CZ23138U1 - Kloub pro naklápění a natáčení přístrojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká kloubu pro naklápění a natáčení přístrojů, opatřených propojovacími kabely, umístěnými v dutých hřídelích spojených kulovým ložiskem. Předkládané řešení kloubu je určeno pro konstrukce naklápění s pohonnými jednotkami, komunikačními anténami či měřicími zařízeními bez nutnosti použití rotačních kontaktů.

Dosavadní stav techniky

V běžných konstrukcích se kloub realizuje několika způsoby.

Jednou z nejčastějších konstrukcí je použití kulového ložiska, např. řada GEH firmy SKF, kdy se upevní vnější kroužek ložiska v rámu a do koule se upevní naklápějící se hřídel. Výhodné je, že není nutné použít rotační kontakt. Nevýhodou tohoto řešení je malý úhel naklopení - pro sériově vyráběná ložiska nepřesahuje 25°, dále možnost protočení koule ve vnějším kroužku kolem osy ložiska. Další nevýhodou je obtížná konstrukce řízení přesné polohy naklopení.

Další velmi běžná konstrukce je Kardanův závěs. Zde jsou jednotlivé osy naklopení od sebe od15 děleny, řazeny sériově, a každou osu naklopení řídí vlastní servomotor. Jedna osa naklopení realizuje kyvný pohyb nahoru - dolů a druhá osa naklopení realizuje kyvný pohyb doprava - doleva. Výhodné je, že není nutné použít rotační kontakt. Nevýhodou tohoto řešení je sériové řazení servopohonů a z toho vyplývající nízká tuhost konstrukce. Konstrukce bývá dosti složitá a těžká. Rovněž je konstrukčně problematické dosáhnout velkých úhlů naklopení od středové osy závěsu.

Pro směrování antén či dohledových kamer se používá zpravidla systému „Pan-Tilť\ Pomocí osy „Pan se určuje azimut natočení pohledu kamery a pomocí osy „Tilt“ se určuje sklon pohledu kamery od středové osy. Nevýhodou této konstrukce je nutnost použití rotačních kontaktů, kvůli riziku překroucení kabelů. Navíc musí být přes rotační kontakt napájen i servopohon osy kyvu (Tilt), protože se jedná o sériově zařazený pohon, který se otáčí podle osy otáčení (Pan). Tím mohou vznikat různé interference na rotačním kontaktu, kde jsou vedeny rovněž signály pro obraz či vysokofrekvenční antény.

V poslední době se začínají využívat pro naklápění různé paralelní mechanismy. Mezi hlavní výhody těchto konstrukcí patří rychlost pohybu a tuhost konstrukce. Na druhou stranu se tyto mechanismy spíše řadí do kategorie robotů než kloubů. Nevýhodou těchto konstrukcí je vysoká kinematická i konstrukční složitost.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje kloub pro naklápění a natáčení přístrojů, opatřených propojovacími kabely, umístěnými v dutých hřídelích, spojených kulovým ložiskem, připojený k rámu, podle tohoto technického řešení, jehož podstatou je to, že kloub je tvořen objímkou kulového ložiska, obklopující kulovou část zahnuté duté hřídele, přičemž objímka je umístěna na konci duté hřídele, uložené otočně v rámu. Na duté hřídeli je pevně upevněno ozubené kolo, které je v záběru s ozubeným kolem servomotoru. Dále je na hřídeli rotačně uložené ozubené kolo, které je v záběru s ozubeným kolem dalšího servomotoru, a dále je k hřídeli pevně připojeno kuželové ozubené kolo, které je na konci duté hřídele v oblasti kloubu a je v záběru s kuželovým ozube40 ným kolem, připevněným k zahnuté duté hřídeli. K ozubenému koluje pevně připojena nakloněná vzpěra, opatřená na svém konci ložiskem, ve kterém je uložena zahnutá dutá hřídel.

Servomotor a další servomotor jsou s výhodou spojeny s pevným rámem. Servomotor a další servomotor jsou ve výhodném provedení propojeny s řídicím centrem pro naklopení konce zahnuté duté hřídele v rozsahu 0° až 2a° na všechny strany, přičemž a je úhel, který svírá osa první části zahnuté duté hřídele, přilehlé k duté hřídelí, s osou této duté hřídele.

-1 CZ 23138 Ul

Největší výhodou této konstrukce je, že se získává dvojnásobný úhel naklopení. Prakticky se dá dosáhnout i naklopení, zahrnující celou polokouli.

U této konstrukce kloubu je možné oba servomotory upevnit na rám. Tím je odstraněna nevýhoda vedení napájení servomotorů přes rotační kontakty.

Pohony kloubu jsou jak mechanicky, tak matematicky, řazeny paralelně. To znamená, Že pro změnu polohy je nutno zásahu obou servomotorů. Jejich pohyby jsou svázané. Pro nastavení správné polohy a jednoduché intuitivní ovládání operátorem (člověk si umí představit pouze „nahoru - dolů - doprava - doleva“ nebo „pan-tilt“) je třeba přepočítat tyto náklony na správné polohy servomotorů přes řídicí jednotku.

Neobjevuje se zde protočení koule kulového ložiska. Každá poloha je jasně definovaná a nedochází k pootočení vůči základnímu rámu. Konstrukce se vyznačuje vysokou tuhostí, malou hmotností a malými zástavbovýmí rozměry. Díky konstrukčnímu uspořádání nejsou servomotory namáhány přímo a po vhodném zpřevodování lze dosáhnout samosvomého a rychlého řízení polohy kloubu.

Kloub je velmi vhodný pro přesné polohování objektu v prostoru, kde je požadována vysoká tuhost a rychlost polohování. Konstrukce kloubu vykazuje rovněž velmi příznivý poměr zatížení ku vlastní hmotnosti kloubu.

Díky konstrukční jednoduchosti, kdy většinu součástí lze vyrobit jednoduchými operacemi a standardními technologiemi, je dosaženo nízkých nákladů na výrobu kloubu. Díky originální konstrukci je kloub jasně rozpoznatelný od jiných ostatních řešení. Otevírá tak nové možnosti designu konstrukce kulových kloubů.

Všechny hlavní součásti kloubu jsou jednoduché a masivní, a tudíž lze očekávat dlouhou životnost kloubu, pri dodržení správných konstrukčních postupů. Kloub pak najde využití v mnoha oblastech techniky, jako např. polohování antén, polohování přístrojů v terénních podmínkách, použití ve zhoršených podmínkách, jako je vlhko, prašné prostředí, vibrace, rázy atd., robotické systémy, nepilotované létající objekty atd.

Přehled obrázku na výkrese

Kloub pro naklápění a natáčení přístrojů bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno v nárysu v řezu příkladné řešení. Příklad provedení technického řešení

Příklad provedení technického řešení je patrný z přiloženého výkresu. Další servomotor 2 a servomotor 3 jsou spojeny s pevným rámem I. Na výstupním hřídeli dalšího servomotoru 2 je upevněno další ozubené kolo 6. Na výstupním hřídeli servomotoru 3 je upevněno ozubené kolo 4. V rámu 1 je uložena dutá hřídel 8. Na duté hřídeli 8 je pevně upevněno ozubené kolo 5, které zabírá s ozubeným kolem 4. Dále je na hřídeli 8 rotačně uloženo druhé ozubené kolo 7, které zabírá s dalším ozubeným kolem 6. Dále je na konci duté hřídele 8, v místě kloubu, upevněno kuželové ozubené kolo 9. Na konci duté hřídele 8 je upevněna objímka 10 kulového ložiska. Kulové ložisko umožňuje výchylku a od osy kloubu. V kouli kulového ložiska je upevněna zahnutá dutá hřídel L4. Úhel zahnutí duté hřídele 14 je 180° - a.

Na druhé ozubené kolo 7 je pevně připojena nakloněná vzpěra 12, na níž je ložisko 13. Úhel, který svírá osa první části zahnuté duté hřídele 14, přilehlé k duté hřídeli 8, s osou této duté hřídele 8, je α. V ložisku 13 je uložena zahnutá dutá hřídel 14, která je takto vedena nakloněnou vzpěrou 12. Na zahnuté duté hřídeli 14 je upevněno další kuželové ozubené kolo 11, které zabírá s kuželovým ozubeným kolem 9.

-2CZ 23138 Ul

Je tak zřejmé, že další servomotor 2 otáčí s nakloněnou vzpěrou 12 a servomotor 3 otáčí se zahnutou dutou hřídelí 14. Podle řídicího algoritmu je pak možno dosáhnout naklopení konce zahnuté duté hřídele 14 v úhlovém rozsahu 0 až 2a na všechny strany.

Osa naznačuje vedení pružné hřídele - kabelu 15, pro přenos kroutícího momentu ze zdroje v rámu I na vrchol kulového kloubu. Při této konfiguraci zůstává délka pružné hřídele stejná pro všechny úhly naklopení a nedochází tak k jeho kontrakci. Dále je také zřejmé, že v případě vedení kabelů 15 po ose nebude docházet k jejich kroucení vlivem naklápění kloubu. Z toho plyne obrovská výhoda absence rotačních kontaktů.

Zkušební prototyp, který je určen pro polohování pohonné, tlačné vrtule malé, dálkově řízené vzducholodě byl namontován na spalovací motor a vrtule byla spojena s motorem přes kloub pomocí pružné hřídele. Některé typické parametry tohoto systému:

Délka vzducholodě Max. průměr vzducholodě Objem balónu vzducholodě Spalovací motor Vrtule

Průměr pružného hřídele Rozsah naklopení Použité kulové ložisko Výkon servopohonu Rychlost polohování Hmotnost kloubu vč. pohonů m

1,8 m

9,2 m³

Honda GX35, 1,2kW@7000RPM APC 19“ χ 8“ W 6 mm ±45° od středové osy ve všech směrech

GEH17C

W

0,7 ot./s

0,9 kg

Průmyslová využitelnost

Kloub pro naklápění a natáčení přístrojů, opatřených propojovacími kabely, podle tohoto tech25 nického řešení nalezne uplatnění v mnoha oblastech techniky, jako např. polohování antén, polohování přístrojů v terénních podmínkách, použití ve zhoršených podmínkách, jako je vlhko, prašné prostředí, vibrace, rázy atd., robotické systémy, nepilotované létající objekty atd.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kloub pro naklápění a natáčení přístrojů, opatřených propojovacími kabely, umístěnými v

   30 dutých hřídelích, spojených kulovým ložiskem, připojený k rámu, vyznačující se tím, že kloub je tvořen objímkou (10) kulového ložiska, obklopující kulovou část zahnuté duté hřídele (14), přičemž objímka (10) je umístěna na konci duté hřídele (8), uložené otočně v rámu (1), a na duté hřídeli (8) je pevně upevněno ozubené kolo (5), které je v záběru s ozubeným kolem (4) servomotoru (3), rotačně uložené druhé ozubené kolo (7), které je v záběru s dalším ozubeným

   35 kolem (6) dalšího servomotoru (2), a kuželové ozubené kolo (9), které je na konci duté hřídele (8) a je v záběru s dalším kuželovým ozubeným kolem (11), připevněným k zahnuté duté hřídeli (14), a k druhému ozubenému kolu (7) je pevně připojena nakloněná vzpěra (12), opatřená na svém konci ložiskem (13), ve kterém je uložena zahnutá dutá hřídel (14).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že servomotor (3) a další servo40 motor (2) j sou spojeny s pevným rámem (1).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že servomotor (3) a další servomotor (2) jsou propojeny s řídícím centrem pro naklopení konce zahnuté duté hřídele (14) v úhlovém rozsahu 0 až 2a na všechny strany, přičemž α je úhel, který svírá osa první části zahnuté duté hřídele (14), přilehlé k duté hřídeli (8), s osou této duté hřídele (8).

   1 výkres