DE4303152A1 - Zwangsgekoppelte Doppelgelenke - Google Patents

Description

In der Technik und insbesondere im Maschinenbau sind Rotationsgelenke (RG) häufig eingesetzte Konstruktionselemente. Derartige Gelenke bestehen aus einem fixierten Grundkörper (GK) und einen daran befestigten, jedoch um eine oder mehrere Achsen drehbaren Körper (i.F. als Drehkörper oder DK bezeichnet), der Lagerung und der Achse, die mit dem GK fest verbunden ist und auf der der DK drehend lagert (Müller, H.W. Kompendium Maschinenelemente, Darmstadt-Eber­ stadt: 1980, S. 7/1). Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen Rotations­ gelenken mit fluchtender und nicht fluchtender Drehachse (Richtlinie VDI 2861, Blatt 1). Die Drehmöglichkeit eines RG wird als Freiheitsgrad (FG) bezeichnet. Für die kinematische Modellierung eines RG legt man den Ursprung vom Basiskoor­ dinatensystem des Gelenkes i.d.R. in den ortsfesten Grundkörper und zwar so, daß die Drehachse des RG identisch ist mit der z-Achse dieses Koordinatensystems (Notation nach Denavit/Hartenberg).

In der Technik werden häufig mehrere RG aneinandergekoppelt. Man spricht in solchen Fällen von kinematischen Ketten (Warnecke, H.-J.; Schraft, R.D. [Hrsg.]: Industrieroboter. Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Berlin usw.: 1990, S. 9). Ein Beispiel für eine derartige kinematische Kette ist der klassische Universal­ bzw. Industrieroboter (Warnecke, H.-J.; Schraft, R.D.: a.a.O., S. 25).

Neben der Aufgabe, Drehbewegungen zu ermöglichen, muß ein RG auch Belastun­ gen in Form auftretender Kräfte und Momente übertragen können. Diese entstehen durch die Erd- oder Drehbeschleunigung des RG selbst und ggf. i.F. der Beschleu­ nigungen von Nutzlastmassen, die an den DK angekoppelt sind. Prinzipiell sind als Belastungen sechs Kräfte und sechs Momente möglich in Anbetracht der drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgrade im Raum und unter Berück­ sichtigung der möglichen Vorzeichen + und -. Die Größe dieser Belastungen bestimmt die notwendige Tragfähigkeit eines RG.

Diese Belastungen werden bei herkömmlichen RG im wesentlichen mittels der Gelenkwelle übertragen. So ist diese auf Mehrfachbelastung auszulegen (Zug, Druck, Schub). Da bei der Dimensionierung immer der ungünstigste Fall zu Grunde zu legen ist, müssen die Gelenkwellen herkömmlicher RG masseintensiv überdi­ mensioniert werden.

Die Mehrfachbelastung führt auch zu überlagerten Verformungen in der Gelenkwel­ le, so daß die Ursache dafür (Querkraftbiegung, Torsion etc.) nicht sofort bzw. gar nicht mehr zu erkennen ist. Für geregelt geführte Präzisionsmechanismen wie z. B. Roboter wäre dies aber wünschenswert.

Für den Einsatz in Präzisionsmechanismen bedürfen RG auch der Möglichkeit zur Lagervorspannung. So können z. B. Wälzlager axial vorgespannt werden, um damit das axiale und radiale Lagerspiel zu verringern oder gar zu eliminieren. Die axiale Vorspannung von Lagerungen führt jedoch zu erhöhter Reibung, da die Vor­ spannkräfte am vollen Lagerumfang zuzüglich zu den normalen Betriebskräften wirken. Diese Art der Vorspannung geht einher mit entsprechender Verminderung des Wirkungsgrades der Lagerung und damit des RG′s sowie mit erhöhtem Ver­ schleiß (Müller, H.W.: a.a.O., S. 9/1 - S. 9/11).

Charakterisierend für ein RG mit nicht fluchtender Drehachse ist sein Schwenkbe­ reich. Ein Schwenkbereich von 360 Grad und mehr wird hier nur erreicht, wenn die Längsachse des DK einen seitlichen Versatz zur Längsachse des GK aufweist (Bei­ spiel: Ellenbogengelenk am MANUTEC-R3-Roboter, s.a. Warnecke, H.-J.; Schraft, R.D.: a.a.O., S. 109).

Die eingereichten Schutzansprüche behandeln eine neuartige Bauweise für Rota­ tionsgelenke mit nicht fluchtender Drehachse, bei der je nach Ausführung ein Teil oder alle möglichen, äußeren Kräfte und Momente durch Zug- und Druckelemente im Sinne einer "Ein-Zweck-Anwendung" übertragen werden, d. h., daß Zugkräfte z. B. durch Seile, Bänder oder Riemen, Druckkräfte z. B. durch Druckstäbe und Schubkräfte z. B. durch Kreuzbänder, wie sie in ähnlicher Art auch im menschlichen Kniegelenk zu finden sind. Durch die einachsige Belastung der Elemente können diese Elemente, die im Sinne des Leichtbaus ideale Konstruktionen sind, ohne Aufwand masseminimal ausgelegt werden (Wiedemann, J.: Leichtbau, Bd. 1: Elemente, S. 1-7, Berlin usw.: 1986).

Bei dem angemeldeten Bauprinzip sind die Zug- und Druckelemente entlang der Kräftepfade im Gelenk angeordnet. So kann man über die Verformungen der Zug- und Druckelemente sofort auf die dafür ursächlichen Belastungen schließen und deren negativen Einfluß z. B. auf die Positionier- und Wiederholgenauigkeit eines Roboters direkt in der Systemsteuerung berücksichtigen.

Die Bauweise des neuartigen Gelenkprinzips ermöglicht zudem eine Gelenkvor­ spannung, die lediglich in Richtung der Betriebslasten angreift. Diese spezifische Art der Vorspannung beeinflußt den Wirkungsgrad und den Verschleiß des RG nur unwesentlich.

Das angemeldete Gelenkprinzip erlaubt zudem einen Schwenkbereich von 360 Grad oder mehr, ohne daß die Längsachsen von GK und DK einen seitlichen Versatz aufweisen. Kinematisch wird das ermöglicht durch zwei in Reihe geschalte­ te, untereinander zwangsgekoppelter Drehachsen. Aufgrund dessen erfolgte auch die Bezeichnung der Erfindung "Zwangsgekoppeltes Doppelgelenk" (ZDG).

Das Prinzip der ZDG ist anschaulich darstellbar anhand einer Konstruktion, die auf zwei aufeinander abwälzenden Zylindern beruht (Bild 1b), die sich nur im Momen­ tanpol (Bild 1b: 7) berühren und über eine Kombination von Zugelementen (Bild 2a: 1; Bild 3: 2 u. 3; Bild 4a: 1 u. 2; Bild 4b: 1 u. 2; Bild 4c: 1 u. 2) in ihrer Relativbewe­ gung geführt werden. Die Bilder 4a, 4b und 4c stellen eigenständige oder in Kombination anwendbare Varianten dar. Der Momentanpol liegt bei diesem An­ schauungsmodell auf der Normalen, die die beiden Drehachsen der Zylinder mitein­ ander verbindet.

Die beiden Zylinderachsen stellen kinematisch je eine der beiden Achsen des ZDG dar, die über die Funktion

q_if(q_i-1)

gekoppelt sind, womit die Verfahrbahn (Bild 1c: 8) des Punktes P (Bild 1c: 9) ein­ deutig definiert wird. Der Index i beziffert dabei den Drehwinkel des Zylinders relativ zum Basiskoordinatensystem des ZDG, der den örtlich fixierten GK repräsentiert und der Index (i-1) den des Zylinders, der den Drehwinkel des DK relativ zum Basiskoordinatensystem des ZDG darstellt. Bei gleichem Durchmesser der zwei Zylinder ist die Kopplung folglich

q_i = Q_i-1 = q/2 (Bild 1d).

+/-F_y +wF_z+/-M_x, +/-M_y sowie +/-M_z (Bild 3) verantwortlich sind, kann an der Gelenk­ stellung q = 0 Grad (Bild 1b) verdeutlicht werden:

• - Die Zugkraft +F_x wird durch Zugelemente (Bild 2a: 1 u. 2) aufgenommen, die - z. B. als Zugriemen ausgeprägt - über Riemenräder (Bild 2a: 5, 6, 7, 8) ge­ führt werden, von denen jeweils ein Rad am nebenstehenden Gelenkkörper (Bild 2a: 3 oder 4) befestigt und das andere drehbar gelagert sein muß. So kann z. B. ein Rad (Bild 2a: 6) am nebenstehenden Gelenkkörper (Bild 2a: 3) befestigt sein, während das andere Rad (Bild 2a: 5) am Gelenkkörper Bild 2a: 4) drehend gelagert ist. Auf der Gegenseite kann das Rad (Bild 2a: 8) am hier nebenstehenden Gelenkkörper (Bild 2a: 4) montiert sein, während das zugehörige andere Rad (Bild 2a: 7) im Körper (Bild 2a: 3) gelagert ist. Drehbar ist diese Konstruktion nur, wenn die Durchmesser der Grundkörper (Bild 2a: 3, 4) größer sind als die der drehbar gelagerten Räder, damit sich diese nicht im Momentan (Bild 1b: 7) berühren.
• - Die entsprechende Druckkraft -F_x wird über den Momentanpol der Abroll­ bewegung (Bild 1b: 7) zwischen den Zylindern übertragen. Eine Variante ist möglich durch eine Kraftübertragung mittels Druckstab (Bild 2b: 1), der dann jedoch z. B. an Lagerzapfen (Bild 2b: 2) beidseitig gelenkig gelagert sein muß.
• - Die Schubkräfte +/-F_y werden durch die äußeren Kreuzbänder (Bild 3: 2, 3) übertragen, die an ihren Endpunkten zu fixieren sind.
• - Die Schubkräfte +/-F_z werden durch die sog. inneren Kreuzbänder (Bild 4a: 1, 2; Bild 4b: 1, 2; Bild 4c: 1, 2) übertragen, die an ihren Endpunkten zu fixieren sind.
• - Die Momente +/-M_x werden als antimetrisches Kräftepaar mittels der äußeren Kreuzbänder übertragen.
• - Die Momente +/-M_y werden ebenfalls durch ein antimetrisches Kräftepaar abgesetzt: Die Zugkraftkomponente über die Elemente (Bild 2a: 1) auf der jeweiligen Zugseite, die dazugehörige Druckkraftkomponente über den auf der Druckseite liegenden Momentanpol (Bild 1 b: 7) bzw. über den Druckstab (Bild 2b: 1).
• - Die Momente +/-M_z werden bezüglich ihrer Druckkomponente über die Zugriemen auf beiden Seiten des ZDG übertragen, während sich die Druck­ komponente über den Momentanpol bzw. die Druckstäbe (Bild 2b: 1) ab­ stützen kann. Bei Verwendung der ZDG für angetriebene Gelenke könnte +/- M_z das Antriebsmoment darstellen.

Bei Änderung des Gelenkwinkels q ändert sich diese Zuordnung mathematisch stetig. Davon ausgenommen sind lediglich die Schubkräfte +/-F_z. Ihre Übertragung wird für alle q durch die inneren Kreuzbänder gewährleistet. Die Änderung der Belastungsübertragung ist, durch die Gelenkkinematik bedingt, für jeden Gelenkwin­ kel q eindeutig.

Claims (9)

1. Rotationsgelenk (RG) mit nicht fluchtender Drehachse für Anwendungen als Konstruktionselement, gekennzeichnet durch zwei sich aufeinanderab­ rollenden, sich im Momentanpol (Bild 1b: 7) berührenden, um die beiden zwangsgekoppelten Achsen (Bild 3: 6, 7) drehbaren Gelenkkörpern (Bild 1 b: 1 und 2) mit einer zylinderförmigen Gestalt und mit den Radien R1 (Bild 1b: 3) und R2 (Bild 1b: 4) und den Gelenkwinkeln q_i (Bild 1b: 5) und q_i-1 (Bild 1b: 6), wobei q = _iq + q_i-1 (Bild 1b) ist und wo für den Fall R1 = R2 gilt, daß q = q_i = q_i-1 = q/2 ist (Bild 1d), durch die Fähigkeit, die möglichen Kräfte +/-F_x +/- F_y +/-F_z (Bild 1a) und die möglichen Momente +/-M_x +/-M_y sowie +/-M_z (Bild 1a) durch die Kombination von jeweils an den Endpunkten fixierten oder gelagerten Einzweck-Kraftübertragungselementen (Bild 2a: 1; Bild 3: 2, 3; Bild 4a: 1, 2; Bild 4b: 1, 2; Bild 4c: 1, 2) zu übertragen.

2. RG nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckkraftübertragung in Form eines an den Endpunkten drehend gelagerten Druckstabes (Bild 2b: 1).

3. RG nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehr als einen Druckstab.

4. RG nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch beliebig gestaltete Gelenkkör­ per mit gleicher Funktion wie in Anspruch 1.

5. RG nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gelenkkörper, die im Momen­ tanpol nicht in Berührung stehen.

6. RG nach Anspruch 1, bei dem die Zugelemente (Bild 2a: 1; Bild 3: 2, 3; Bild 4a: 1, 2, Bild 4b: 1, 2; Bild 4c: 1, 2) bei jeweils gleicher Funktion in mehr­ facher Ausführung vorhanden sind.

7. RG nach Anspruch 1, bei dem nur eine oder ein Teil der möglichen Lasten durch Einzweck-Kraftübertragungselemente übertragen wird.

8. RG nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl der zwangsgekoppelten Achsen (Bild 3: 6, 7) ungleich zwei ist.

9. RG nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem die Kraftübertragungselemente (Bild 2a: 1; Bild 3: 2, 3; Bild 4a: 1, 2; Bild 4b: 1, 2; Bild 4c: 1, 2) neben einer Einzellast auch Zug, Druck und Schub in beliebiger Kombination ertragen müssen.