Témata
Reklama

Kulový kloub se třemi stupni volnosti

16. 02. 2011

U dosud používaných koncových členů kinematických řetězců pohybových systémů nejrůznější manipulační a automatizační techniky se kulové klouby prakticky nepoužívají z důvodů problematického propojení s pohony. Kinematika proto bývá řešena prostřednictvím kloubů s rotační vazbou v sériovém uspořádání a vzájemném pootočení (zpravidla o 90°). Tím se sice odstraňuje problém s připojením pohonu, neboť každý pohon pak ovládá svoji osu, narůstá však prostorová zástavba (především do délky) i hmotnost celku.

Výše uvedeným způsobem jsou řešeny také pracovní hlavice průmyslových robotů a manipulátorů. Obvykle je tvoří tři vázané kinematické dvojice s rotační vazbou. Poměrně velká hmotnost a rozměry však mají nepříznivý vliv na manipulační schopnost pracovní hlavice. Z hlediska dynamického pak nejsou zanedbatelné setrvačné síly a z toho vyplývající problémy s tuhostí robotu a přesností jeho pohybů.

Zápěstí s kulovým kloubem

Zmíněné nedostatky do značné míry odstraňuje kulový kloub s alespoň dvěma stupni volnosti. Podstata technického řešení spočívá v kulové ploše opatřené na povrchu alespoň jedním ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, do něhož zapadají alespoň dva hnací pastorky, přičemž na protilehlé straně kulové plochy jsou umístěny alespoň dvě opěrné ozubené kladky. K osám otáčení hnacích pastorků a ozubených kladek jsou v kolmém směru připojeny čepy otočné podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

Hlavní výhodou tohoto řešení je příznivé prostorové uspořádání zápěstí, které může být snadno umístěno na koncové části robotu či manipulátoru. Pohony mohou být přímo součástí pastorku, případně oddělené s vazbou ohebných hřídelí nebo lanových, řemenových, řetězových či ozubených převodů. Získáváme tak zápěstí s příznivými zástavbovými i hmotnostními parametry a rozsáhlými pohybovými možnostmi.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Kulový kloub se třemi stupni volnosti

Výhody v provozu

Vlastní provoz tohoto celku pak umožní výrazné zvětšení pracovního prostoru robotu nebo manipulátoru při snížení nároků na operační prostor zahrnující vlastní konstrukci zápěstí. Kloub může pracovat ve velmi náročných pracovních podmínkách, jelikož jeho konstrukce je velmi kompaktní a odolná  proti poškození. Pohony s pastorky mohou být umístěny ve spodní části zápěstí (pod kulovým čepem).

Technické řešení kloubu výrazně zvyšuje manipulační schopnosti pracovní hlavice, která je na zápěstí umístěna. Současně dochází ke snížení zástavbové a hmotnostní náročnosti tohoto koncového kinematického prvku, čímž se rozšiřuje rozsah pohybů, přesnost polohování a tuhost celé sériové struktury. Při vhodném krytování pak dochází ke vzniku mechanické struktury se třemi stupni volnosti, která může pracovat v extrémních pracovních podmínkách (radioaktivní prostředí, práce pod vodou, práce v kosmu, lékařské chirurgické úkony apod.). Navržené řešení je vhodné jak pro miniaturní provedení, tak pro střední rozměrovou i hmotnostní řadu průmyslových robotů a manipulátorů.

Obr. 2. Model kloubu se třemi stupni volnosti

Princip kulového kloubuPrincip kulového kloubu je zřejmý, jedná se však o vytvoření jeho mechanické struktury - tedy zápěstí s paralelně připojenými pohony. V našem případě je kulový kloub na svém povrchu opatřen ozubením, do něhož zasahují motoricky poháněné pastorky, které jsou volně otočné podle normály ke kouli v místě záběru (tj. ose procházející středem koule). S výhodou lze využít provedení, kdy je kulová plocha na svém povrchu opatřena dvěma ozubeními v podobě rovnoběžných obvodových drážek, přičemž druhé ozubení je umístěno v kolmém směru k prvnímu a zapadá do něho alespoň jeden další hnací pastorek a na protilehlé straně kulové plochy alespoň jedna další opěrná ozubená kladka. Pastorky v ozubení svým záběrem vytvářejí silové účinky způsobující natáčení koule. Ve směru kolmém k průmětu působící síly se může pastorek v ozubení pohybovat kluzným pohybem. Takto můžeme vytvářet tři nezávislé rotace kulového kloubu. Ozubené pastorky doplněné opěrnými kladkami současně kulový čep vystřeďují ve středové poloze. Dne 29. 12. byl přihlášce vynálezu na konstrukci kulového kloubu udělen patent číslo 302298.

Obr. 3. Prototyp kulového kloubu se třemi stupni volnosti

Kulový kloub se třemi stupni volnosti

Na obr. 1 je znázorněna koule 4 vybavená dvěma na sebe kolmými ozubeními. Dále umístění tří pohonů 1, 2, 3, které umožňují tři na sebe kolmé rotace (kývání R1R2 a plnou rotaci R3). Pohony představují zabírající pastorky s ozubením zabírajícím do ozubení vytvořeného na povrchu kulového kloubu. Pastorky 1, 2, 3 jsou volně otočné kolem os N01, N02N03 umístěných ve směru normály ke kulovému povrchu v místě styku ozubení pastorku a koule. Hnací pastorky 1, 2, 3 jsou na své protilehlé straně doplněny opěrnými ozubenými pastorky 5, 6, 7. Tyto pastorky jsou otočné pouze podle své osy a odvalují se po příslušném ozubení na kulové ploše.

Obr. 4. Kulový kloub se dvěma stupni volnosti

Podle popsaného funkčního principu byl vytvořen reálný prototyp kompaktního kulového zápěstí (obr. 3). Jako pohonné jednotky pro kývavý pohyb R1R2 byly použity miniaturní servopohony Hitec HS-65MG Mighty Feather (tah 1,8 kg.cm-1, rychlost 0,14 s/60° při 4,8 V). Rotační pohyb R3 zajišťuje stejnosměrný motor RE-max 17 (4,5 W, 12 V) s převodovkou GP 16A (0,20 Nm, 84:1) firmy Maxon (obr. 2).

Rozsahy pohybů: R1: ±20°, R2: ±20°, R3: 360° + reverzace. Poznámka: rozsahy pohybů R1R2 mohou nabývat i větších hodnot (při změně geometrie kluzných dílů), podle požadavků na dané výstupní zařízení.

Obr. 5. Model kloubu se dvěma stupni volnosti

Kulový kloub se dvěma stupni volnosti

Obdobným způsobem je možné realizovat i kulový kloub se dvěma stupni volnosti (obr. 4). Kulový kloub je tvořen kulovou plochou opatřenou na svém povrchu jedním ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, do nichž zapadají dva hnací pastorky a na protilehlé straně dvě opěrné ozubené kladky. K osám otáčení hnacích pastorků a ozubených kladek jsou připojeny v kolmém směru čepy otočné podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

Obr. 6. Prototyp kulového kloubu byl na 52. mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně nominován v soutěži o nejlepší exponát Zlatá medaile 2010.

Kulový kloub s alespoň dvěma stupni volnosti nalezne uplatnění ve většině dosavadních konstrukcí, kde jsou rotace řešeny odděleně z důvodu snazšího připojení pohonu.

Doc. Ing. Vladimír Andrlík, CSc.,

Ing. Pavel Jurda, Ph.D.

Ústav výrobních strojů a zařízení FS ČVUT v Praze

ČVUT v Praze

vladimir.andrlik@fs.cvut.cz

jurdap@email.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 110104
Datum: 16. 02. 2011
Rubrika: Trendy / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Lineární vedení NSK s vylepšeným těsněním

Společnost NSK představila na veletrhu EMO 2019 optimalizovanou řadu válečkového vedení RA s vylepšeným těsněním. Lineární vedení RA jsou vybavena novými těsněními V1 a vylepšeným krytem, které pomáhají prodloužit životnost a spolehlivost obráběcích strojů.

Místo převodovky řemenové pohony

Synchronní řemeny se v mnoha průmyslových odvětvích prosazují jako nejlepší volba.

Kompaktní pohony s dutou hřídelí

Kompaktní, robustní, cenově výhodné… Jsou-li stanoveny požadavky na stroje, musí zareagovat i poskytovatelé řídicí a pohonné techniky. Jejich inovace jsou důležité pro vývoj konstrukcí strojů.

Související články
Ready made lineární osy s ozubeným řemenem

Pomocí lineární osy je realizován pohyb v přímém směru a jedná se tak o výborný výchozí konstrukční prvek pro stavbu strojů, automatizačních linek a polohovacích zařízení s potřebou přesného lineárního pohybu ve více osách (typicky například CNC stroje). V posledních letech došlo navíc k výraznému snížení cen a lineární osy se tak stávají dostupné i pro dosud zapovězené oblasti. V neposlední řadě je podstatnou výhodou u tzv. ready made produktů dodávka již smontovaného dílu připraveného k okamžitému použití v zákaznické aplikaci.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nová koncepce dvoupotrubních centrálních mazacích systémů

Oproti jiným typům ztrátových centrálních mazacích systémů, dále jen CMS, mají dvoupotrubní mazací systémy zásadní přednost v tom, že dávkovače jsou plněny novým mazivem přetlakově. To je předpoklad pro spolehlivé mazání strojů a strojních zařízení.

Řemenové převody přinášejí dynamiku do intralogistiky

Na hannoverském veletrhu se mohli návštěvníci seznámit s inovativními řešeními pro skladovou logistiku, jež vyvinula společnost Continental. Jedná se například o ozubené řemeny Conti Synchrodrive, které nacházejí uplatnění u sloupových zakladačů vysokoregálových skladů, ploché pásy Conti Polyflat pro zdvihací a závěsné systémy či drážkové řemeny Conti Multirib, které se používají v pohonu válečkových tratí.

Vývoj úzkorozchodného tramvajového podvozku v laboratořích RTI

Výzkum a vývoj pohonu dvojkolí úzkorozchodného tramvajového podvozku probíhá v rámci kooperace zkušebny komponent dopravních prostředků, zkušebny provozní pevnosti a únavové životnosti, laboratoře pro virtuální prototyping a laboratoře strojírenských experimentálních metod, které jsou součástí Regionálního technologického institutu (RTI) – strojírenského a technologického výzkumného centra ZČU v Plzni, Fakulty strojní.

Inteligentní motor střižený na míru

Mechatronická pohonná jednotka g350 představuje nový kompaktní mechatronický pohonný balíček, který firma Lenze uvádí na trh ve třech výkonnostních provedeních. Zařízení je koncipováno speciálně pro horizontální přepravní techniku.

Výpočet zbývající doby běhu valivých ložisek

Na veletrhu Hannover Messe 2016 představila společnost Schaeffler novou digitální službu – výpočet nominální zbývající doby běhu valivých ložisek v provozu na základě reálného souboru zatížení.

Bezúdržbové klínové řemeny

U klínových řemenů uživatelé oceňují tichý chod, jednoduchou instalaci a funkci bezpečnostní spojky při přetížení, kterou klínové řemeny plní díky možnosti krátkodobého prokluzu. Nicméně klínové řemeny vyžadují ne vždy levnou a snadnou údržbu. Obzvláště v nepřetržitých provozech či těžko dostupných pohonech se obecné doporučení kontrolovat a dopínat klínové řemeny každých 2 000 provozních hodin obtížně splňuje. Výsledkem bývají ztráty účinnosti, energie a krátká životnost pohonu. Klínové řemeny, jak je známo, bez dopnutí prokluzují. Co ale bývá zanedbáváno, je vliv zvýšených vibrací při nízkém napnutí klínových řemenů. Tyto vibrace mají velmi negativní vliv na životnost ložisek a jiných součástí zařízení. Zde se zaměříme na správnou údržbu a na novinku na trhu – bezúdržbové klínové řemeny.

Univerzální kyvný pohon

Modulární, odolný, univerzální – to jsou hlavní vlastnosti nového čtvrtotáčkového pohonu DFPD společnosti Festo. Tento pohon s ozubeným hřebenem a pastorkem je určen pro splnění nejrůznějších požadavků ve zpracovatelském průmyslu.

Ložiska pro lineární pohyb

Během posledních let se neustále zvyšují nároky na moderní lineární technologii, zejména pokud jde o únosnost, tuhost a životnost. Souběžně však rostou rovněž požadavky uživatelů na jednoduchost montáže a snižování nákladů na údržbu. Aby firma SKF dokázala uspokojit všechny tyto požadavky zákazníků, přichází na trh s novou řadou D lineárních kuličkových ložisek LBC.

Certifikace testovacího postupu pro výpočty životnosti valivých ložisek

Certifikátor Germanischer Lloyd (GL) udělil společnosti Schaeffler osvědčení „Assessment of the method to investigate rolling bearing rating life“ (Posouzení metody zjišťování jmenovité životnosti valivých ložisek). Poprvé tak byl certifikován samotný postup, a ne každý jednotlivý faktor ovlivňující životnost, jak bylo dosud vyžadováno.

Požadavky na vývoj ložisek

Malcolm Watson, produktový manažer v oblasti ložisek u společnosti Brammer, zkoumá hlavní faktory stojící za současným děním na trhu ložisek a přemýšlí o dalším pravděpodobném vývoji.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit