CZ309208B6

CZ309208B6 - Magnetický sférický kloub

Info

Publication number: CZ309208B6
Application number: CZ2008564A
Authority: CZ
Inventors: Michael VALÁŠEK; Michael prof. Ing. Valášek; František Petrů; František Ing. Petrů; Josef Zicha; Josef doc. Ing. Zicha
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2022-05-25
Also published as: CZ2008564A3

Abstract

Vynález se týká magnetického sférického kloubu, tvořeného kulovým kloubem, jehož koule je uložena v misce obepínající kouli v úhlu menším než 180° a opatřeného magnetem na držáku misky. Koule (1) kulového kloubu je z feromagnetického materiálu a miska se skládá alespoň z jednoho sférického segmentu (2), na jehož držáku (4) je uspořádán elektromagnet (3). Sférický segment (2) je dělený na magneticky oddělené výseče (9), přičemž alespoň jedna výseč (9) je magneticky spojena s prvním pólem (11) elektromagnetu (3) a alespoň jedna výseč (9) je spojena s opačným pólem (12) elektromagnetu (3). Sférický segment (2) je opatřen alespoň jedním rozváděcím kanálkem (8) pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje (7).

Description

Magnetický sférický kloub

Oblast techniky

Vynález se týká magnetického sférického kloubu tvořeného kulovým kloubem, jehož koule je uložena v misce obepínající kouli v úhlu menším než 180° a opatřený magnetem na držáku misky.

Dosavadní stav techniky

Sférický kloub je důležitou komponentou mechanismů, zvláště robotů, manipulátorů a obráběcích strojů. Sférické klouby jsou realizovány buď rozkladem na dílčí rotační pohyby, které jsou vytvořeny dílčími rotačními osami, nebo kulovým kloubem, kdy koule se pohybuje v misce, ke které je nějakou silou potlačována.

Nej známější realizace sférického kloubu pomocí rozkladu na dílčí rotační pohyby je Kardanův kloub. Nej známější realizace sférického kloubu pomocí kulového kloubu je řešení, kdy miska obepíná kouli v úhlu větším než 180°, a tak zajišťuje mechanickou silovou reakci ve všech směrech. Nevýhoda Kardanova kloubu a podobných řešení pomocí rotačních os je větší složitost zařízení, někdy omezený rozsah pohybu případně odpor proti pohybu. Nevýhoda kulového kloubu s miskou zajišťující mechanickou silovou reakci je omezený rozsah pohybu.

Byly proto vytvořeny kulové klouby s miskou, která obepíná kouli v úhlu menším než 180° a potřebná mechanická silová reakce v případě tahu v kulovém kloubu je zajištěna magnetickou silou. Potřebná magnetická sílaje realizována buď kombinací - permanentní magnety ve statoru (misce) a feromagnetický materiál v rotoru (kouli) kulového kloubu (např. ballbar firmy Renishaw) -, nebo kombinací - permanentní magnety v rotoru a elektromagnety ve statoru (např. sférické motory -, kde hlavním cílem elektromagnetu je vyvinout víceosý kroutící moment).

Nevýhoda použití kombinace - permanentní magnety ve statoru (misce) a feromagnetický materiál v rotoru (kouli) kulového kloubu - je menší přitažlivá síla mezi koulí a miskou uváděná jako únosnost kloubu a odpor proti pohybu. Nevýhoda použití kombinace - permanentní magnety v rotoru a elektromagnety ve statoru - je menší výsledná tuhost a únosnost kloubu daná jednak tím, že například je permanentní magnet v rotoru obalen teflonem pro snížení odporu proti pohybu v kloubu, a jednak tím, že elektromagnetické pole se musí přizpůsobit magnetickému poli rotoru při jeho pohybu a nemůže pouze maximalizovat magnetický tok. Pokud by elektromagnetické pole bylo maximální, pak by byl permanentní magnet v kouli po pootočení odpuzován a kloub by nebyl funkční.

Další nevýhodou kloubů, které mají mechanický kontakt, je třecí síla mezi koulí a miskou. Proto bylo vyvinuto magnetické ložisko pro rotační kloub, kde hřídel je udržován uprostřed vedení dvojicemi elektromagnetů, které působí na hřídel protiběžnými silami. To však není možné u sférického kloubu, kde není kam umístit protipolné elektromagnety.

Pro snížení třecích sil v mechanickém kontaktu kloubů je užíváno vložení jiného materiálu mezi plochy v mechanickém kontaktu. Jsou to například buď mazadla nebo teflon nebo hydraulická tlaková kapalina. Potřebný tlak k oddálení ploch v mechanickém kontaktu vzniká buď relativním pohybem těchto ploch (tzv. hydrodynamické ložisko) nebo z vnějšího zdroje hydraulické tlakové kapaliny (tzv. hydrostatické uložení). Hydrostatická uložení se většinou užívají pro posuvná vedení např. v obráběcích strojích. Byla však také vytvořena hydrostatická sférická vedení pro realizaci uložení astronomických teleskopů (např. firmou Zeiss Jena).

- 1 CZ 309208 B6

Cílem tohoto vynálezu je zařízení pro realizaci sférického kloubu, u kterého by bylo docíleno velkého rozsahu pohybů, větší únosnosti, snížení odporu proti pohybu a řízení přesnosti polohy středu sférického pohybu, resp. řízení velikosti mezery mezi tuhými částmi sférického kloubu, oproti stávajícím realizacím sférického kloubu.

Podstata vynálezu

Podstata magnetického sférického kloubu podle vynálezu spočívá v tom, že koule kulového kloubu je z feromagnetického materiálu a miska se skládá alespoň z jednoho sférického segmentu, na jehož držáku je uspořádán elektromagnet.

Sférický segment je s výhodou dělený na magneticky oddělené výseče, přičemž alespoň jedna výseč je magneticky spojena s jedním pólem elektromagnetu a alespoň jedna výseč je spojena s opačným pólem elektromagnetu, přičemž sférický segment je opatřen alespoň jedním rozváděcím kanálkem pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje tlakové kapaliny.

Elektrické napájení elektromagnetu a zdroj hydraulické tlakové kapaliny jsou s výhodou řízeny podle polohy a zátěže kloubu.

V případě děleného sférického segmentu na jednotlivé výseče je možno opatřit alespoň jeden držák permanentním magnetem. Rovněž zde je výhodné, pokud alespoň jedna výseč je magneticky spojena s prvním pólem magnetu a alespoň jedna výseč je spojena s opačným pólem magnetu a sférický segment je opatřen alespoň jedním rozváděcím kanálkem pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje.

Výhodné je pak provedení, kdy součet ploch výsečí jednoho pólu magnetu roven součtu ploch výsečí opačného pólu magnetu, resp. součet magnetických toků jednoho pólu je roven součtu magnetických toků opačného pólu magnetu.

Zvýšení intenzity homogenního magnetického pole pro řízení přídržné síly ve sférickém kloubu je výhodné docílit, pokud je na držáku koule uspořádán alespoň jeden elektromagnet a/nebo permanentní magnet.

Výhodou tohoto sférického kloubu je docílení velkého rozsahu pohybů při získání jeho větší únosnosti a snížení odporu proti pohybu. Využitím řízení jednotlivých elektromagnetu a řízení tlaku hydraulické tlakové kapaliny v jednotlivých sférických segmentech podle polohy kloubu, jeho zátěže a mezery mezi koulí a sférickým segmentem je možno docílit optimální funkčnost kloubu při jeho různých polohách a různých zátěžích.

Řízením elektromagnetu a tlaku hydraulické kapaliny získáme zvýšení únosnosti sférického kloubu, udržování symetrie a konstantní nebo předepsané velikosti mezery mezi miskou a koulí, a tak udržení nebo změnu přesné polohy kloubu při proměnné zátěži.

Objasnění výkresů

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněno magnetický sférický kloub podle vynálezu, kde:

obr. 1 znázorňuje magnetický sférický kloub s jedním elektromagnetem, sférickým segmentem s obr. 2 znázorňuje magnetický sférický kloub s jedním sférickým segmentem s elektromagnetem a s magneticky oddělenými výsečemi,

-2CZ 309208 B6 obr. 3 znázorňuje magnetický sférický kloub s více sférickými segmenty s elektromagnety a s magneticky oddělenými výsečemi, obr. 4 znázorňuje magnetický sférický kloub podle obr. 1 s vyznačeným hydrostatickým uložením, obr. 5 znázorňuje magnetický sférický kloub podle obr. 2 s vyznačenými hydrostatickými uloženími, obr. 6 znázorňuje magnetický sférický kloub podle obr. 3 s vyznačenými hydrostatickými uloženími, obr. 7 znázorňuje magnetický sférický kloub podle obr. 2 se dvěma elektromagnety, obr. 8 znázorňuje alternativní provedení sférického kloubu podle obr. 2, obr. 9 znázorňuje alternativní provedení sférického kloubu podle obr. 8, obr. 10 znázorňuje schematicky uspořádání výsečí sférického segmentu obr. 11 znázorňuje alternativní provedení magnetického sférického kloubu podle obr. 1, s elektromagnetem na držáku koule, obr. 1, obr. 12 znázorňuje alternativní provedení magnetického sférického kloubu podle, s permanentním magnetem na držáku koule.

Příklady uskutečnění vynálezu

Jak je patrné na obr. 1, sférický kloub je tvořen koulí 1 z feromagnetického materiálu (např. oceli), která se pohybuje sférickým pohybem v misce tvořené sférickým segmentem 2, jehož držák 4 obsahuje elektromagnet 3 napájený řízeným elektrickým napětím. Kromě koule 1 je výhodné vytvoření i sférického segmentu 2 a jeho držáku 4 z feromagnetického materiálu, který se vyznačuje tuhostí a únosností. Pro snížení odporu proti pohybu koule 1 v misce, je v mezeře mezi koulí 1 a miskou s výhodou vložen kluzný materiál (např. mazivo nebo teflon). Síla přidržující kouli 1 a misku je díky elektromagnetu 3 větší než u permanentního magnetu. Dále pak je síla přidržující kouli 1 a misku díky homogennosti magnetického pole vznikající v homogenní kouli 1 z feromagnetického materiálu větší než u sférického motoru, kde magnetické pole kolem permanentního magnetu v kouli (rotoru) je nehomogenní Toto uspořádání sférického kloubu má velký rozsah pohybu, protože miska má menší úhel než 180° a kouleje k misce přidržována značnou silou.

Na uspořádání podle obr. 2 je sférický segment 2 rozdělen do více výsečí 9, čímž se zvýší přídržná síla mezi koulí 1 a miskou. Jednotlivé výseče 9 jsou od sebe odděleny oddělovací vrstvou 10 magnetického pole, přičemž alespoň jedna výseč 9 je magneticky spojena s jedním pólem 11 elektromagnetu 3 a alespoň jedna výseč 9 je spojena s opačným pólem 12 elektromagnetu 3. Rozdělením sférického segmentu 2 do více výsečí 9 a jejich magnetickým oddělením je vytvořen elektromagnetický obvod, který je uzavřen od elektromagnetu 3 přes feromagnetický materiál držáku 4 sférického segmentu 2, feromagnetický materiál koule 1 a druhým držákem 4 zpět do elektromagnetu 3. Na uspořádání podle obr. 1 je magnetický obvod uzavřen vzduchem, podle obr. 2 je uzavřen feromagnetickým držákem 4. Magnetické oddělení může představovat vzduchová mezera nebo jiný materiál slabě vedoucí magnetické pole.

-3 CZ 309208 B6

Magnetické pole elektromagnetu sférického segmentu 2 je s výhodou řízeno podle polohy kloubu, jeho zátěže a mezery mezi koulí 1 a sférickým segmentem 2.

Na uspořádání podle obr. 3 je miska sférického kloubu tvořena více sférickými segmenty 2, které mohou být nedělené nebo tvořeny více výsečemi 9, jak je patrné z tohoto obrázku. Použití více sférických segmentů 2 umožňuje současné variabilní ovládání více samostatných elektromagnetu 3 a tím výrazněji měnit a řídit jejich magnetické pole s ohledem na polohu kloubu, jeho zátěž a s ohledem na velikost mezery mezi koulí 1 a sférickými segmenty 2.

Na uspořádání podle obr. 4 je mezera mezi koulí 1 a miskou sférického kloubu vyplněna tlakovou hydraulickou kapalinou, která je do mezery přiváděna rozváděcími kanálky 8 z řízeného zdroje 7 hydraulické tlakové kapaliny. Tlak hydraulické kapaliny je výhodně řízen podle polohy kloubu, jeho zátěže a mezery mezi koulí 1 a sférickým segmentem 2. Tím je přesněji udržována velikost mezery mezi koulí 1 a miskou a přesnost polohy středu sférického pohybu koule 1.

Na uspořádání podle obr. 5 je tlaková hydraulická kapalina přiváděna rozváděcími kanálky 8 z řízeného zdroje 7 hydraulické tlakové kapaliny do mezery mezi koulí 1 a miskou zvlášť pro jednotlivé výseče 9 sférických segmentů 2. Tak je možné zvýšit přesnost řízení velikosti mezery mezi koulí 1 a miskou.

Na uspořádání podle obr. 6 je miska sférického kloubu tvořena více sférickými segmenty 2 a tlaková hydraulická kapalina je přiváděna rozváděcími kanálky 8 z řízených zdrojů 7 hydraulické tlakové kapaliny do mezery mezi koulí 1 a miskou zvlášť pro jednotlivé sférické segmenty 2. Tak je možné zvýšit přesnost řízení velikosti mezery mezi koulí 1 a miskou. Dále by bylo možné i přivádět hydraulickou kapalinu zvlášť pro jednotlivé výseče 9 u více sférických segmentů 2 jako na obr. 5. To by umožňovalo další zlepšení řízení velikosti mezery mezi koulí 1 a miskou.

Na uspořádání podle obr. 7 je znázorněno alternativní provedení sférického kloubu znázorněného na obr. 2, kde je kromě elektromagnetu 3 na držáku 4 umístěn také elektromagnet 3 na jednom z dalších držáků 4 pro vedení magnetického pole. Tím je dosaženo možnosti zvýšení intenzity elektromagnetického pole v rámci uzavřeného magnetického pole. To především umožňuje zvýšení variability řízení magnetického pole, a tím zvýšení únosnosti kloubu a přesnosti jeho polohy. Takto lze elektromagnety 3 uspořádat na každém držáku 4 sférického segmentu 2, případně všech sférických segmentů.

Na uspořádání podle obr. 8 je znázorněno alternativní provedení sférického kloubu znázorněného na obr. 2, kde je elektromagnet nahrazen permanentním magnetem 6 na jednom držáku 4 výseče 9 sférického segmentu 2 a tok magnetického pole je veden dalšími držáky 4 do dalších výsečí 9.

Na uspořádání podle obr. 9 je znázorněno alternativní provedení sférického kloubu podle obr. 8, kde jsou uspořádány permanentní magnety 6 na každém držáku 4 výsečí 9 sférického segmentu 2 a tok magnetického poleje veden těmito držáky do dalších výsečí.

Na uspořádání podle obr. 10 je znázorněno dělení sférického segmentu 2 na výseče 9, kde je výhodně součet ploch výsečí 9 jednoho pólu 13 magnetu roven součtu ploch výsečí 9 opačného pólu 14 magnetu. Místo o rovnost součtu ploch může jít s výhodou o součet magnetických toků jednoho pólu a opačného pólu magnetu.

Veškeré výše uvedené typy sférických kloubů je možno za účelem hydrostatického uložení koule 1 opatřit rozváděcími kanálky 8 pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje 7.

Na uspořádání podle obr. lije znázorněno uspořádání elektromagnetu 3 také na držáku 15 koule 1. To umožňuje zvýšit a řídit elektromagnetické pole, kterým je koule 1 přitahována k misce sférického kloubu. Pro řízení velikosti mezery mezi koulí a miskou lze dokonce užít odpudivé síly mezi oběma elektromagnety 3 na držáku koule 15 a držáku 4 sférického segmentu 2. Tak

-4CZ 309208 B6 vzniká plná analogie s magnetickým ložiskem rotačního kloubu. Toto řešení lze kombinovat s řešeními na předchozích provedeních. Vždy je dosahováno zvýšení intenzity homogenního magnetického pole pro řízení přídržné síly ve sférickém kloubu.

Na uspořádání podle obr. 12 je znázorněno obdobné provedení sférického kloubu znázorněného na obr. 11, kde je elektromagnet nahrazen permanentním magnetem 6 na držáku 15 koule 1. To umožňuje zvýšit magnetické pole, kterým je koule 1 přitahována k misce sférického kloubu. Opět je dosahováno zvýšení intenzity homogenního magnetického pole pro řízení přídržné síly ve sférickém kloubu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Magnetický sférický kloub tvořený kulovým kloubem, jehož koule je uložena v misce obepínající kouli v úhlu menším než 180° a opatřený magnetem na držáku misky, vyznačený tím, že koule (1) kulového kloubu je z feromagnetického materiálu a miska se skládá alespoň z jednoho sférického segmentu (2) na jehož držáku (4) je uspořádán elektromagnet (3), který se dělí na magneticky oddělené výseče (9), přičemž alespoň jedna výseč (9) je magneticky spojena s prvním pólem (11) elektromagnetu (3) a alespoň jedna výseč (9) je spojena s opačným pólem (12) elektromagnetu (3), a opatřeného alespoň jedním rozváděcím kanálkem (8) pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje (7).
2. Magnetický sférický kloub tvořený kulovým kloubem, jehož koule je uložena v misce obepínající kouli v úhlu menším než 180° a opatřený magnetem na držáku misky, vyznačený tím, že koule (1) kulového kloubu je z feromagnetického materiálu a miska se skládá alespoň z jednoho sférického segmentu (2), který je dělený na magneticky oddělené výseče (9), přičemž alespoň jeden držák (4) výsečí (9) je opatřen permanentním magnetem (6).
3. Magnetický sférický kloub podle nároku 2, vyznačený tím, že alespoň jedna výseč (9) je magneticky spojena s prvním pólem (11) magnetu (6) a alespoň jedna výseč (9) je spojena s opačným pólem (12) magnetu (6).
4. Magnetický sférický kloub podle kteréhokoliv z předešlých nároků, vyznačený tím, že sférický segment (2) je opatřen alespoň jedním rozváděcím kanálkem (8) pro přívod hydraulické tlakové kapaliny od zdroje (7).
5. Magnetický sférický kloub podle kteréhokoliv z předešlých nároků, vyznačený tím, že součet ploch výsečí (9) jednoho pólu (13) magnetuje roven součtu ploch výsečí (9) opačného pólu (14) magnetu.
6. Magnetický sférický kloub podle kteréhokoliv z předešlých nároků, vyznačený tím, že na držáku (15) koule (1) je uspořádán alespoň jeden elektromagnet (3).
7. Magnetický sférický kloub podle teréhokteréhokoliv z předešlých nároků, vyznačený tím, že na držáku (15) koule (1) je uspořádán alespoň jeden permanentní magnet (6).