-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft ein elastisches Verzahnungs-Wellgetriebe, insbesondere
eine Drehmomenterfassungseinrichtung für ein flexibles Verzahnungs-Wellgetriebe,
die ein Drehmoment genau ermitteln kann.
-
Technischer Hintergrund
-
In
einem Antriebsmechanismus zum Antreiben eines zu steuernden Objekts,
beispielsweise eines Roboters oder dergleichen, wird ein Servosystem
eingesetzt, und in diesem Fall ist es wünschenswert, das an das Objekt
gelangende Drehmoment in gesteuerter Weise zu regulieren. Zu diesem
Zweck wird im allgemeinen eine Drehmomenterfassungseinrichtung zwischen
einer Untersetzungseinheit in Form eines Antriebskraft-Übertragungsmechanismus und
einem zu steuernden Objekt eingesetzt, um das Übertragungsdrehmoment nachzuweisen.
Für einen
korrekten Drehmomentnachweis ist es wünschenswert, wenn eine Untersetzungseinheit
mit einem Drehmomenterfassungsmechanismus vorgesehen ist. Bei einem
solchen Drehmomenterfassungsmechanismus kommt bekanntlich ein Verfahren
unter Verwendung einer Dehnungsmeßeinrichtung sowie ein Verfahren
zum Messen der Impedanz eines mit magnetischem Material überzogenen
Drehteils einer Untersetzungseinheit zum Einsatz.
-
Als
Untersetzungseinheit in einem Servosystem ist ein elastisches Verzahnungs-Wellgetriebe
bekannt. Das elastische Wellgetriebe wird in großem Umfang in einem System
eingesetzt, welches eine exakte Antriebssteuerung erfordert, weil
die Vorrichtung jenes Typs eine geringe Anzahl von Bauteilen enthält und ein
starkes Untersetzungsverhältnis
liefern kann. Als Drehmomenterfassungsmechanismus für ein elastisches
Wellgetriebe gibt es einen Mechanismus, bei dem ein Dehnungsmeßstreifen
an einem flexiblen Außenrad
angebracht ist. Außerdem
gibt es einen Mechanismus, bei dem der Außenumfang eines elastischen
Außenrads
mit einem magnetischen Material überzogen
ist, während
gleichzeitig an der der überzogenen
Stelle gegenüberliegenden
Position ein Magnetkopf angeordnet ist.
-
Der
Artikel „Robot
Motion Control based on Joint Torque Sensing” von M. Hashimoto in „Proceedings
IEEE International Conference of Robotics and Automation”, Scotsdale,
AZ, 1989, S. 256–261
beschreibt ein auf Drehmomentrückkopplung
basierendes Steuerverfahren für
die Bewegungssteuerung eines Roboters. Dabei wird das Drehmoment
eines elliptischen Wellgenerators durch Drehmomentsensoren, die
um 90° versetzt
auf der Membran des Wellgenerators angebracht sind, gemessen. Die
Ergebnisse der Messungen werden addiert, so dass sich eine von der
Rotation des Wellgenerators verursachter Modulation aufhebt.
-
DE 37 04 049 C2 zeigt
eine Vorrichtung zum Messen eines auf eine wenigstens in einem Oberflächenbereich
aus einem magnetischen Werkstoff gefertigte Welle ausgeübten Drehmoments
mit einer zunächst
der Welle angeordnete Erregerspule zum Erzeugen eines Magnetkreises,
in welchem der Magnetfluss durch einen ausgewählten Abschnitt der Welle verläuft, mit
einer Spüreinrichtung
zum Erfassen einer durch ein auf die Welle ausgeübtes Drehmoment hervorgerufenen
magnetostriktiven Änderung
in dem gewählten
Abschnitt der Welle, und mit einstückig mit der Welle ausgebildeten
Einrichtungen zur Ausrichtung des Magnetflusses durch Unterteilung
der Oberfläche
der Welle in eine Reihe von länglichen
und zueinander parallelen Bereichen, welche in bezug auf die Oberfläche der
Welle in unterschiedlicher Höhe
in einem vorbestimmten Winkel zur Längsachse der Welle verlaufen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfinder haben bestätigt,
daß sich
die magnetische Impedanz abhängig
von der Innenspannung ändert,
wenn das Drehmoment auf ein elastisches Außenrad gelangt, bei dem es
sich um eine Komponente eines elastischen Wellgetriebes handelt.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Drehmomenterfassungseinrichtung
für ein elastisches
Wellgetriebe mit einem vom Stand der Technik abweichenden Aufbau,
die mit Genauigkeit ein Drehmoment nachweisen kann, indem von einer Änderung
der magnetischen Impedanz Gebrauch gemacht wird, die in einem elastischen
Außenrad entsteht.
-
Die
Erfinder haben eine Änderung
der magnetischen Impedanz eines elastischen Außenrads untersucht und herausgefunden,
daß es
eine Stelle gibt, an der die positive Änderungsgeschwindigkeit der
magnetischen Impedanz in eine negative umschlägt, und umgekehrt, wobei dies
eine dem elastischen Außenrad
innewohnende Eigenschaft ist. Die vorliegende Erfindung basiert
auf dieser Feststellung.
-
Erfindungsgemäß ist in
einem elastischen Verzahnungs-Wellgetriebe, welches ein kreisförmiges starres
Innenrad, ein kreisförmiges
elastisches Außenrad,
welches im Inneren des starren Innenrads angeordnet ist und eine
Außenverzahnung
besitzt, die mit einer Innenverzahnung des starren Innenrads kämmt, und
einen Wellgenerator zum Verformen des elasti schen Außenrads
in radialer Richtung aufweist, um die Außenverzahnung teilweise mit
der Innenverzahnung in Eingriff zu bringen und die miteinander kämmenden
Stellen der Verzahnung in Umfangsrichtung zu bewegen, so daß eine relative
Drehung zwischen dem starren Innenrad und dem flexiblen Außenrad entsprechend
einer Zähnezahl-Differenz
zwischen Außenverzahnung
und Innenverzahnung entsteht, mit einem ersten und einem zweiten
Nachweiselement für
magnetische Impedanz an einer ersten bzw. einer zweiten Stelle ausgestattet,
so daß Änderungen
der magnetischen Impedanz in Bezug auf ein Übertragungsdrehmoment des elastischen
Außenrads
einander entgegengesetzte Eigenschaften aufweisen, wodurch ein Übertragungsdrehmoment
anhand der erfaßten
Ausgangssignale des ersten und des zweiten magnetischen Impedanzelements
nachgewiesen wird.
-
Als
elastisches Außenrad
sind grundsätzlich ein
topfförmiges
und ein zylinderhut-förmiges
Rad ebenso wie ein kreisförmiges
Rad bekannt. Das topfförmige
elastische Außenrad
besitzt einen rohrförmigen
Körper,
eine kreisförmige
Membran, die einstückig
an einem Ende des Körpers
ausgebildet ist, eine Nabe, die einstückig an der Mitte der Membran
ausgebildet ist, und die Außenverzahnung
am Außenumfang
auf der Seite des offenen Ende des Körpers. In diesem Fall kann
das erste magnetische Impedanzelement an dem Endbereich an der Seite
der Membran des Körpers
angebracht werden, während
das zweite magnetische Impedanzelement an dem Grenzbereich bezüglich der
Nabe der Membran angeordnet werden kann. An diesen Stellen ändert sich die
magnetische Impedanz mit einer Drehmomentänderung linear, und die Geraden
sind gegensinnig geneigt. Bevorzugt kann ein lineares Drehmomentnachweis-Ausgangssignal
erhalten werden, welches durch einen Nullpunkt läuft, wenn eines der Ausgangssignale
von dem ersten und dem zweiten magnetischen Impedanzelement von
dem anderen subtrahiert wird.
-
Ein
zylinderhut-förmiges
elastisches Außenrad
hingegen besitzt einen rohrförmigen
Körper,
eine sich an einem Ende des Körpers
fortsetzende, kreisförmige
Membran, die sich radial von dem Körper nach außen erstreckt,
eine kreisförmige
Nabe, die einstückig
am äußeren Umfangsrand
der Membran ausgebildet ist, und die Außenverzahnung am Außenumfang
des anderen Endes des Körpers.
Auch in diesem Fall kann das erste magnetische Impedanzelement am
Endbereich auf der Seite der Membran des Körpers plaziert werden, während das
zweite magnetische Impedanzelement am Grenzbereich bezüglich der
Nabe der Membran angeordnet werden kann.
-
Die
vorliegende Erfindung läßt sich
in ähnlicher
Weise bei einer flexiblen Untersetzungeinheit vom Kontakttyp einsetzen.
Das heißt:
Bei einer Drehmomenterfassungseinrichtung für eine elastische Untersetzungseinheit
vom Kontakttyp, die ein kreisförmiges
starres Teil, ein kreisförmiges
flexibles Teil, welches im Inneren des kreisförmigen starren Teils angeordnet
ist und einen Außenumfang
aufweist, der in Reibeingriff mit dem Innenumfang des starren Teils treten
kann, und einem Wellgenerator zum Verformen des elastischen Teils
in radialer Richtung, um reibschlüssig in teilweise Berührung mit
dem Innenumfang zu treten und die reibschlüssig in Berührung stehenden Bereiche in
Umfangsrichtung zu bewegen und so eine relative Drehung zwischen
dem starren Teil und dem elastischen Teil entsprechend einer Differenz
im Umfang zwischen Außenumfang
und Innenumfang hervorzurufen, ist das flexible Teil mit einem ersten
und einem zweiten Nachweiselement für magnetische Impedanz an einer
ersten bzw. an einer zweiten Stelle ausgestattet, wo Änderungen
der magnetischen Impedanz bezüglich
des Drehmoments des flexiblen Teils einander entgegengesetzte Eigenschaften
aufweisen, und das Drehmoment anhand des nachgewiesenen Ausgangssignals
des ersten und des zweiten magnetischen Impedanzelements erfaßt wird.
-
Auch
in diesem Fall kann als elastisches Teil ein topfförmiges elastisches
Teil verwendet werden, welches einen rohrförmigen Körper, eine kreisförmige Membran,
die einstückig
an einem Ende des Körpers
angeformt ist, eine einstückig
in der Mitte der Membran ausgebildete Nabe und eine am Außenumfang
an der Seite des offenen Umfang des Körpers ausgebildete Außenumfangs-Reibkontaktfläche aufweist,
wobei das erste magnetische Impedanzelement am Endbereich an der
Seite der Membran des Körpers
angeordnet sein kann, während
das zweite magnetische Impedanzelement am Grenzbereich bezüglich der
Nabe der Membran angeordnet sein kann.
-
Da
als flexibles Teil auch ein zylinderhut-förmiges Teil verwendet werden
kann, welches einen rohrförmigen
Körper,
einen an einem Ende des Körpers
einstückig
angeformte kreisförmige
Membran, die sich in radialer Richtung nach außen erstreckt, eine kreisförmige Nabe,
die einstückig
am äußeren Umfangsrand
der Membran ausgebildet ist, und eine Außenumfangs-Reibkontaktfläche am Außenumfang an
der Seite des anderen Endes des Körpers aufweist, kann das erste
magnetische Impedanzelement an dem Endabschnitt auf der Seite der
Membran des Körpers
angebracht sein, während
das zweite magnetische Impedanzelement am Grenzbereich bezüglich der
Nabe der Membran plaziert sein kann.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine Nachweisposition für
magnetische Impedanz in einem topfförmigen elastischen Wellgetriebe
mit Zahneingriff gemäß der Erfindung.
-
2 ist
ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer Nachweisschaltung für magnetische
Impedanz, die zur Umsetzung der Erfindung in die Praxis eingesetzt
werden kann.
-
3 ist
eine graphische Darstellung, die eine Änderung der nachgewiesenen
Ausgangsspannung entsprechend den Änderungen der magnetischen
Impedanz relativ zu einer Drehmomentänderung zeigt, gemessen am
Ende des Körpers
eines elastischen Außenrades.
-
4 ist
eine graphische Darstellung einer Änderung der nachgewiesenen
Ausgangsspannung entsprechend Änderungen
der mag netischen Impedanz relativ zu einer Drehmomentänderung,
gemessen an dem Grenzbereich zwischen einer Membran und einer Nabe
eines elastischen Außenrads.
-
5(A) zeigt das topfförmige elastische Außenrad, 5(B) ist eine graphische Darstellung der
nachgewiesenen Werte in den Positionen 31a und 4 in 5(A), und 5(C) ist
eine graphische Darstellung einer Kennlinie, erhalten durch Subtraktion
zweier Meßwerte.
-
6 zeigt
ein zylinderhut-förmiges
flexibles Außenrad.
-
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
-
Im
folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigt
ein topfförmiges
elastisches Wellgetriebe mit Zahneingriff gemäß der Erfindung. Das elastische
Wellgetriebe mit Zahneingriff 1 besitzt ein kreisförmiges starres
Innenrad 2, ein topfförmiges elastisches
Außenrad 3,
welches im Inneren des Rads 2 angeordnet ist, und einen
(nicht gezeigten) Wellgenerator mit einem elliptischen Profil, der
in das Rad 3 eingesetzt ist, wobei eine (nicht gezeigte) Drehwelle
mit der Mitte des Wellgenerators gekoppelt ist.
-
Das
elastische Außenrad 3 (vergl. 5)
besitzt einen rohrförmigen
Körper 31,
eine kreisförmige Membran 32,
die integral an einem Ende des Körpers angeformt
ist, eine einstückig
in der Mitte der Membran 32 angeformte Nabe 33 und
eine Außenverzahnung 34,
die am Außenumfang
am offenen Ende des Körpers 31 ausgebildet
ist. Eine Untersetzungs-Ausgangsdrehwelle 5 ist koaxial
mit der Nabe 33 gekoppelt.
-
Wenn
beispielsweise das kreisförmige
starre Innenrad 2 fixiert ist, so wird eine eine hohe Drehzahl aufweisende
Eingangsgröße des Wellgenerators
in starkem Maß reduziert,
entsprechend der Differenz der Zähne zahl
zwischen der (nicht gezeigten) Innenverzahnung auf der Seite des
starren Innenrads 2 und der Außenverzahnung 34 auf
der Seite des elastischen Außenrads 3,
und die untersetzte Drehung wird von der Ausgangswelle 5 abgenommen,
die an das elastische Außenrad 3 gekoppelt
ist. Da das Prinzip des Untersetzungsmechanismus eines elastischen
Wellgetriebes vom Verzahnungstyp bekannt ist, wird hier auf seine
Erläuterung
verzichtet.
-
In
dem so aufgebauten topfförmigen
elastischen Wellgetriebe mit Verzahnung wird ein Drehmoment T folgendermaßen nachgewiesen:
Erstens wird gemäß 1 ein
erstes Nachweiselement L1 für
magnetische Impedanz (Doppelkupferdrahtspulen L11 und L12) am Außenumfang
des Körpers 31 des
elastischen Außenrads 3 angebracht.
Diese Spulen L11 und L12 werden an einem Endabschnitt 31a (erste Stelle)
des Körpers 31 plaziert,
als Fortsetzung der Membran 32. Als zweites Nachweiselement
L2 für magnetische
Impedanz werden an einem Grenzbereich 4 (zweite Stelle)
zwischen der Membran 32 und der Nabe 33 Doppelkupferdrahtspulen
L21 und L22 plaziert.
-
2 zeigt
ein Beispiel für
Drehmomentnachweisschaltungen, die an die magnetischen Impedanzelemente
L1 bzw. L2 angeschlossen sind. Die Änderung der magnetischen Impedanz
in Relation zu einer Drehmomentänderung,
die von jeder der Spulen L11 (L21) und L12 (L22) erfaßt wird,
wird von einer zugehörigen
Nachweisschaltung 10 in Form eines Spannungswerts Vout
ausgegeben.
-
Beispiele
für die
Meßergebnisse,
die mit der Drehmomenterfassungseinrichtung mit dem in 1 und 2 dargestellten
Aufbau erhalten werden, sind in den 3 und 4 dargestellt.
Der Graph in 3 entspricht dem Ausgangssignal
des ersten Nachweiselements für
magnetische Impedanz, L1. Es wurde ein elektrischer Treiberstrom
mit einer Frequenz von 29,6 MHz verwendet, die Spannung betrug 3,60
V. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, erfolgt
die Änderung
der Ausgangsspannung, das heißt
die Änderung
der magnetischen Impedanz, nahezu linear mit positiver Steigung
gegenüber
dem Drehmoment T.
-
Der
Graph in 4 hingegen entspricht der Ausgangsgröße des zweiten
Nachweiselements L2 für
magnetische Impedanz. Hier wurde ein elektrischer Treiberstrom mit
einer Frequenz von 33,5 MHz verwendet, die Spannung betrug 4,00
V. Wie aus der graphischen Darstellung deutlich wird, ändert sich die
Ausgangsspannung nahezu linear mit negativer Steigung in Abhängigkeit
des Drehmoments T.
-
Somit ändert sich
in den Bereichen des elastischen Außenrads 3, in denen
das erste und das zweite magnetische Impedanzelement L1 und L2 angeordnet
sind, die magnetische Impedanz linear und gegensinnig bezüglich der
Drehmomentänderung. Indem
man also eine der von diesen beiden Stellen erhaltenen Ausgangsgrößen von
der anderen subtrahiert, ist es möglich, eine solche Drehmomentnachweisgröße zu erhalten,
die durch den Ursprung verläuft,
wenn das Drehmoment T Null beträgt.
Anhand dieser Drehmomentnachweiseigenschaft ist es nunmehr möglich, das
Drehmoment T des elastischen Wellgetriebes mit Zahneingriff genau
zu messen.
-
Zusammengefaßt: Im Fall
eines topfförmigen elastischen
Außenrades 3,
wie es in 5(A) gezeigt ist, läßt sich
das Änderungsverhalten
der magnetischen Impedanz relativ zu einem Drehmoment, wie es an
dem Endbereich 31a (erste Stelle) des Körpers des Rades nachgewiesen
wird, darstellen als etwa gerade Linie A1 mit positiver Steigung,
wie dies in 5(B) gezeigt ist. In ähnlicher
Weise läßt sich
das Änderungsverhalten
der magnetischen Impedanz relativ zu dem Drehmoment, wie sie am
Grenzbereich 4 (zweite Stelle) zwischen der Membran 32 und
der Nabe 33 nachgewiesen wird, darstellen als etwa gerade
Linie A2 mit negativer Steigung, wie dies in 5(B) dargestellt
ist. Wie in 5(C) dargestellt ist,
ist es zum Beispiel nach der Auffindung der durch den Nullpunkt
gehenden Kennlinie A3 durch Subtrahieren von A2 von A1 mög lich, das
Drehmoment des elastischen Wellgetriebes mit Zahneingriff genau
anhand der Kennlinie A3 zu messen.
-
Der
Grund dafür,
daß die
Nachweisergebnisse mit einander entgegengesetzten Eigenschaften an
den obigen Nachweisstellen 31a und 4 erhalten werden,
kann folgender sein: Im allgemeinen verläuft Restspannung, die bei der
Fertigung eines topfförmigen
elastischen Außenrads
zustande kommt, in Umfangsrichtung des Außenrads, und die Verteilung
der Restspannung in Umfangsrichtung kann an den Nachweisstellen 31a und 4 entgegengesetzt
sein.
-
Wenn
also das Drehmoment in negativer Richtung auf die Restspannung an
den Nachweisstellen addiert wird, nimmt die gesamte Spannung zu,
und die Permeabilität
der Zonen an den Nachweisstellen nimmt ab. Wenn hingegen das Drehmoment
in positiver Richtung auf die Restspannung in entgegengesetzter
Richtung addiert wird, wird die Restspannung versetzt, und die gesamte
Spannung nimmt ab, während
die Permeabilität μ ansteigt.
-
Die
Nachweisstelle 31a ist insgesamt konvex, und als Restspannung
wird Zug erzeugt. Die Nachweisstelle 4 hingegen ist konkav,
und als Restspannung wird Druck erzeugt. Somit wird an diesen Stellen
Restspannung in entgegengesetzten Richtungen in axialer Richtung
des Bauteils erzeugt. Folglich kann auch in Umfangsrichtung Restspannung
in entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden.
-
(Nachweisstellen)
-
Die
Nachweisstellen sind nicht notwendigerweise auf die vorerwähnten Stellen 31a und 4 beschränkt. Wenn
ein Paar von Stellen, an denen eine Änderung der magnetischen Impedanz
mit hoher Linearität
mit entgegengesetzten Eigenschaften wie in dem obigen Beispiel ausgewählt wird,
läßt sich
das Drehmoment in der oben beschriebenen Weise messen.
-
(Nachweisschaltung für magnetische Impedanz)
-
Man
kann eine solche Nachweisschaltung für magnetische Impedanz verwenden,
in der eine Lesespule derart plaziert ist, daß eine Wechselstrombrückenschaltung
am Außenumfang
der Meßstelle des
elastischen Außenrads
gebildet wird, um dadurch magnetische Impedanz zu messen. Stattdessen
kann die Nachweisschaltung auch aus einem MI-(magnetischen Impedanz-)Element
zusammengesetzt sein.
-
(Gestalt des elastischen Außenrads)
-
Bei
dem obigen Beispiel wurde ein topfförmiges elastisches Außenrad verwendet.
Es versteht sich von selbst, daß die
Erfindung auch angewendet werden kann zum Beispiel bei einem zylinderhut-förmigen elastischen
Außenrad,
wie es in 6 gezeigt ist. Ein zylinderhut-förmiges elastisches
Außenrad 20 besitzt
einen rohrförmigen
Körper 21,
eine kreisförmige
Membran 32 an einem Ende des Körpers 21 und in radialer
Richtung nach außen
erstreckt, eine kreisförmige
Nabe 23 neben dem äußeren Umfangsrand der
Nabe 22, und eine Außenverzahnung 24 am
Außenumfang
des anderen Endes des Körpers.
-
Überflüssig zu
sagen, daß die
vorliegende Erfindung auch angewendet werden kann bei einem elastischen
Wellgetriebe mit Verzahnung, welches ein elastisches Außenrad anderer
Gestaltung enthält.
-
(Weitere Ausführungsformen)
-
Gemäß vorliegender
Beschreibung wurde die Erfindung angewendet bei einem elastischen Wellgetriebe
mit Verzahnung. Die Erfindung kann allerdings auch angewendet werden
auf Drehelemente, die sich aus einem Drehkraft-Übertragungsmechanismus zusammensetzen,
der nicht als das oben erläuterte
Getriebe ausgebildet ist. Das heißt, wie im Fall des elastischen
Außenrads
kann die Erfindung auch auf eine Element angewendet werden, welches eine Änderung
der magnetischen Impedanz mit entgegengesetzten Eigenschaften an
zwei Stellen entsprechend einer Drehmomentänderung zeigt.
-
Außerdem wurde
in obigem Beispiel die Erfindung bei einer verzahnten Vorrichtung
angewendet. Stattdessen kann die Erfindung auch bei einer mit Reibschlußübertragung
arbeitenden Untersetzungseinheit angewendet werden, die die Drehzahl nach
Maßgabe
eines Untersetzungsprinzips verringert, welches dem Prinzip bei
dem oben beschriebenen elastischen Wellgetriebe mit Verzahnung ähnelt.
-
Industrielle Anwendbarkeit
-
Wie
oben beschrieben wurde, wurde erfindungsgemäß herausgefunden, daß im Fall
eines elastischen Außenrads
eines Verzahnungs-Wellgetriebes zwei Stellen existieren, an denen Änderungen der
magnetischen Impedanz in Relation zu einer Drehmomentänderung
mit entgegengesetzten Eigenschaften auftreten, wobei auf der Grundlage
dieser Entdeckung ein Drehmoment mit Hilfe der genannten Eigenschaften
nachgewiesen wird. Indem man also einen Aufbau verwendet, der sich
von dem konventionellen Aufbau unterscheidet, ist es möglich, eine
Drehmomenterfassungseinrichtung zu schaffen, die genau arbeitet.