Bezeichnung der Erfindung

Spreizbandmechanik mit einer Zwangsführung durch Gleitschuhe

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 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 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 Positioniergenauigkeit 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 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 Querschnittsprofil aufweist. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist weiterhin eine an sich bekannte Aufwickelrolle zum Aufrollen und Abrollen des Spreiz- bandes auf. Derjenige Abschnitt 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 Spreiz- band 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 Aufwickelrolle können große Längen des Spreizbandes auf einem kleinen Raum vorgehalten werden. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist schließlich mindestens einen Gleitschuh zur Zwangsführung des Spreizbandes auf, welcher zumindest abschnittsweise umfänglich um das auf der Aufwickelrolle aufgewickelte Spreizband angeordnet ist.

Durch die Verwendung von Gleitschuhen werden definierte Auf- und Abwi- ckelabläufe ermöglicht. Beim Abwickelvorgang wird das Spreizband durch die Gleitschuhführung am „Durchrutschen" gehindert und somit die Bewegung in Schubrichtung ermöglicht. Beim Aufwickelvorgang dient der Gleitschuh lediglich als Führungselement, da es dort keine Probleme mit der Kraftübertragung gibt. Durch die Gleitschuhführung kommt es zu einer gerin- geren Belastung des Spreizbandes und damit auch zu einem geringerem Verschleiß, was sich nicht zu letzt in deutlich gesenkten Wartungskosten widerspiegelt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizband- mechanik weist diese mehrere Gleitschuhe auf. Die Gleitschuhe umschließen das auf der Aufwickelrolle aufgerollte Spreizband umfänglich in mehreren Abschnitten, insgesamt aber in einem Winkelbereich von mehr als 180°, wobei jedoch mindestens eine Einfädelöffnung freigehalten bleibt. Durch die Gleitschuhe ist die Führung des Spreizbandes im gesamten Bereich der Aufwickelrolle festgelegt. Das Spreizband ist durch die Einfädelöffnung durchgeführt und kann auf die Aufwickelrolle aufgewickelt und von der Aufwickelrolle abgewickelt werden. Die Gleitschuhe sind im Wesentlichen kreisförmig angeordnet, da sie die Aufwickelrolle umfänglich umschließen. Die Verwendung mehrerer Gleitschuhe anstatt eines einzelnen Gleitschuhs kann sich aus fertigungstechnischen Gründen als günstiger erweisen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind in die dem aufgewickelten Spreizband zugewandten Gleitflächen der Gleitschuhe Nuten eingebracht, die quer bzw. längs zur Umfangsrichtung verlaufen. Durch diese Ausführung kann die zwischen Gleitschuh und Spreizband auftretende Gleitreibung re- duziert werden. Die verminderte Reibung führt zu einem geringeren Verschleiß und somit auch zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und einer Langlebigkeit der Spreizbandführung. Eine Reduzierung der Reibung ist insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des Spreizbandes wichtig, da es dann meist zu erhöhten Kräften zwischen dem Spreizband und seiner Führung kommt. Erhöhte Reibungskräfte könnten zu einer überhitzung des Spreizbandes und einem daraus resultierenden Verschleiß führen.

Im Zusammenhang mit der Reibungsminimierung hat es sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, wenn die Gleitschuhe auf ihrer dem aufgewickelten Spreizband zugewandten Oberfläche eine reibungsarme Beschichtung aufweisen. Auf diese Weise kann die Gleitreibung zwischen Gleitschuh und Spreizband weiter reduziert werden. Es soll keine Einschränkung auf die genannte Möglichkeiten zur Reduzierung der Gleitreibung erfolgen. Eine Anwendung anderer Methoden zur Reibungsminimierung ist durchaus denk- bar und soll nicht ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn bei der Verwendung mehrere Gleitschuhe diese wahlweise in Kontakt mit der Oberfläche des Spreizbandes gebracht werden können. Je nach Auf- bzw. Abwickelgeschwindigkeit und ggf. in Abhängigkeit vom aktuellen Durchmesser der mit Spreizband gefüllten Aufwickelrolle können meh- rere oder ggf. nur ein einziger der Gleitschuhe in Kontakt mit dem Spreizband gebracht werden, um die resultierenden Reibungswerte an die Betriebssituation anzupassen.

Die Gleitschuhe werden vorzugsweise kraftbelastet auf das auf der Aufwi- ckelrolle aufgewickelte Spreizband gedrängt. Folglich können sich die Gleitschuhe hinsichtlich ihres Abstandes von der Aufwickelrolle der Menge des auf der Aufwickelrolle aufgerollten Spreizbandes anpassen. Die Gleitschuhe

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 Auf wickel rolle, so ist der Radius der Spreizbandrolle kaum größer als der Radius der Aufwickelrolle. Die Anordnung der Gleitschuhe ist an den sich ständig ändernden Radius der durch das aufgewickelte Spreizband gebildeten Spreizbandrolle angepasst. Bei dieser Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Spreizbandmechanik ist gewährleistet, dass das Spreizband im Bereich zwischen den Gleitschuhen und dem bereits aufgewickelten Spreizband definiert geführt wird. Ansonsten könnte es in diesem Bereich zu einer unkontrollierten überführung vom gestreckten Zustand in den Wickelzustand kommen, wodurch das Spreizband unnötig beansprucht würde.

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

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 erfin- dungsgemäße 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 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 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 perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte;

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwi- ekeln wirkenden Kräfte.

; Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik. Die Spreizbandmechanik umfasst ein Spreizband 01 , welches beispielsweise als Aktuator zur Positio- nierung 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 im Querschnitt auf.

Im Wickelzustand ist das Spreizband 01 im Querschnitt flach und damit geringfügig breiter als im gestreckten Zustand. Es weist eine Wölbung gegebe- nenfalls 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 Längs- richtung des Spreizbandes 01.

Wie insbesondere auch Fig. 2 zu entnehmen ist, sind auf dem Umfang einer durch das aufgerollte Spreizband 01 gebildeten Spreizbandrolle 03 zwei Gleitschuhe 04 angeordnet. Es könnten jedoch auch mehr als zwei Gleitschuhe bzw. lediglich ein Gleitschuh verwendet werden. Die Spreizbandrolle 03 ist nahezu über ihren gesamten Umfang durch die Gleitschuhe 04 einge- fasst. Die Spreizbandrolle 03 ist jedoch nicht in einem Bereich einer Einfädelöffnung 06 durch die Gleitschuhe 04 eingefasst. Die Einfädelöffnung 06 dient der Durchführung des Spreizbandes 01 , sodass dieses auf die Aufwickelrolle 02 aufgewickelt bzw. abgewickelt werden kann. Jeder der beiden Gleitschuhe 04 ist in einem Drehpunkt 08 drehbar gelagert, sodass die Gleitschuhe 04 in Richtung der Aufwickelrolle 02 geschwenkt werden können. Weiterhin wirkt auf jeden der beiden Gleitschuhe 04 jeweils eine Feder 09, ein, welche die Gleitschuhe 04 in Richtung der Aufwickelrolle 02 drängt. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch dann ein großer Anteil der Gleitschu- he 04 mit der Oberfläche der Spreizbandrolle 03 in Kontakt steht, wenn die Spreizbandrolle 03 weitgehend abgewickelt ist und folglich einen verkleinerten Radius aufweist. Die Feder 09 ist bevorzugt als Druckfeder ausgeführt.

Wird das Spreizband 01 in Richtung der Aufwickelrolle 02 bewegt, so wird es in die durch die Gleitschuhe 04 gebildete kreisförmige Bahn 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 überführt, wodurch das Biegemoment gleichzeitig abgebaut wird. Diese überführung 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 die Aufwickelrolle 02 freilaufend ist.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist auf die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der übersicht-

lichkeit 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 (Aufwickeln). Das Drehmoment Mi wirkt entgegen einer Zugkraft Fz auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle 03 ausgehend wirken radial nach außen Einzelkräfte FR _X , die aus dem Bestreben des Spreizbands zur Einnahme des im Querschnitt gewölbten Zustande resultieren. Dem entgegen müssen von den Gleitschuhen 04 aus Einzelkräfte Fp _x auf die Oberfläche der Spreizbandrolle 03 einwirken, um das Spreizband an der Einnahme des gewölbten Zustands zu hindern. Die Einzelkräfte Fp _x ergeben in ihrer Summe eine Kraft Fp, welche einer Normalkraft FN entspricht. Die Reibung des Gleitschuhs 04 gegenüber dem Spreizband 01 weist einen Reibungskoeffizienten μ auf. Die Spreizbandrolle 03 weist einen Radius r auf. Folglich gilt:

M ₁ = F _z ^■ r + (μ ^■ F _N ), wobei der erste Summand dem Antriebsmoment entspricht und der zweite Summand dem Reibmoment der Gleitschuhe 04 entspricht.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwickeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist wiederum auf die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der übersichtlichkeit auf die Darstellung einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt jetzt ein Drehmoment Mi mit gegenüber der Darstellung in Fig. 3 entgegen gesetztem Richtungssinn, sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 12 bewegt wird (Abwickeln). Das Drehmoment M ₁ wirkt entgegen einer Schubkraft Fs auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle 03 wirken Einzelkräfte F _Ry auf die Gleitschuhe 04. Von den Gleitschuhen 04 wirken Einzelkräfte F _0x auf die Oberfläche der Spreizbandrolle 03. Die Reibung der Gleitschuhe 04 gegenüber dem Spreizband 01 weist einen Reibungskoeffizienten μ auf. Die Spreizbandrolle 03 weist einen Radi- us r auf. Folglich gilt:

M ₁ = F _s - r + [(μ - F _N )+(μ - F _Ry )].

Bezugszeichenliste

01 Spreizband

02 Aufwickelrolle 03 Spreizbandrolle

04 Gleitschuh

05 -

06 Einfädelöffnung

07 - 08 Drehpunkt

09 Feder

10 —

11 Richtung des Zi

12 Richtung des Zi