CN109477339B - 具有重量优化的铰接桅杆的大型机械手 - Google Patents

具有重量优化的铰接桅杆的大型机械手 Download PDF

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Abstract

一种具有折叠式铰接桅杆(2)的大型机械手(1)，折叠式铰接桅杆具有可绕垂直轴线(3)旋转的转台(4)和多个桅杆段(5，5a，5b，5c)，其中，桅杆段(5，5a，5b，5c)可在铰接接头(6，6a，6b，6c)处绕相应的铰接轴线相对于相邻的桅杆段(5，5a，5b，5c)或转台(4)枢转，至少一个桅杆段(5，5a，5b，5c)由空心结构(7)形成，该空心结构由互连的壁元件(8，8a，8b，8c)构成。本发明的目的是减轻这种大型机械手的重量。为此目的，本发明提出将凹部(11)结合在壁元件(8，8a，8b，8c)中的至少一个中，其中，凹部的深度小于壁元件(8，8a，8b，8c)的材料厚度，从而壁元件(8，8a，8b，8c)在凹部(11)的区域中是封闭的。

Description

具有重量优化的铰接桅杆的大型机械手
技术领域
本发明涉及一种具有折叠式铰接桅杆的大型机械手，该铰接桅杆具有可绕垂直轴线枢转的转台和多个桅杆段，其中，每个桅杆段分别可在铰接接头处绕铰接轴线相对于相邻桅杆段或转台枢转，其中，至少一个桅杆段由彼此连接的壁元件的空心结构形成。
背景技术
由于需求增长，这种大型机械手的开发需要提供更大的桅杆长度，然而，大型机械手的自重限制了这些尝试。
从现有技术已知在大型机械手的桅杆段上提供桁架状结构，以减轻重量。然而，它们的缺点在于它们形成敞开结构，因此污垢和水可进入，且在表面上形成水或污垢堆积。另外，敞开式桅杆段的内侧难以检查锈斑，因此通常不能及时检测到由于生锈导致的桅杆段的弱化。此外，桅杆段内的牢固埋藏的污垢会导致重量增加，从而危及大型机械手的强度和稳定性。
从现有技术还已知，桅杆段由不同材料厚度(通常朝着桅杆顶部减小)的板构成。这对于保持桅杆的负载扭矩尽可能低是必要的，但是需要多个对接接头或焊接接头，从而在生产技术方面是复杂的。此外，特别是在桅杆顶部的区域中，必须提供较大大的材料厚度，以便仍然保证材料的可焊性，尽管从结构观点来看，甚至更低的材料厚度也是足够的。因此，从静态观点来看，桅杆段的重量、特别是在桅杆顶部的关键区域中的重量不必要地高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种大型机械手，其克服了所述的缺点，且能够容易且安全地减轻重量。
由于凹部引入到壁元件中的至少一个中，其中，凹部的深度小于材料厚度、即壁元件的壁厚，因而使得壁元件在凹部的区域中封闭，可以以简单但安全的方式实现重量减轻。封闭的壁元件继续提供防止水和污垢进入的安全性，其中，引入到壁元件中的凹部能够显著减轻重量。
根据本发明的一个有利实施例，可使凹部布置在壁元件的内侧上。通过将凹部布置在壁元件的内侧上，可防止灰尘和泥附着到凹部的边缘区域中的边缘并由于湿气而在那里形成锈斑。
另一个有利的实施例是多个凹部设置在壁元件上，所述凹部形成具有连接部和凹兜表面的桁架状结构，其中，凹兜表面至少具有减小的材料厚度。由于多个凹部形成桁架状结构，尽管凹部显著减小了桅杆段的重量，却仍可保持桅杆段的稳定性。通过与凹兜表面一起形成桁架状结构的连接部提供了足够的稳定性。通过凹兜表面的减小的材料厚度，可以以简单的方式实现显著的重量减轻。凹兜表面可具有均匀的材料厚度和彼此不同的材料厚度。通过单个凹兜表面的不同材料厚度，可考虑特殊的设计条件。
一个优选实施例使得连接部至少部分地具有壁元件的材料厚度。提供了一种简单的选择，使得在连接部至少部分地具有与壁元件相同的厚度时，产生壁元件的固体材料的稳定连接部。然而，为了进一步减轻重量，单独的连接部也可具有较低的材料厚度。
特别有利的是，其中，所述至少一个桅杆段具有基本平坦的外侧。由于桅杆段的基本上平坦的外侧，可避免外表面上的污垢和水积聚。桅杆段几乎没有任何可能有助于形成锈斑的边缘，从而确保了寿命。此外，平坦的外表面易于清洁。
另一个有利的实施例是，多个凹部分布在桅杆段的形成为连接板的壁元件上。凹部在桅杆段的连接板上的布置使得能够减轻重量而不损害桅杆段的稳定性和强度。
在一个有利的实施例中，凹部的比表面部分和/或相对深度朝着桅杆段的顶部、即在桅杆顶部的方向上增加。比表面部分应理解为表示凹部的所得表面占每单位长度壁元件的表面的部分。凹部的相对深度应理解为凹部的深度与壁元件的材料厚度的比。通过凹部的这种布置或配置，负载扭矩朝着桅杆顶部减小，而不必使用不同材料厚度的金属板，从而可减少对接接头的数量。
本发明的另一有利实施例使得至少形成桅杆顶部的最后一个桅杆段具有凹部。特别是在形成桅杆顶部的最后一个桅杆段(也称为横撑)处的重量减轻使得能够减轻大型机械手的其他先前布置的桅杆段的设计重量。随着桅杆顶部处的每一重量减轻，承载桅杆顶部的其他桅杆段都可做得更轻。
此外，有利的是将凹部的内边缘形成为倒圆的。凹部的这种形状减小了壁元件中的局部应力集中，从而降低了裂缝的风险。
凹部有利地形成为周向封闭的。这保证了壁元件在边缘区域处(其在边缘区域处焊接到其他壁元件上)没有在焊接壁元件时可导致困难的凹部。
有利地，凹部设计成级联形状，即凹部由不同深度的凹部构成，由此可实现更大的重量减轻而不会显著损害桅杆段的刚度。
凹部有利地通过铣出壁元件引入。铣出是一种简单类型的金属加工，并且例如通过合适的铣头，可在一次操作中引入具有不同的边缘区域的凹部。
在替代实施例中，凹部还可通过蚀刻壁元件来引入。通过当今已知的和常规的蚀刻技术，凹部的深度可单独设计。
替代地，桅杆段的凹部也可设置在由纤维增强复合材料制成的壁元件中，该段由多个纤维层组成。凹部通过在凹部的区域中提供较少数量的纤维层来简单地形成。
附图说明
根据以下描述和附图，本发明的其他特征、细节和优点是显而易见的。本发明的实施例在以下附图中示意性地示出，且将在下面更详细地描述。
附图示出了：
图1是根据本发明的大型机械手的示意图；
图2是根据本发明的桅杆段的示意图；
图3是根据本发明的桅杆段的另一实施例的示意图；
图4是根据本发明的桅杆段的示意剖视图；
图5a，5b，5c是根据本发明的具有不同形状的凹部的壁元件的示意剖视图；
图6a是根据现有技术的桅杆段的示意图；
图6b是根据本发明的桅杆段的另一实施例的示意图。
具体实施方式
根据图1的图示示出了用于车载混凝土泵的具有折叠式铰接桅杆2的大型机械手1，铰接桅杆2具有可绕垂直轴线3旋转的转台4和多个桅杆段5，5a，5b，5c。每个桅杆段5，5a，5b，5c均可在铰接接头6，6a，6b，6c处绕铰接轴线相对于相邻的桅杆段5，5a，5b，5c或转台4相应地借助于一驱动单元(未示出)枢转。借助于大型机械手1，流体混凝土通过混凝土供应管线(未示出)从混凝土泵17输送到桅杆顶部15，其中，混凝土供应管线终止于末端软管(未示出)，因此当通过这种车载混凝土泵浇筑混凝土时，借助于大型机械手1可桥接长距离和高度。
图2示意性地示出了形成桅杆顶部15的最后一个桅杆段5c，其在侧壁元件8中具有凹部11。特别地，在该桅杆段5c上，凹部11具有特别有利的效果，因为该桅杆段5c上的任何重量减轻都使得能够减轻在大型机械手1的其它布置在其前面的桅杆段5，5a，5b(图1)的设计重量。凹部11也可以且有利地也设置在其他桅杆段5，5a，5b上。多个凹部11引入到壁元件8中，其中，凹部11的深度小于壁元件8的材料厚度，使得壁元件8在凹部11的区域中封闭。因此，图2和图3中所示的凹部11仅被标示出且根据本发明从外部不可见。桅杆段5c的外侧9设计成基本平坦的。因此，灰尘和湿气不能保持在外侧9的边缘上。通过在外侧9上不设边缘也可有效地避免生锈。凹部11的构造也从图4的剖视图中通过标记的剖面A-A清楚地看出。桅杆段5c具有壁元件8上的多个凹部11，其形成具有连接部12和凹兜表面13的桁架状结构。在这种情况下，凹兜表面13具有减小的材料厚度，而连接部12具有壁元件8的材料厚度。例如，如图所示，连接部12形成为三角构型以确保稳定性，即，连接部12各自围绕三角形凹兜表面13和凹部11。三角形凹兜表面13有利地在拐角中是倒圆的，以减少凹部11的拐角中的应力集中。
图3示意性地示出了根据本发明的桅杆段5c的另一个实施例。凹部11的凹兜表面13在此具有与图2中不同的形状，且设计成平行四边形，其中，由凹部11形成的凹兜表面13和连接部12继续形成桁架状结构。
应该注意的是，在两个实施例中，在图2和3中，有利地在焊缝16，16a，16b，16c(图4)的区域中没有设置凹部11。另外，在铰接接头6，6a，6b，6c的区域中没有设置凹部11。而且，在用于驱动单元的铰接点处没有设置凹部11，以便在这些位置不削弱桅杆段5c。
可选地，凹部11也可设计成例如倒圆的、矩形、梯形或三角形。有利地，为凹部11选择周向封闭的形状，使得凹部11如上所述地可布置成使得在焊缝16，16a，16b，16c的区域中不设置凹部11。
图4示意性地示出了穿过根据图2的剖面A-A的剖面图。该剖面图旨在更详细地解释凹部11(图2和3)的设计。可看出，桅杆段5c形成彼此连接的壁元件8，8a，8b，8c的空心的箱形结构。壁元件8，8a，8b，8c通过焊缝16，16a，16b，16c彼此连接。引入侧连接板14，14a中的凹部11留出焊缝16，16a，16b，16c的区域，使得壁元件8，8a，8b，8c的可焊性不会被凹部11损害。凹部11引入到壁元件8，8b的内侧10上，且具有小于壁元件8，8b的材料厚度的深度。可看出，壁元件8，8b在凹部11的区域中是封闭的。因此，凹部11减小了壁元件8，8b的材料厚度，使得它们在凹兜表面13的区域中具有减小的材料厚度b。桅杆段5c的外侧9，即其外表面，形成为基本平坦的。在图4所示的示例性实施例中，仅桅杆段5c的形成为连接板14，14a的侧壁元件8，8b具有凹部11。凹部11的区域中的材料厚度b优选为约1mm，以便仍然确保足够的强度，例如抵抗对桅杆段5c的冲击。连同在最后的桅杆段5c上具有例如3mm的材料厚度a，这导致材料厚度减小、且因此凹部11的区域中的重量减小大约70％的量级。在具有更大材料厚度的金属板的情况下，甚至可在凹部11的区域中实现90％或更多的材料厚度减小。
图5a，5b和5c示出了根据本发明的壁元件8，8b的剖面图，其具有凹部11的不同构造。在图5a中，凹部11的边缘区域设有倒角18和上边缘19，凹部11的下或内边缘19a是倒圆的。边缘19，19a和倒角18的这种形状在降低局部应力集中方面是特别有利的，但在生产技术方面更复杂。
在根据图5b的凹部11的边缘区域的实施例中，仅在凹部11的下边缘或内边缘19a上设置倒圆。通过该措施，凹部11的边缘区域中的应力相对于角过渡已经显著减小。有利地，倒圆的半径在板厚度的30-100％的范围内。
图5c示出了另一种变型，其中，凹部11形成为级联形状，即，由至少一个阶梯20成梯级，这提供了减少桅杆段5，5a，5b，5c的重量、同时保持高刚性的进一步的可能性。
图6a示出了根据现有技术的桅杆段5c的示意性侧视图。该图示出了侧向布置的连接板14，其由不同材料厚度的金属板构成。在区域A中，连接板具有例如8mm的材料厚度，区域B中具有5mm的材料厚度，区域C中具有4mm的材料厚度，且区域D中具有3mm的材料厚度。区域A，B，C和D的金属板通过对接接头21，21a，21b或焊缝21，21a，21b彼此连接。另外(未示出的)凹部11可安装在连杆的区域中，以在这些位置处加强桅杆段5c。
图6b示出了凹部11的一个有利布置，其中，凹部11的比表面部分朝着桅杆段的顶部、即在桅杆顶部15的方向上增加。具有不同材料厚度的板的数量和对接接头21，21a，21b的数量通过这种措施减少。这在此所示地通过以下实现：例如，仅使用材料厚度为8mm(区域A)和5mm(区域B)的的两个板，且使凹部11的数量朝着桅杆顶部15增加。这保证了连接板14的比重朝着桅杆顶部15减小，同时，对接接头21的数量减少，因为在根据图6b的示例中，在区域A和B之间仅需要一个对接接头21。类似地，通过均匀分布、但是各个凹部11的面积朝着桅杆顶部15增加，可实现在桅杆顶部15的方向上的重量减少。通过将凹部11均匀地布置在连接板14的长度上、但是朝着桅杆顶部15增加凹部11的相对深度，确实也可获得相当大的优点。
关于在连接板14的区域中使用凹部11的上述考虑也以相同的方式应用于形成为凸缘板的布置在桅杆段5，5a，5b，5c的上方和下方的壁元件8a，8c。
凹部11可例如通过将壁元件8，8a，8b，8c的固体材料铣削成壁元件8，8a，8b，8c来引入，也就是说，凹部11形成为铣出部分。通过以现今的技术铣出，横撑的壁元件8，8a，8b，8c的材料厚度可从3mm可变地减小到1-2mm，从而实现相当大的重量减轻。特别地，通过侧向倒角的或倒圆的合适的铣头，可在一次操作中实现上述凹部11的边缘区域的倒角和/或倒圆。
作为铣出的替代方案，例如，可建议通过蚀刻将凹部11引入壁元件8，8a，8b，8c中。为了准备蚀刻工艺，首先在不形成凹部11的区域中将对蚀刻液具有抗性的材料(例如，漆)施加到壁元件8，8a，8b，8c上。之后，将壁元件8，8a，8b，8c浸入蚀刻液中，直至达到凹部11的所需深度。如上所述，通过该方法可在多个操作中容易地形成阶梯式凹部11。
另外，替代地，也可通过激光烧蚀、喷砂、冷成型或热成型(即压制或锻造)或其他合适的方法将凹部11引入壁元件8，8a，8b，8c中。
原则上，也可使用壁厚起初对应于凹部11的预期厚度的壁元件8，8a，8b，8c。上述的连接部和边缘区域可通过焊接在材料上而形成，最终产生壁元件8，8a，8b，8c中的凹部11。
同样地，具有凹部11的壁元件8，8a，8b，8c可在3D打印方法中制造。
凹部11不仅可有利地用于由钢或其他金属材料制成的桅杆段8，8a，8b，8c，而且还可例如用于例如在带有所谓碳桅杆的车载式混凝土泵中所使用的、由纤维增强塑料制成的桅杆段。纤维增强塑料(或纤维-塑料复合材料或纤维复合塑料)是由增强纤维和塑料基质组成的材料。基质围绕纤维，纤维通过粘合力或聚合力结合到基质上。
为了制造由纤维增强塑料制成的壁元件8，8a，8b，8c，通常叠加增强纤维的多个薄的编织垫(大约10-50层)。为了形成凹部11，在凹部11的区域中提供较少数量的增强纤维层就基本上足以。通过巧妙地选择壁元件的基本厚度(其由所施加的层的数量和凹部11的深度决定)，特别结合上述有利的、例如凹部11的桁架状布置，也可利用这种桅杆实现不小的重量减轻。特别地，在具有多个凹部11和中间连接部12的壁元件的上述桁架状结构中，特别有利的是使连接部12的纤维平行于连接部12的纵向方向对齐，从而连接部12可最佳地吸收引入的力。
附图标记列表
1 大型机械手
2 铰接桅杆
3 垂直轴线
4 转台
5 5a，5b，5c桅杆段
6 6a，6b，6c铰接接头
7 空心结构
8 8a，8b，8c壁元件
9 外侧
10 内侧
11 凹部
12 连接部
13 凹兜表面
14 14a 连接板
15 桅杆顶部
16 16a，16b，16c焊缝
17 混凝土泵
18 倒角
19 19a边缘
20 阶梯
21 21a，21b对接接头
a 常规材料厚度
b 减少的材料厚度
A，B，C，D 金属板区域

Claims (13)

1.一种具有折叠式铰接桅杆(2)的大型机械手(1)，所述折叠式铰接桅杆(2)具有可绕垂直轴线(3)旋转的转台(4)和多个桅杆段(5，5a，5b，5c)，其中，每个桅杆段(5，5a，5b，5c)分别能够在铰接接头(6，6a，6b，6c)上绕铰接轴线相对于相邻的桅杆段(5，5a，5b，5c)或转台(4)枢转，其中，至少一个桅杆段(5，5a，5b，5c)由彼此连接的壁元件(8，8a，8b，8c)的空心结构(7)形成，其特征在于，凹部(11)引入到壁元件(8，8a，8b，8c)中的至少一个中，其中，凹部(11)的深度小于壁元件(8，8a，8b，8c)的材料厚度，从而壁元件(8，8a，8b，8c)在凹部(11)的区域中是封闭的，其中，多个凹部(11)设置在壁元件(8，8a，8b，8c)上，所述凹部形成具有连接部(12)和凹兜表面(13)的桁架状结构，其中，所述凹兜表面(13)具有相对于壁元件(8，8a，8b，8c)的减小的材料厚度(b)，其中所述连接部(12)形成为三角构型，从而所述连接部(12)每个都包括具有倒圆的拐角的三角形凹兜表面(13)。
2.根据权利要求1所述的大型机械手，其特征在于，所述凹部(11)布置在壁元件(8，8a，8b，8c)的内侧。
3.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述连接部(12)至少部分地具有壁元件(8，8a，8b，8c)的材料厚度(a)。
4.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述至少一个桅杆段(5，5a，5b，5c)具有基本平坦的外侧(9)。
5.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，多个凹部(11)分布在桅杆段(5，5a，5b，5c)的形成为连接板(14，14a)的壁元件(8，8a，8b，8c)上。
6.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)的比表面部分和/或相对深度朝着桅杆段(5，5a，5b，5c)的顶部增加。
7.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，至少形成桅杆顶部(15)的最后一个桅杆段(5c)具有凹部(11)。
8.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)的内边缘(19a)形成为倒圆的。
9.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)形成为周向封闭的。
10.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)设计成级联形式。
11.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)通过铣出壁元件(8，8a，8b，8c)来引入。
12.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述凹部(11)通过蚀刻壁元件(8，8a，8b，8c)来引入。
13.根据权利要求1或2所述的大型机械手(1)，其特征在于，所述壁元件(8，8a，8b，8c)由具有多个纤维层的纤维增强复合材料构成，所述凹部(11)由凹部(11)的区域中的较少数量的纤维层形成。
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