DE102005029064B4

DE102005029064B4 - Ball joint

Info

Publication number: DE102005029064B4
Application number: DE102005029064A
Authority: DE
Inventors: Frank Weidermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: DE102005029064A1

Abstract

Kugelgelenkverbindung, insbesondere für parallelkinematische Werkzeugmaschinen, für Mechanismen in der Handhabungs- und Robotertechnik und Mechanismen in der Medizintechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkte der Achsen (9, 10, 11) der Streben (1, 2, 4) mehrerer Kugelgelenke in einem Punkt (8) zusammen fallen, und die gegenseitige Bewegung der einzelnen Gelenkelemente durch die Oberflächen konzentrischer Kugeln, nämlich einer Vollkugel (12) und Hohlkugeln (3, 5) geführt wird, wobei sich die Streben (1, 2) durch Aussparungen (14, 15) der Hohlkugeln (3, 5) erstrecken.Ball and socket joint, especially for parallel kinematic machine tools, for mechanisms in the handling and robotics and mechanisms in medical technology, thereby characterized in that the intersections of the axes (9, 10, 11) of the struts (1, 2, 4) of several ball joints in a point (8) coincide, and the mutual movement of the individual joint elements the surfaces concentric balls, namely a solid ball (12) and hollow balls (3, 5) is guided, wherein the struts (1, 2) through recesses (14, 15) of the hollow balls (3, 5) extend.

Description

Einordnungclassification

Mechanismen mit parallelkinematischer Struktur finden zunehmend Anwendung im Werkzeugmaschinenbau, in der Roboter- und Handhabungstechnik und bei Bewegungsaufgaben in der Medizintechnik. Meist ist das Gestell mit der Abtriebsplattform bei derartigen Mechanismen mit Streben verbunden, wobei die Verbindung oft mit Kugel- bzw. Kardangelenken erfolgt. Die Berechnung vieler derartiger Mechanismen ergab, dass besonders gute Übertragungs- und Bewegungseigenschaften erreicht werden können, wenn mehrere Streben in einem Punkt mit dem Gestell bzw. mit der Plattform verbunden sind.mechanisms with parallel kinematic structure are increasingly used in the Machine tool construction, in robotics and handling technology and in motion tasks in medical technology. Most of the time is the frame connected to the output platform in such mechanisms with struts, the connection is often done with ball or universal joints. The calculation of many such mechanisms revealed that particular good transmission and motion characteristics can be achieved if multiple struts connected at one point to the frame or to the platform are.

Mit der hier vorgestellten Erfindung wird es möglich, dass mehrere Streben über eine Kugelgelenkverbindung verbunden werden. Es bleibt jede mögliche Drehbewegung jeder Strebe gegenüber jeder anderen Strebe erhalten. Die Drehachsen aller dieser Drehbewegungen schneiden sich in einem Punkt.With The invention presented here makes it possible to have several struts over one Ball joint connection can be connected. There remains every possible rotational movement each strut opposite every other strut received. The axes of rotation of all these rotations intersect at one point.

Stand der TechnikState of technology

Im Patent GB 2289002A werden Kugelgelenkverbindungen vorgestellt bei denen 2 Streben mit dem Gestell in einem Punkt verbunden werden können. Zwei Kugelhälften werden über ein Drehgelenk verbunden, so dass eine Kugelhälfte gegenüber der anderen beliebig verdrehbar ist. An jeder Kugelhälfte ist jeweils eine Strebe fest angeschlossen.In the patent GB 2289002A Ball joints are presented in which 2 struts can be connected to the frame in one point. Two ball halves are connected via a rotary joint, so that one half of the ball can be rotated as desired with respect to the other. At each hemisphere one strut is firmly connected.

In Patent GB 2289001A ist beschrieben, wie die durch die beiden Kugelhälften entstehende Kugel in einer weiteren Kugelschale gelagert werden kann, so dass zwei weitere gemeinsame Drehbewegungen möglich werden. Im Patent wird die Umsetzung der Lagerung der Kugelschalen mit einer Magnetlagerung beschrieben.In patent GB 2289001A It is described how the ball formed by the two halves of the ball can be mounted in a further spherical shell, so that two further common rotational movements are possible. In the patent, the implementation of the storage of the spherical shells is described with a magnetic bearing.

In der Firmenschrift GAP HEX3 GB97 der Firma Geodetic Technology (USA), Inc. Gaskins Centre, 3827 Gaskins Road, Glen Allen, Virginia 23060, USA, werden für die in den beiden oben genannten Patenten beschriebenen Bewegungen unterschiedliche Lagerarten verwendet (Wälzlager und Gleitlager).In the company publication GAP HEX3 GB97 of the company Geodetic Technology (USA), Inc. Gaskins Center, 3827 Gaskins Road, Glen Allen, Virginia 23060 USA, will be for the movements described in the two patents mentioned above different types of bearings used (bearings and plain bearings).

In den Patenten GB 2288998A , GB 2269552A , GB 2329138A und US 5857815A werden Anwendungsfälle für Mechanismen paralleler Struktur beschrieben, bei denen die Anlenkpunkte zweier Streben in einen Punkt zusammen fallen.In the patents GB 2288998A . GB 2269552A . GB 2329138A and US 5857815A describes cases of use for mechanisms of parallel structure in which the points of articulation of two struts coincide in one point.

In Patent DE 10060596B4 wird ein Kugelgelenk zum Zusammenkoppeln von drei oder mehr Verbindungsgliedern an einem Punkt beschrieben.In patent DE 10060596B4 For example, a ball joint for coupling three or more links together at one point will be described.

Eine Mittelkugel, die fest mit einer Strebe verbunden ist, ist drehbeweglich in einer teilbaren Hohlkugel gelagert. Die Hohlkugel hat Einsetzöffnungen, die um 120° versetzt angeordnet sind und in die weitere Streben eingesetzt werden können.A Center ball, which is firmly connected to a strut, is rotatable stored in a divisible hollow ball. The hollow sphere has insertion openings, which is offset by 120 ° are arranged and can be used in the other struts.

Mängel bisheriger LösungenDeficiencies of previous solutions

Bei den bisherigen bekannten Lösungen können nicht mehr als 2 Streben mit dem Gestell (Plattform) in einem Punkt verbunden werden, bzw. die weiteren Streben sind mit Ausnahme der Drehung um die eigene Achse, zueinander nicht verdrehbar.at the previous known solutions can not more than 2 struts connected to the frame (platform) in one point or the other struts are with the exception of the rotation around its own axis, not rotatable with each other.

Weiterhin ist es nicht möglich, mit Ausnahme von Patent DE 10060596B4 , die Streben ohne ein weiteres Drehgelenk um die eigene Achse zu verdrehen.Furthermore, it is not possible, with the exception of patent DE 10060596B4 to twist the struts without another pivot around its own axis.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorstehend aufgezeigten Mängel zu beseitigen.It Object of the invention, the above-indicated shortcomings remove.

Gelöste ProblemstellungSolved problem

Parallelkinematische Strukturen können nur dann leicht und steif und mit einer hohen Dynamik und Genauigkeit gebaut werden, wenn sie einem Fachwerk ähnliche Struktur haben, weil es nur dann möglich ist nur Zug- und Druckbelastungen in der Struktur zu haben. Zur Ausbildung der „Fachwerkknoten" ist es erforderlich, dass sich die Wirkungslinien mehrerer Streben in einem Punkt schneiden. Für räumliche Strukturen müssen 3 Streben mit dem Gestell (Plattform) in einem Punkt verbunden werden, um eine Kraft beliebiger Richtung in nur Zug- und Druckkräfte bei veränderlichen Strebenrichtungen sicher zerlegen zu können.parallel kinematic Structures can only light and stiff and with high dynamics and accuracy be built if they have a framework similar structure, because it only possible is only to have tensile and compressive loads in the structure. to Training of "truss nodes" it is necessary that the lines of action of several struts intersect at one point. For spatial Structures must 3 struts connected to the rack (platform) at a point to a force of any direction in only tensile and compressive forces at variable Safely disassemble struts directions.

Erläuterung der Erfindung und ein Ausführungsbeispielexplanation the invention and an embodiment

Es zeigen:It demonstrate:

Bild 1: Kugelgelenkverbindung (Schnittdarstellung)image 1: ball joint connection (sectional view)

Bild 2: Modifizierte innere Strebe (1) zur Veränderung der Lage des Schwenkbereiches um den Winkel αPicture 2: Modified inner strut ( 1 ) for changing the position of the swivel range by the angle α

Bild 3: Räumliche Darstellung der Kugelgelenkverbindung mit Schwenkwinkelerweiterungimage 3: Spatial Representation of the ball joint connection with swivel angle extension

Bild 4: Räumliche Schnittdarstellung der Kugelgelenkverbindungimage 4: Spatial Sectional view of the ball joint connection

Bild 5: Räumliche Darstellung der Kugelgelenkverbindung ohne Gehäuse (Gestell- oder Plattformanbindung)Figure 5: Spatial representation of the Kugelge Steering connection without housing (rack or platform connection)

Bild 6: Räumliche Schnittdarstellung der Kugelgelenkverbindung ohne Gehäuse (Gestell- oder Plattformanbindung)image 6: Spatial Sectional view of the ball joint connection without housing (frame or platform connection)

Die Kugelgelenkverbindung ermöglicht zwei, drei und mehr Streben in einem Punkt zu verbinden, so dass jede Strebe gegenüber jeder anderen Strebe um alle drei Drehachsen verdrehbar ist. Kinematisch gleichwertig ist diese Verbindung, als ob jede Strebe mit jeder anderen und jede Strebe mit dem Gestell über ein Kugelgelenk verbunden sind und sich die Drehachse aller möglichen Drehbewegungen in einem Punkt schneiden. Die gegenseitige Bewegung der einzelnen Gelenkelemente wird durch die Oberfläche konzentrischer Kugeln geführt. Die Strebe (1) ist fest mit einer Kugel verbunden, wobei die Strebenachse den Kugelmittelpunkt schneidet. An der Strebe (2) ist die Hälfte einer Hohlkugel befestigt welche mit einer Aussparung versehen ist. Durch diese Aussparung wird die Strebe (1) gesteckt. Von der Größe der Aussparung hängt der Schwenkwinkel ab, der zwischen Strebe (1) und Strebe (2) möglich wird. Eine weitere halbe Hohlkugel (3) ergänzt die erste halbe Hohlkugel zu einer Hohlkugel. Auch der Mittelpunkt der inneren- und äußeren Kugeloberfläche, der Hohlkugel (2, 3) und die Strebenachse der Strebe (2) schneiden sich in einem Punkt. Die innere Oberfläche der Hohlkugel die mit Strebe (2) verbunden ist und die Oberfläche der Kugel die mit Strebe (1) verbunden ist, gleiten aufeinander. Es sind auch Lagerungen zwischen beiden Kugeloberflächen vorstellbar (z.B. Wälzlagerung). Durch die Durchmesserdifferenz der beiden Kugeloberflächen wird die Genauigkeit und das Spiel der Gelenkverbindungen bestimmt.The ball joint allows two, three or more struts to be connected at one point, such that each strut is rotatable about all three axes of rotation with respect to each other strut. Kinematically equivalent is this connection, as if each strut with each other and each strut are connected to the frame via a ball joint and the axis of rotation of all possible rotations intersect at one point. The mutual movement of the individual joint elements is guided by the surface of concentric balls. The strut ( 1 ) is fixedly connected to a ball, wherein the strut axis intersects the ball center. At the strut ( 2 ) is half of a hollow ball attached which is provided with a recess. Through this recess, the strut ( 1 ). From the size of the recess depends on the pivoting angle, which between strut ( 1 ) and strut ( 2 ) becomes possible. Another half hollow sphere ( 3 ) adds the first half hollow sphere to a hollow sphere. Also, the center of the inner and outer spherical surface, the hollow sphere ( 2 . 3 ) and the strut axis of the strut ( 2 ) intersect at one point. The inner surface of the hollow sphere with the strut ( 2 ) and the surface of the ball with the strut ( 1 ) glide together. It is also conceivable bearings between two spherical surfaces (eg rolling bearings). The difference in diameter of the two spherical surfaces determines the accuracy and the play of the joints.

Mit diesen beiden Streben können weitere in gleicher Art und Weise verbunden werden, wobei dann die bisherige Strebe (2) die Funktion der Strebe (1) und die neue Strebe (4) die Funktion der Strebe (2) übernimmt. In Analogie sind weitere Streben anbindbar. Auf Bild 1 ist die Verbindung von 3 Streben und einer Gestell(Plattform)anbindung (6, 7) dargestellt. Bei der Ausführung gemäß Bild 1 ist eine Rotation der Strebe (1) um beliebige Winkel möglich. Um alle anderen Drehachsen sind Schwenkbewegungen um 60° bis max. 70° sinnvoll konstruktiv umsetzbar.With these two struts more can be connected in the same way, in which case the previous strut ( 2 ) the function of the strut ( 1 ) and the new strut ( 4 ) the function of the strut ( 2 ) takes over. By analogy, further strivings are attachable. On picture 1 is the connection of 3 struts and a rack (platform) connection ( 6 . 7 ). In the embodiment according to Figure 1 is a rotation of the strut ( 1 ) possible at any angle. To all other axes of rotation are pivoting movements by 60 ° to max. 70 ° meaningful constructive feasible.

Die Mittelstellung dieser ± 30°–± 35° Schwenkbewegungen ist konstruktiv um den beliebig wählbaren Winkel α verlagerbar, siehe Bild 3.The Center position of these ± 30 ° - ± 35 ° pivoting movements is structurally displaceable around the arbitrarily selectable angle α, see picture 3.

Bei einer Ausführung gemäß Bild 2 erhöht sich ein Schwenkwinkel jeder Strebe von ca. ± 30°–± 35° auf bis zu ± 180°.at an execution according to picture 2 increases a tilt angle of each strut from approx. ± 30 ° - ± 35 ° up to ± 180 °.

Die Konstruktion auf Bild 2 ist im Vergleich zu der auf Bild 1 nicht so steif ausführbar. Bei der Montage ist es möglich aber nicht erforderlich jeweils zusammengehörigen Hohlkugelhälften miteinander zu verbinden (Schraubverbindung, Stiftverbindung o.ä.). Konstruktiv einfach ist die Umsetzung der Kugelgelenkverbindung über Gleitverbindungen, wobei je nach Anwendungsfall und Belastung unterschiedliche Gleitlagerwerkstoffe und Schmierungsarten in Frage kommen.The Construction on picture 2 is not in comparison to picture 1 so stiff executable. It is possible during assembly but not required in each case associated hollow ball halves with each other to connect (screw, pin connection or similar). constructive simple is the implementation of the ball joint connection via sliding joints, depending on the application and load different sliding bearing materials and lubrication types come into question.

Vorteile und AnwendernutzenAdvantages and user benefits

Mit Hilfe der Kugelgelenkverbindung wird es möglich eine Vielzahl von räumlichen parallelkinematischen Mechanismen so zu konstruieren, dass nur Zug- und Druckbelastungen auftreten. Weiterhin wird es möglich den singularitätsfreien Arbeitsraum dieser Mechanismen zu vergrößern.With Help of the ball joint connection it becomes possible a multiplicity of spatial to construct parallel kinematic mechanisms in such a way that only and pressure loads occur. Furthermore, it will be possible the singularity free To increase the working space of these mechanisms.

Claims

Kugelgelenkverbindung, insbesondere für parallelkinematische Werkzeugmaschinen, für Mechanismen in der Handhabungs- und Robotertechnik und Mechanismen in der Medizintechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkte der Achsen (9, 10, 11) der Streben (1, 2, 4) mehrerer Kugelgelenke in einem Punkt (8) zusammen fallen, und die gegenseitige Bewegung der einzelnen Gelenkelemente durch die Oberflächen konzentrischer Kugeln, nämlich einer Vollkugel (12) und Hohlkugeln (3, 5) geführt wird, wobei sich die Streben (1, 2) durch Aussparungen (14, 15) der Hohlkugeln (3, 5) erstrecken.Ball joint, in particular for parallel kinematic machine tools, for mechanisms in handling and robot technology and mechanisms in medical technology, characterized in that the intersections of the axes ( 9 . 10 . 11 ) of aspiration ( 1 . 2 . 4 ) of several ball joints in one point ( 8th ) and the mutual movement of the individual joint elements through the surfaces of concentric spheres, namely a solid sphere ( 12 ) and hollow spheres ( 3 . 5 ), whereby the struts ( 1 . 2 ) through recesses ( 14 . 15 ) of the hollow spheres ( 3 . 5 ).

Kugelgelenkverbindung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der mögliche Schwenkbereich um eine Nullstellung (13) erfolgt, die eine beliebige Orientierung im Raum hat.Ball joint according to claim 1, characterized in that the possible pivoting range about a zero position ( 13 ), which has any orientation in space.

Kugelgelenkverbindung nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Bewegung der einzelnen Gelenkelemente durch beliebige Führungen (z.B. Gleitführung, Wälzführung) erfolgen kann.Ball joint connection according to claim 1 or 2 characterized in that the mutual movement of the individual Articulated elements through any guides (e.g., sliding guide, Rolling guide) can.