CN102046989A - 用于制造关节的方法以及能够通过该方法获得的关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造关节的方法。所述方法包括以下步骤：A.将销安装在球上；B.在至少两个承窝部件上加工球形表面；C.将研磨膏施加在所述球上和/或所述承窝部件的所述表面上；D.将所述销连接于使所述球转动的设备；E.将所述球装配在所述承窝部件之间；F.在所述承窝部件与所述球之间施加压力；G.在所述关节的工作范围上使所述球转动和倾斜；H.从所述球和所述承窝部件清除所述研磨膏；以及I.通过将所述承窝部件安装在球上来装配所述关节。本发明还涉及一种能够以根据本发明的方法获得的关节。

Description

用于制造关节的方法以及能够通过该方法获得的关节

技术领域

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于制造关节——尤其是用于工业机器人的关节——的方法。

在第二方面中，本发明涉及一种能够通过本发明的方法获得的关节。

背景技术

为了在两个相对于彼此能够移动的物体之间传递力，需要连杆，该连杆在每个端部中都具有关节。这种类型的传递装置的一个重要应用是具有六个连杆的并联运动机器人，其中连杆在致动器和平台之间传递轴向力。

连杆传递装置的刚度对于并联运动机器人的性能而言是极其重要的。同样重要的是运动部件的质量尽可能小。这方面的原因是具有低惯量和高刚度的机器人将具有高机械带宽，这对于高运动控制性能而言是非常重要的。

因为仅针对连杆中的轴向力(没有弯曲或扭转扭矩)而设计的并联运动机器人的连杆中的杆仅需要传递轴向力，所以例如通过使用碳管，这些杆可以制成为非常刚硬而又轻质。然而，使用由球轴承或滚柱轴承构造而成的关节相对于刚度具有高的重量。例如，使用高刚度的球轴承，具有大约50牛顿/微米的刚度的关节将具有0.8kg的重量，并且400牛顿/微米的连杆将具有7kg的重量，这意味着大约60牛顿/微米每公斤。在连杆的每个端部中具有一个关节以及具有6个连杆意味着总共12个关节，并且容易理解的是降低关节重量是非常重要的。因此，因为机械人的运动部件的高重量意味着低固有频率和对机器人性能的约束，所以非常需要每公斤具有更高的刚度的关节。

本发明涉及的一般类型的关节公开在WO 2008/055918中，WO2008/055918以参引的方式合并于此。

因此，本发明涉及的关节包括阳部件和阴部件，该阴部件构成关节的承窝部件，这是在本申请中将用于阴部件的术语。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造关节的方法，该关节相对于其重量具有高刚度，并且该关节具有高的关节部件精度。

该目的得以实现，因为用于制造关节的方法包括以下具体步骤：

A.将销安装在球上，

B.在至少两个承窝部件上加工球形表面，

C.将研磨膏施加在球上和/或承窝部件的表面上，

D.将销连接于使球转动的设备，

E.将球装配在承窝部件之间，

F.在承窝部件与球之间施加压力，

G.在关节的工作范围上使球转动和倾斜，

H.从球和承窝部件清除研磨膏，以及

I.通过将承窝部件安装在球上来装配关节。

因此，阴部件的形状将与阳部件的形状几乎确切地相同，并且部件的表面将具有合适的表面精加工以获得尽可能大的表面接触面积，这意味着大的赫氏(Herzian)区域。为了获得形状匹配，首先，车床或对应的机器将用于刻出阴承窝部件。这样做是为了使阴部件的球形形状和直径尽可能和阳部件接近。

通过首先——利用车床或通过EDH——在球体中加工浅孔，并且接着例如通过使用激光焊接、EBW或胶合来将安装销固定在该孔中，安装销固定于球形阳部件。在制造的下一个步骤中，阳部件的安装销安装在转动的机器中，并且使用研磨膏，阳部件在与一个或两个阴部件接触时在不同方向上被转动和被倾斜。在该操作期间，有利的是使用具有例如尺寸为9微米的金刚石的研磨膏。

首先，可以对每个阴部件进行该适应性研磨，然后，在装配关节之后对两个阴部件进行适应性研磨，或者，可以仅对装配的关节进行该适应性研磨。就装配的关节而言，基于空气静力、电动或液压致动器，通过装置中的弹簧布置或重量来获得预应力。

该制造方法产生与阳部件的形状非常接近的阴部件。由于配合的部件的高精度，因此实现了非常刚硬且准确的关节，并且该关节不必需要任何夹紧以实现良好的性能。

根据优选的实施方式，所述方法包括所使用的球是球轴承的球，该球轴承的球的成本低。

球的球形形状的精度越高，制造的关节的精度将越高。因此，特别有利的是使用用于阳部件的球轴承的球，因为对于这些球，球形形状的准确度可以为大约1微米或者甚至更好。

根据进一步优选的实施方式，在步骤H之后，所述方法包括以下步骤：

执行精细研磨或抛光，以及

清洁球和承窝部件。

因此，进一步改进表面质量。该二次研磨/抛光工作的重要结果是来自步骤C中的初始研磨的研磨材料的残余物被去除。

根据进一步优选的实施方式，在上上述步骤之后，所述方法包括将润滑脂施加在承窝部件和/或球上。

这将进一步减少关节中的摩擦，并且有助于平稳的操作。

根据进一步优选的实施方式，所述方法的步骤I包括：在装配时使用垫片。

因此，可以在不使关节卡住的情况下获得最小空隙。

根据进一步优选的实施方式，在步骤D之后，所述方法包括以下步骤：

在承窝部件中的第一承窝部件与球之间施加压力，

在不同方向上使球转动和倾斜，

在第二承窝部件与球之间施加压力，以及

在不同方向上使球转动和倾斜。

以这种方式，单独地且顺序地进行承窝部件的加工。因此，制造工序可以变得更简单。

根据进一步优选的实施方式，在上述的实施方式中的最终研磨步骤之后，所述方法包括进一步的抛光被研磨的表面的步骤。

这将进一步提高关节部件的表面的精度，并且因此增大赫氏区域的面积。

根据进一步优选的实施方式，在上上述步骤之后，所述方法包括：对被抛光的表面进行酸洗或吹洗的步骤。

根据进一步优选的实施方式，当步骤I包括使用垫片时，调整垫片的厚度直到在球与承窝部件之间获得一定水平的摩擦。

因此，针对于低摩擦的要求，可以以优化的方式权衡减小空隙的实现。

对于调整，有利的是由扭矩和/或力传感器测量摩擦。

优选地，传感器安装在关节与关节固定装置之间，并且在相对于承窝部件在一个、两个或三个方向上转动球时，测量扭矩和/或力。

优选地，在承窝部件与关节固定装置之间进行力测量。

在大批量的制造线中，装配期间测量可以伴随着阴部件之间的距离的测量，这优选地使用干涉仪测量系统来执行。

对于干涉测量，优选的是孔制成在承窝部件中，激光测量光束被引导穿过该孔。

优选地，至少一个孔制成在每个承窝部件中，穿过该至少一个孔，光束可以击中相对的承窝部件在间隙中的表面，之后垫片将放置在间隙中。

优选地使用光学干涉仪来测量所述间隙中的承窝部件之间的距离。

优选地，在垫片被放置在位之前，进行测量。

根据进一步实施方式，步骤I中承窝部件安装在其上的球与用于执行步骤A至H的球是同一个球。

虽然可以通过使用不同的用于抛光承窝部件的球和使用另一个作为实际的关节部件的球来获得满意的结果，但是如果相同的球用于这两个功能，那么精度将被最大化。在这种情况下，应当在研磨之后清洁球和阴部件两者。

本发明还涉及一种制造具有关节的工业机器人的方法，其中，根据本发明——尤其是其优选的实施方式中的任何一个——制造所述关节中的至少一个。

用于制造工业机器人的方法对于并联运动机器人而言是特别有利的。

根据本发明的第二方面，其涉及一种能够以根据本发明——尤其是其优选的实施方式中的任何一个——的方法获得的关节。

本发明的关节具有与尤其是根据其优选的实施方式中的任何一个的关节的制造所限定的优点类型相似的优点，并且已在上面描述了这些优点。

根据本发明的关节的进一步优选的实施方式，其包括由两个承窝部件形成的两个阴部件和由球形成的一个阳部件。

本发明的优点在应用于部件的这种组合时是特别重要的。

根据进一步优选的实施方式，阳部件和阴部件中的至少一个设置有至少一个连接销。

每个部件的连接销的数量优选为一个或两个。

在阳部件具有两个销的情况下，这些销可以优选地连接于桥，该桥具有连接元件。连接元件也可以是销。

连接销是有利的装置，用于将关节部件连接于工业机器人的连杆和/或平台，关节安装在该工业机器人中，所述工业机器人例如是并联运动机器人。

根据进一步优选的实施方式，两个阴部件通过螺纹联接而彼此连接，并且优选地，垫片安装在阴部件之间。

螺纹联接可以在两个部件上优选地包括相配的螺纹，由此将部件旋拧在一起。

可选地，螺纹联接由单独的螺钉构成，通过该单独的螺钉来联接阴部件。螺钉可以优选地位于球的同一侧上。

通过螺纹联接来连接阴部件产生了非常刚硬且坚固的关节。本发明的制造方法产生如此高的精度使得即使没有偏置装置仍获得运行良好的关节。

根据本发明通过在被调整的阴部件之间提供垫片，进一步改进了关节的正常运行，因为这使进一步提高关于阴部件的相对位置的精度成为可能。

根据进一步优选的实施方式，每个阴部件都是环形的。

环形使如何相对于彼此布置阳部件和阴部件的、大的构造自由度成为可能，并且这产生高的灵活性以使关节适应于特殊的应用。通过环形，可以获得相对较大的接触面积，同时容易确保一致的接触压力。

根据进一步优选的实施方式，两个阴部件一起形成轭，该轭在球的相对侧上具有与球接触的接触表面，这可以用来增大关节的工作范围。

这是在每个阴部件都是球段时特别有用的实施方式。然而，当一个或两个阴部件是环形时，也可以应用该实施方式。

由该轭连接阴部件将导致以构造简单的装置产生非常严格的对阴部件的相对位置的维持。

本发明还涉及一种包括至少一个根据本发明——尤其是其优选的实施方式中的任何一个——的关节的工业机器人。优选地，工业机器人是并联运动机器人。

本发明的关节的上述优选的实施方式限定在从属于权利要求12的权利要求中。

应当理解，本发明的方法、本发明的关节以及本发明的工业机器人的进一步优选的实施方式当然可以通过上述的优选的实施方式的任何可能的组合以及也在上文所述的进一步有利的布置方式的任何可能的组合来实现。

例如在需要高准确度的位置测量的测量系统中，对于关节还有许多其它应用。一个这样的实施例是双球杆布置的关节，该双球杆布置用于机器人和数控机器的校准。

将通过下面的详细的本发明的实施例的描述和参照附图来进一步说明本发明。

附图说明

图1是根据本发明的并联运动机器人的示意性立体图。

图2是根据本发明的第一实施例的关节的轴向截面。

图3是根据本发明的另一个实施例的关节的轴向截面。

图4示出了根据本发明的实施例的制造步骤。

图5是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面。

图6是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面。

图7示出了根据本发明的实施例的另一个制造步骤。

图8是根据本发明的又一个实施例的关节的细节的立体图。

图9是图8的关节的沿yz平面的截面。

图10是图8的关节的沿xz平面的截面。

图11是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面。

图12示出了根据本发明的另一个实施例的制造步骤。

图13是根据本发明的又一个实施例的关节的细节的立体图。

图14是图13的关节的沿yz平面的截面。

图15是图13的关节的沿xy平面的截面。

图16是沿着图17的线XVI-XVI截取的截面。

图17是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面，并且还示出了制造步骤。

图18和19示出了根据本发明的又一个实施例的制造步骤。

图20是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面。

图21是根据本发明的又一个实施例的关节的轴向截面。

图22示出了图21的关节的制造步骤。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有六个连杆的并联运动机器人，其中连杆在致动器和平台之间传递力。三个线性致动器1a、1b以及1c使三个滑架2a、2b以及2c沿着三条线性导轨移动。滑架经由连杆连接于平台3，该连杆在每个端部中具有关节。每个连杆都由杆4构成，杆4的一个关节5将其连接于滑架2b，并且另一个关节6将其连接于平台3。两个关节在并联运动机器人的该连杆结构中都可以具有三个自由度(DOF)。然而，对于每个关节，也将以两个自由度工作，虽然此时连杆组件将被过度约束，这会导致残余扭矩在连杆中的引入。通常，所使用的设计是，在滑架侧具有三自由度关节，而在平台侧具有二自由度关节。

示意性地示出在图1中的并联运动机器人是本发明的关节特别适合的应用。

图2示出了根据本发明的实施例的关节设计。弹簧固定器23旋拧在一个阴单元16上，由此预应力施加在橡胶环21上，这进而经由球形阳单元12将另一个阴单元15推靠在第一阴单元16上。在阳单元和阴单元之间，设有塑料层19和20。阳单元借助于销13安装在连杆或平台/滑架保持器上，并且左阴单元16安装有销18。23a是环，该环形成用来从橡胶环获得正确的力的垫片。23c是销，该销用来相对于旋拧锁定弹簧固定器23在阴单元16上的旋拧。

图3示出了具有与图2中的设计相似的设计的关节，但是此处，安装销18b不同地安装在左阴单元16的侧部上。以这种方式，连杆将能够绕着阳部件的销13转动360度，该连杆在其方向上安装在销18b上。这可以用来在该DOF中获得更大的工作空间。

图3中的塑料层19，20可以省略，由此，阳部件12将与阴部件15、16直接接触，这意味着界面19和20中的金属对金属的支承。当使用金属对金属的支承技术时，最好的表面处理之一是用DLC(类金刚石碳)覆盖球表面，这可以具有1500至3000HV的硬度和低至0.08的摩擦系数。除了坚硬的且低摩擦的球表面之外，同样重要的是具有非常小的球的形状误差，该非常小的球的形状误差例如通过使用轴承球来获得。如果阴单元由例如硬化至56至58HRC的SS2260钢的钢制成，那么这些阴单元的加工必须以与球相同的低形状误差进行。一个替代方案是使用例如轴承青铜材料的更软的材料，该更软的材料将适应球的形状精度。应当强调的是，由于与球轴承或滚柱轴承相比关节中的较大表面，因此表面压力将是低的——在具有大约1000N的工具力的机器人中大约为3Mpa。

图4示出了如何在阴部件和球的球形形状之间获得极其精确的匹配。在阳部件12以及阴部件15和16之间具有研磨膏时，通过使阳部件上的销13转动和倾斜(13’，13”)，阴部件的形状将适应于阳球12的完全球形形状。图4的关节不具有如图3中的塑料层。因此，球12可以用于所说明的研磨操作，球12形成关节的一部分。

在如图3中使用塑料层的情况下，使用球，该球具有与靠着阴部件的塑料表面的直径相同的直径，然后，在操作中，使用球，该球具有更小的与被压向球的塑料表面的直径相等的直径。接着，也可以通过以更小直径的球进行研磨来改进塑料层的形状和表面质量。

在如图4中不使用塑料层时的情况下，以球进行研磨，该球具有与将使用在操作中的球的直径相同的直径，或者，研磨和操作使用相同的球。因为研磨使表面粗糙，所以之后进行精细研磨和抛光是优点。如果研磨和操作使用相同的球，球需要一层例如类金刚石碳，这是重要的。

图5示出了制造关节而无需弹簧系统以补偿关节界面磨损的可能方案。使用利用了类金刚石碳的表面处理，磨损将是可以忽略的，并且可以仅使用垫片23a来直接将阴部件安装在一起以相对于阳球调整阴部件。在这种情况下，因为形状和尺寸匹配必须精确到微米水平，所以进一步更重要的是使用关节球来研磨阴部件。因此，球可以首先与例如具有金刚石或碳化硅的研磨膏一起被使用以研磨阴部件中的一个的形状，然后研磨另一个阴部件的形状。接着，在没有垫片23a的情况下，以一定的旋拧扭矩来安装关节，并且一起研磨两个阴部件。当然，也可以一开始就一起研磨两个阴部件。

图6示出了对于图5中的关节获得二自由度(DOF)的更大工作范围的可能方案。此处，两个阴部件15，16都是环，其形成为使得能够具有安装在球12的每侧上的销(13a，13b)。两个销13a和13b安装在桥13c上，桥13c进而带有销13d，销13d安装在并联运动机器人的连杆或平台上。另一个安装销18c安装在右阴部件15上。

非常重要的是，获得确切的垫片束(23a)厚度。根据方法，这通过以不同的垫片厚度水平进行试验直到球对转动和摇摆运动的阻力(摩擦)处于一定的水平来获得。对于自动化制造，可以以安装在销13或18和固定装置或主轴之间的力和/或扭矩传感器来测量阻力。当然，最好的解决方案是使用关节和用于关节的固定装置之间的传感器。凭借阴部件的高精度加工，对于每个单独的关节，垫片厚度的初始值几乎是相同的。仅需要较少的微米水平的试验直到获得期望的球在阴部件中的运动性。对于更大规模的制造，可以使用例如激光干涉仪来测量阴部件相对于参考阴部件的差异，从而使得能够直接计算正确的垫片选择。

根据图7，还可以直接使用激光干涉仪来测量间隙。这在以阳球来研磨和抛光阴部件之后进行。因此，以一定的扭矩来将阴部件旋拧在一起以保证球和阴部件处于彼此牢固接触。穿过孔23c和23d，激光束可以在与垫片间隙23b中的孔相对的壁上获得反射。以图底部处的一对孔为例说明如何可以进行该测量。

激光干涉仪200通过将一个激光束发送到两个孔中并且使激光束在半透明镜201中混合来测量垫片间隙中的壁之间的差异。为了通过两个孔来获得测量，使用了三个镜子202a、202b、202c。凭借完美的螺纹联接，一个孔对是足够的，但是对于高准确度，应当使用三个孔对(23c和23d)，该三个孔对钻成彼此相距120度。

图8示出了关节设计，其中在阳部件和阴部件之间获得更大的交界表面，针对于关节刚度，这是优点。阳部件46和其安装销47可以在塑料层部件48和50之间转动和倾斜。在塑料层48中，设有用于销47的倾斜的狭缝49。在图9和10中，可以看到阴部件52和55，以及塑料层48和50、弹簧垫圈54和弹簧53。凭借相对于彼此成90度的安装销47和56以及安装在销56上的连杆，可以使连杆在水平平面中摇摆360度并且在竖直平面中摇摆大约+/-60度。当然，可以在不具有塑料层48和50的情况下使用相同的关节设计。

图11示出了没有磨损补偿的图9的变型。此处，垫片52a适于获得阴部件50和52之间所需的预应力。阳球形部件46是图1所见的操纵平台或致动滑架。在图中，以60示例出安装在关节上的臂。

图12示出了如何可以通过在装配关节时使球46转动和倾斜来研磨和抛光关节，该关节与图8至11中的关节相似，但是没有塑料层。在图中，使用垫片52a，但是如前面所述，在研磨或抛光操作期间，这是不必要的。相反地，在研磨期间，52和55之间的旋拧扭矩可以用来在阳部件和阴部件之间获得足够的表面压力。

图13至15示出了设计，在该设计中可以获得大的关节工作空间。图13限定了具有凸缘49的塑料支承半部48和50的几何形状，并且如可以看到的，销47现在可以倾斜达+/-90度。根据图15以螺钉74来将阴部件70和71夹紧在一起，并且垫片73用来获得最佳预应力和零空隙。安装销72应当安装在连杆上，并且安装销47应当安装在操纵平台或致动滑架上。

图16和17示出了图13至15的实施例的改型。销47安装在平台或致动滑架上，并且销72安装在连杆上。为了获得高的刚度，几个螺钉74用来将左阴部件70安装在右阴部件71上，使得其间具有垫片73。图17从具有多个用于高刚度的螺钉74的一侧示出关节。在该图中，还表示了研磨运动。

如图18所示，还可以分别使用具有正确的直径的球46来对每个阴部件执行研磨。在图19中，示出了如何可以使用精细研磨布80来去除研磨金刚石并且获得改进的表面精加工。

图20示出了类似于图5的关节的关节，但是其中右阴部件15已被制成为更小，并且其中其旋拧在左阴部件16内。

图21示出了适应性研磨也可以用于双球关节，该双球关节具有用于将阴部件101和102预先压靠在阳球部件103和104上的弹簧105。100是操纵平台或致动滑架的一部分。连杆安装在销110和111上。图22示出了如何通过相对于阴部件102使阳部件104转动和倾斜来进行研磨。当然，在球连接于彼此之前，进行研磨。

Claims (19)

1.一种用于制造关节的方法，其特征在于，所述方法包括：

A.将销安装在球上，

B.在至少两个承窝部件上加工球形表面，

C.将研磨膏施加在所述球上和/或所述承窝部件的所述表面上，

D.将所述销连接于使所述球转动的设备，

E.将所述球装配在所述承窝部件之间，

F.在所述承窝部件与所述球之间施加压力，

G.在所述关节的工作范围上使所述球转动和倾斜，

H.从所述球和所述承窝部件清除所述研磨膏，以及

I.通过将所述承窝部件安装在球上来装配所述关节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中使用的所述球是球轴承的球。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤H之后，所述方法包括以下步骤：

执行精细研磨以去除研磨材料的残余物，以及

清洁所述球和所述承窝部件。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在权利要求1中限定的步骤H之后，所述方法包括将润滑脂施加在所述承窝部件和/或所述球上的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在权利要求3中限定的步骤之后，所述方法包括将润滑脂施加在所述承窝部件和/或所述球上的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I包括：在装配时使用垫片。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤D之后，所述方法包括以下步骤：

在所述承窝部件中的第一承窝部件与所述球之间施加压力，

在不同方向上使所述球转动和倾斜，

在第二承窝部件与所述球之间施加压力，以及

在不同方向上使所述球转动和倾斜。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在权利要求3的研磨步骤之后，所述方法包括抛光被研磨的表面的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在权利要求1的步骤H之后，所述方法包括对所述表面进行酸洗或吹洗。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I包括：调整垫片的厚度直到在所述球与所述承窝部件之间获得一定水平的摩擦。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤I中所述承窝部件安装在其上的所述球与在执行步骤A至H时所使用的球相同。

12.一种制造包括关节的工业机器人尤其是并联运动机器人的方法，其特征在于，所述关节中的至少一个根据权利要求1至11中的任一项制造。

13.一种关节，所述关节能够用根据权利要求1至11中的任一项所述的方法获得。

14.根据权利要求13所述的关节，其特征在于，所述关节包括由两个承窝部件形成的两个阴部件以及由球形成的一个阳部件

15.根据权利要求14所述的关节，其特征在于，至少一个连接销附接在所述关节的所述阳部件和所述阴部件中的至少一个上。

16.根据权利要求15所述的关节，其特征在于，所述两个阴部件通过螺纹联接而彼此连接，并且优选地，在所述阴部件之间安装有垫片。

17.根据权利要求16所述的关节，其特征在于，每个阴部件是环形的。

18.根据权利要求14所述的关节，其特征在于，所述两个阴部件一起形成轭，所述轭具有在所述球的相对侧上与所述球接触的接触表面。

19.一种工业机器人，尤其是并联运动机器人，其特征在于，所述工业机器人包括至少一个根据权利要求13至18中的任一项所述的关节。

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