeordneter flexibler Übertragungsring 12 („flexspline“) mit Außenverzahnung 2. Der Wellengenerator 13 wird durch eine, mit einer Antriebswelle verbundene ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 (nicht dargestellt) angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen. Der flexible Übertragungsring 12 wird durch den Wellengenerator 13 mit dem Außenring 11 in Eingriff gebracht, wobei jeder individuelle Zahn des Übertragungsrings 12 während einer 180°-Drehung des Wellengenerators 13 aus einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Außenrings 11 herausbewegt wird und in die jeweils nachfolgende Lücke wandert (angedeutet durch den Pfeil 3 im Ausschnitt 4). Auf diese Weise rotiert der Übertragungsring 12 relativ zum Außenring 11 in die, der Drehung des Wellengenerators 13 entgegengesetzte Richtung, wobei ein Drehmoment zwischen den beiden Ringen 11 und 12 übertragen wird. Der Abtrieb des Spannungswellengetriebes 10 kann dabei entweder über den Übertragungsring 12 (bei festem Außenring 11) und über den Außenring 11 (bei festem Übertragungsring 12) erfolgen. Im Folgenden wird der Abtrieb des Spannungswellengetriebes durch den Außenring 11 gebildet.

Als Folge eines übermäßig hohen Drehmoments kann der Eingriff zwischen den Verzahnungen 1, 2 vorübergehend verloren gehen, so dass ein Zahn des Übertragungsrings 12 mehrere Zähne des Außenrings 11 , während einer sogenannten Eingriffsstörung 62, überspringen kann (angedeutet durch den Pfeil 62). Während im Normalbetrieb durch die Verzahnung zwischen den Ringen 11, 12 eine strenge Beziehung zwischen den jeweiligen Drehwinkeln aufrechterhalten wird, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung zu einer unkontrollierten Relativdrehung und einem dadurch hervorgerufenen Winkelversatz 64 (siehe Fig. 6).

In Fig. 3 ist die dynamische Verformung des Übertragungsrings 12 in verschiedenen Phasen der Eingriffsstörung schematisch abgebildet. Der Übertragungsring 12 ist dabei als zylinderhutförmige Buchse („silk-hat“) ausgebildet (siehe Abbildung links), deren oberer Rand die Außenverzahnung 2 aufweist, die wiederum mit der Innenverzahnung 1 des Außenrings 11 in Eingriff gebracht wird. Der Verformungsgrad der zylinderförmigen Wand des Übertragungsrings 12 ist zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zusammen mit dem zugehörigen Zustand der Verzahnungen 1, 2 dargestellt. Die Position des Außenrings 11 ist jeweils durch einen Bezugspunkt 34 am oberen Rand des Übertragungsrings 12 markiert, während die Linien 36, 37, 38 die zugehörige Verdrillung des Übertragungsrings 12 wiedergeben. In der ersten Phase ist der Eingriff zwischen den Ringen 1, 2 noch intakt, wobei sich jedoch durch die elastische Verdrillung 36 des Übertragungsrings 12 ein immer stärker werdendes Drehmoment aufbaut. Mit steigender Verdrillung erhöht sich die Torsionssteifigkeit des Übertragungsrings 12, so dass das Drehmoment steil ansteigt und schließlich bei der Verformung 37 seinen Maximalwert erreicht. Beim Erreichen dieses kritischen Werts wird eine Eingriffsstörung 62 ausgelöst, bei der der Eingriff der Verzahnungen 1, 2 zumindest teilweise aufgehoben wird, die Verdrillung zurückschnellt und die Außenverzahnung 2 gegenüber der Innenverzahnung 1 springt. Die Linie 38 endet nach dem Sprung nicht mehr, wie vorher, an dem Bezugspunkt 34, sondern weist zu diesem einen Winkelversatz auf, der dem entstandenen Offset zwischen den Drehwinkeln der beiden Ringe 2, 3 entspricht. Anhand dieser Verdrehung kann mittels eines Drehmomentsensors 15, beispielsweise ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen, ein Drehmoment gemessen werden und in Form eines Drehmomentverlaufs 60 (siehe Fig. 6) über die Zeit nutzbar gemacht werden.

In der Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsmoduls 100 zum Bewegen eines Armsegments 201 eines Industrieroboters 200 dargestellt, das bei dem Industrieroboter 200 gemäß Fig. 1 Verwendung finden kann. Das Antriebsmodul 100 umfasst ein als Spannungswellengetriebe 10 ausgebildetes Getriebe, einen Elektromotor 20 und eine Bremseinrichtung 30. Ein weiterer Bestandteil des Antriebsmoduls 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist eine Elektronikeinheit 40. Der Wellengenerator 13 wird durch eine ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper 14 angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen.

Der Wellengenerator 13 des Spannungswellengetriebes 10 ist mit dem Elektromotor 20 gekoppelt, hier mit der Rotorwelle 21 des Elektromotors 20. Der Elektromotor 20 kann als Axialflussmaschine oder als Radialflussmaschine ausgestaltet sein.

Die Rotorwelle 21 und damit auch der Wellengenerator 13 sind ferner mit der Bremseinrichtung 30 gekoppelt, mittels welcher die Rotorwelle 21 verzögert und/oder festgelegt werden kann. Die Rotorwelle 21 ist zudem mit einem Positionssensor 50 gekoppelt, über weichen eine Position, hier eine Winkelstellung der Rotorwelle 21 ermittelt werden kann. Der Positionssensor 50 ist bevorzugt als optischer oder magnetischer Drehgeber bzw. Drehwinkelgeber ausgestaltet. Aus der Kombination aus dem Drehmomentsensor 15 und dem Positionssensor 50 kann der Betrag des Drehmomentes zwischen den Ringen 11, 12 und die Drehrichtung des Wellengenerators erfasst werden.

Fig. 5 zeigt ein Detail des Spannungswellengetriebes 10 des Antriebsmoduls 100 nach Fig. 4. Es ist erkennbar, dass an dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 ein Drehmomentsensor 15 angeordnet ist, mittels dem das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment gemessen wird. Der Drehmomentsensor 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Torsion des Übertragungsrings 12 messen lässt. Der Drehmomentsensor 15 ist mit einer Auswerteeinheit 41 des Antriebsmoduls 100 verbunden, welche kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich Messwerte des Drehmomentsensors 15 empfängt. Die Auswerteeinheit 41 ist bei dem Ausführungsbeispiel als Teil der Elektronikeinheit 40 ausgestaltet, vgl. Fig. 4. In Fig. 6 ist ein Drehmomentverlauf 50 über die Zeit abgebildet. Die Detektion einer Eingriffsstörung kann einerseits über den Gradienten des Drehmomentverlaufs 60 und/oder durch einen Schwellwert geschehen. Ein erheblicher Anstieg bzw. Abfall eines Drehmomentes und/oder ein steiler Anstieg bzw. Abfall des Gradienten des gemessenen Drehmomentverlaufs 60 erlaubt es die Eingriffsstörung 62 zu erkennen. Während einer Eingriffsstörung 62 können ein oder mehrere Zähne übersprungen werden, wobei die Anzahl an übersprungenen Zähnen im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wird. Aus der Anzahl an übersprungenen Zähnen während einer Eingriffsstörung 62 wird erfindungsgemäß ein Winkelversatz 64, der durch diese Eingriffsstörung erzeugt wurde, errechnet. Der Drehwinkel des Außenringes beschreibt dabei die Differenz zwischen der dem Positionssensor 50 gemessenen Drehstellung und der durch die Eingriffsstörung 62 verursachte wirkliche Drehstellung.

Die Notwendigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deutlich durch den in Fig. 6 gezeigten Winkelversatz 64. Eine Eingriffsstörung 62 kann auftreten, wenn der kritische Wert des Ratschendrehmomentes 61 überschritten wird. Die Eingriffsstörung 62 weist in diesem Fall drei übersprungene Zähne auf, wobei ein übersprungener Zahn jeweils eine gedämpfte Schwingung 62‘ in dem Drehmomentverlauf 60 erzeugt. Die durch einen Zahn erzeugten Winkelversatze 63 innerhalb einer Eingriffsstörung 62 ergeben aufsummiert den kompletten Winkelversatz für eine Eingriffsstörung 64, wobei es vom besonderen Interesse ist diese durch die Eingriffsstörung 62 erzeugte Fehlstellung zu kompensieren.

Basierend auf dem gemessenen Drehmomentverlauf 60 und den bereits erläuterten Kriterien zur Erkennung einer Eingriffsstörung 62 wird aus den durch die übersprungenen Zähne erzeugten gedämpften Schwingungen 62‘ eine Eingriffsstörung 62 detektiert. Die Eingriffsstörung 62 kann dabei eine oder mehrere gedämpfte Schwingungen 62‘ aufweisen, wobei aus diesen wiederum die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt wird. Diese Anzahl wird bei der Berechnung des Winkelversatzes des Außenringes 11 relativ zum Übertragungsring 12 benötigt, welcher dem Winkelversatz 64 zwischen Eingang und Ausgang des Spannungswellengetriebes entspricht. Die Anzahl an übersprungenen Zähnen 360° wird in der Auswerteeinheit 41 bestimmt und mit der Formel A0 = ( - wobei Azs die

Anzahl übersprungener Zähne Azc die Anzahl Zähne der Innenverzahnung 1 des Außenrings 11 und j das Übersetzungsverhältnis ist, der Drehwinkel des Außenringes 11 berechnet. Eine Pluralität von gedämpften Schwingungen 62‘ zählt lediglich als eine Eingriffsstörung 62 sofern die übersprungenen Zähne, welche die gedämpften Schwingungen 62‘ erzeugen, nebeneinander angeordnet sind. Fig. 7 zeigt ein Sensorsystem 300, welches eine Auswerteeinheit 41 und ein Drehmomentsensor 15 aufweist. Dieses System 300 wird ferner durch Daten aus dem Positionssensor 50 unterstützt. Die im System 300 angeordnete Auswerteeinheit 41 umfasst dabei einen Filter und Verstärker 301 , einen Analog/Digital-Wandler 302, einen Mikroprozessor 303 und eine interne Speichereinheit 304. Die interne Speichereinheit 304 ermöglicht das Speichern von während einer Eingriffsstörung 62 gemessenen Drehmomenten und den dazu gemessenen Positionen. Anhand der Position können die Beträge von Drehmomenten bei an gleichen Positionen auftretenden Eingriffsstörungen verglichen werden. Die Daten des Positionssensors 50 stellen die Drehstellung des Übertragungsringes 12 bereit. Die Detektion und Quantifikation des Winkelversatzes des Außenringens 12 relativ zum Übertragungsring ermöglicht den „Reset“ des Drehgebers bzw. Positionssensors 50, sodass der Auswerteeinheit 41 die wirkliche Stellung des Außenringes 12 bekannt ist. Die Kompensation des Winkelversatzes 64 erhöht die Robustheit des Antriebsmoduls gegenüber Fehlstellung und kann somit die Lebensdauer eines solchen Moduls steigern. Sogar mit progressiver Lebensdauer und stark fortgeschrittenem Verschleiß im Spannungswellengetriebe 10 könnte ein genaues Ansteuern des Außenringes 11 bzw. eines Armsegments 201 eines beispielhaften Roboters 200 möglich sein.

Die interne Speichereinheit 304, innerhalb der Auswerteeinheit 41 , speichert die Drehstellung bei der eine Eingriffsstörung 62 aufgetreten ist zusammen mit dem ermittelten Drehmomentwert beim Auftreten der Eingriffsstörung 62, und optional die Anzahl, während der detektierten Eingriffsstörung 62, übersprungener Zähne. Die interne Speichereinheit 304 kann im Mikroprozessor 303 umfasst sein. Die Auswerteeinheit 40 kann ferner zwei oder mehrere Analog/Digital-Wandler 302, sowie Filter und Verstärker 301 aufweisen, wobei die Anzahl dieser Elemente abhängig von der Anzahl an Eingangsgrößen sein kann. So wäre es beispielsweise denkbar, dass der Positionssensor 50 und der Drehmomentsensor 15 jeweils ein eigenen Signalwandler 302 und einen Filter und Verstärker 301 innerhalb der Auswerteeinheit 41 aufweisen. Darüber hinaus könnte eine bevorzugte Ausgestaltungsform weitere physikalische Größen als Eingangsgrößen aufweisen, wobei diese besonders zum Vergleich der Drehmomentverläufe 60 während der Eingriffsstörungen 62 genutzt werden. Beispielsweise könnte das System 300 ein Temperatursensor und einen Drucksensor aufweisen. Die Temperatur ist insbesondere für die Betrachtung des Drehmomentverlaufs 60 relevant, da die bevorzugt genutzten Dehnungsmesstreifen (als Drehmomentsensor 15) sehr temperaturanfällig sind. Der Einfluss der Temperatur könnte dabei bei der Vergleichbarkeit der Daten ein erheblicher Faktor sein. Der durch den Mikroprozessor 303 berechnete Drehwinkel des Außenringes wird in der Ausführungsform aus Fig. 7 an den eingangsseitig positionierten Elektromotor 20 weitergegeben, wobei dieser gezielt, unter Berücksichtigung des zu kompensierenden Drehwinkels, angesteuert wird.

Eine Aufgabe der in Fig. 7 gezeigten Auswerteeinheit 41 liegt darin, die Messdaten des Drehmomentsensor auszuwerten und festzustellen, wieviele Zähne während einer Eingriffsstörung übersprungen wurden.

Anhand des Ablaufdiagramms in Fig. 8 soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Kompensation des Winkelversatzes 400 erläutert werden. In einem ersten Verfahrensschritt 401 wird eine Eingriffsstörung 62 erkannt. Anschließend wird anhand des erläuterten Verfahrens zur Detektion und Quantifizierung in einem zweiten Verfahrensschritt 402 die Drehrichtung detektiert und die Anzahl an übersprungenen Zähnen ermittelt. Die Drehrichtung des Elektromotors 20 kann entweder über den Positionssensor 50 oder über ein Drehzahlsensor am Elektromotor 20 bestimmt werden. Im dritten Verfahrensschritt 403 wird der Drehwinkel des Außenringes 11 bestimmt. Der Kompensationswinkel bzw. der Winkelversatz wird durch die bereits weiter oben erläuterte Formel bestimmt.

Sofern diese Verfahrensschritte durchlaufen wurden, wird durch die erste Abfrage 404 festgestellt, inwiefern an der gleichen Position am Außenring 11 bereits vormals eine Eingriffsstörung 62 aufgetreten ist. Bei einer negativen ersten Abfrage 405‘ springt das Verfahren zum vierten Verfahrensschritt 408 und gibt den errechneten Drehwinkel an den Elektromotor 20 weiter und/oder führt ein „Reset“ des Positionssensors 50 durch. Bei einer positiven ersten Abfrage 405 wird zu einer zweiten Abfrage 406 fortgeschritten. In der zweiten Abfrage 406 wird festgestellt ob das Ratschendrehmoment in der jetzigen Eingriffsstörung 62 sich gegenüber dem Ratschendrehmoment der vorherigen Eingriffsstörung 62 an der gleichen Position verringert hat, wobei in dieser Ausführungsform der Betrag des Drehmomentverlaufs 60 genutzt wird. Alternative wären auch die Betrachtung der Maxima der ersten gedämpften Schwingung 62‘ einer Eingriffsstörung oder die Betrachtung eines Mittelwertes aus einer Pluralität von gedämpften Schwingungen innerhalb einer Eingriffsstörung 62 möglich. Dieser Vergleich der Ratschendrehmomente von Eingriffsstörungen 62 die an gleichen Positionen aufgetreten sind, wird über die interne Speichereinheit 304 gestützt. Der Vergleich dieser Ratschendrehmomente ermöglicht es der Auswerteeinheit 41 den Verschleiß des Spannungswellengetriebes 10 und die potentielle Lebensdauer einzuschätzen. Ferner kann über diesen Vergleich ein Schaden an den Zähnen im Spannungswellengetriebe 10 festgestellt werden. Es wäre denkbar, dass die Auswerteeinheit 41 auf Basis des Vergleichs der Drehmomente dem Nutzer eine Einschätzung über den Zustand, den Verschleiß und/oder der geschätzten restlichen Lebensdauer des Spannungswellengetriebes 10 ausgibt.

Bei einer negativen zweiten Abfrage 407‘ kann von einem Schadensfall im Spannungswellengetriebe 10 ausgegangen werden, sodass zu einem alternativen vierten Verfahrensschritt 409 fortgeschritten wird. In diesem 409 wird eine Fehlermeldung für den Nutzer angezeigt. Weiterhin ist es denkbar mehrere Stufen einzubauen, sodass ein System 300 bei einem geringen Anstieg des Ratschendrehmomentes bei einer späteren Eingriffsstörung 62 gegenüber der vorherigen Eingriffsstörung 62 an einer gleichen Position von einem kleinen Schadensfall ausgehen könnte und lediglich eine Fehlermeldung ausgibt. Auf der anderen Seite, wenn das Ratschendrehmoment erheblich ansteigt, kann das System 300 in ein Notaus gesteuert werden, sodass keine weitere Schädigung innerhalb des Spannungswellengetriebes 10 entstehen kann.

Bei einer positiven zweiten Abfrage 407 wird zum vierten Verfahrensschritt 408 fortgeschritten und wie bereits erläutert fortgefahren. Alternativ könnte in einer bevorzugten Ausführungsform trotz einer positiven zweiten Abfrage 407 eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn das Ratschendrehmoment erheblich geringer ist als das vorherige Ratschendrehmoment. Hierfür würde dann eine dritte Abfrage benötigt, welche den genauen Abfall bzw. Anstieg des Ratschendrehmomentes einordnen kann. Ein starker Abfall könnte auch auf einen Schadensfall bzw. auf einen erheblichen Verschleiß an den Zähnen des Spannungswellengetriebes 10 hinweisen.

Bezugszeichenliste:

1 - Innenverzahnung

2 - Außenverzahnung

3 - Bewegung eines Zahnes der Außenverzahnung

4 - Ausschnitt

10 - Spannungswellengetriebe

11 - Außenring

12 - Übertragungsring

13 - Wellengenerator

14 - Wälzkörper

15 - Drehmomentsensor

20 - Elektromotor

21 - Rotorwelle

30 - Bremseinrichtung

34 - Bezugspunkt

36, 37, 38 - Verfomrungslinien

40 - Elektrikeinheit

41 - Auswerteeinheit

50 - Positionssensor

60 - Drehmomentverlauf

61 - Ratschendrehmoment

62 - Eingriffsstörung

62‘ - gedämpfte Schwingung

63 - Winkelversatz in Abhängigkeit eines übersprungenen Zahnes

64 - Winkelversatz durch eine Eingriffsstörung

100 - Antriebsmodul

200 - Roboter

201 - Armsegment

300 - Sensorsystem

301 - Filter und Verstärker

302 - Analog/Digital-Wandler

303 - Mikroprozessor

304 - interne Speichereinheit

400 - Verfahren zur Kompensation eines Winkelversatzes

401 - erster Verfahrensschritt

402 - zweiter Verfahrensschritt - dritter Verfahrensschritt - erste Abfrage - positive erste Abfrage ‘ - negative erste Abfrage - zweite Abfrage - positive zweite Abfrage ‘ - negative zweite Abfrage - vierter Verfahrensschritt - alternativer vierter Verfahrensschritt