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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationswinkeldetektionsvorrichtung und ein Rotationswinkeldetektionsverfahren, welche einen Rotationswinkel eines Wellengenerators einer Wellengetriebevorrichtung bzw. mit wellenartiger Bewegung arbeitenden Getriebevorrichtung detektieren können, basierend auf der Ausgabe von Dehnungsdetektionselementen bzw. Verformungsdetektionselementen, welche an der Wellengetriebevorrichtung angebracht sind.
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2. Verwandter Stand der Technik
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Eine Wellengetriebevorrichtung weist üblicherweise ein ringförmiges, starres innen verzahntes Zahnrad, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad, das innerhalb des starren innen verzahnten Zahnrads angeordnet ist, und einen Wellengenerator, der einen ovalen Umriss hat, auf. Das flexible außen verzahnte Zahnrad wird in eine elliptische Form durch den Wellengenerator gebogen und ist mit dem starren innen verzahnten Zahnrad an beiden Enden der Hauptachse der elliptischen Form in Eingriff. Wenn der Wellengenerator durch einen Motor oder dergleichen rotiert wird, bewegen sich die Eingriffspositionen beider Zahnräder in einer Umfangsrichtung, und aufgrund einer Differenz in der Anzahl von Zähnen zwischen diesen Zahnrädern wird eine verlangsamte Rotationsausgabe von einem der Zahnräder erhalten.
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Eine Konstruktion, bei der mehrere Sätze von Dehnungsmessern, insbesondere Dehnungsmessstreifen, an eine Membran des flexiblen außen verzahnten Zahnrads bei Intervallen eines vorbestimmten Winkels rund um eine Zentralachse davon herum angebracht sind, so dass eine Fehlerkomponente aufgrund einer zyklischen Verlagerung des flexiblen außen verzahnten Zahnrads, welche durch den Wellengenerator bewirkt ist, eliminiert wird, ist als ein Drehmomentsensor für eine Wellengetriebevorrichtung bekannt. Basierend auf den Ausgaben dieser Sätze von Dehnungsmessern ist es möglich, Fehlerkomponenten (Variationen in der Rotationsgeschwindigkeit) aufgrund von Versetzung des flexiblen außen verzahnten Zahnrads, die nicht in Bezug zu dem Übertragungsdrehmoment stehen, vollständig zu eliminieren, so dass das Drehmoment präzise detektiert werden kann.
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Hierbei wird das in eine elliptische Form gebogene, flexible, außen verzahnte Zahnrad wiederholt in einer radialen Richtung bei einer Rate von zwei Zyklen pro einzelner Rotation verlagert. Demgemäß ist eine Fehlerkomponente, die sinusförmig in zwei Zyklen pro einzelner Rotation eines Wellengenerators variiert, in einer Ausgabe des Dehnungsmessers enthalten. Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung hat die Verwendung dieser Fehlerkomponente bei der Detektion eines Rotationswinkels des flexiblen Außengetriebes oder des starren Innengetriebes, welches ein Ausgabeelement einer Wellengetriebevorrichtung ist, in
JP H10-19 554 A vorgeschlagen.
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Die Wellengetriebevorrichtung wird typischerweise in Verbindung mit einem AC-Servomotor oder dergleichen verwendet, um einen Antriebsmechanismus in einem industriellen Roboter, einer Präzisionsbearbeitungsausrüstung oder dergleichen zu bilden. In solchen Antriebsmechanismen ist es wesentlich, den Rotationswinkel der Motorwelle zu detektieren, um den Antrieb des Motors zu kontrollieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationswinkeldetektionsvorrichtung und ein Rotationswinkeldetektionsverfahren bereitzustellen, welche einen Rotationswinkel eines Wellengenerators, der mit einer Motorausgabewelle verbunden ist, detektieren kann, basierend auf Ausgaben von Dehnungsdetektionselementen wie Dehnungsmessern, welche an einer Wellengetriebevorrichtung angeordnet sind, und der keinen Winkeldetektor für die Motorwelle benötigt.
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Um die obigen und weitere Aufgaben zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung auf eine Rotationswinkeldetektionsvorrichtung für eine Wellengetriebevorrichtung gerichtet, die ein ringförmiges, starres innen verzahntes Zahnrad, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad und einen Wellengenerator mit einer elliptischen Form, der das flexible außen verzahnte Zahnrad in eine elliptische Form biegt, so dass es teilweise mit dem starren innen verzahnten Zahnrad in Eingriff ist, und Eingriffspositionen der zwei Zahnräder in einer Umfangsrichtung bewegt, aufweist, aufweisend:
ein erstes, ein zweites und ein drittes Dehnungsdetektionselement, die in Intervallen von 120° in einer Umfangsrichtung entweder an dem starren innen verzahnten Zahnrad oder an dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad angeordnet sind;
eine Signalkomponentenextraktionseinheit, welche aus Ausgaben der genannten Dehnungsdetektionselemente Signalkomponenten extrahiert, die als zwei Zyklen einer Sinuswelle pro Rotation des Wellengenerators erscheinen und synchron sind mit einem Rotationswinkel des Wellengenerators;
eine Signalverarbeitungseinheit, die Zwei-Phasen-Sinussignale erzeugt, die 90° außer Phase sind, durch Ausführen einer Koordinatentransformation an den Drei-Phasen-Sinussignalen, die 120° außer Phase sind und aus den Ausgaben der genannten Dehnungsdetektionselemente extrahiert wurden; und eine Winkelberechnungseinheit, die einen Rotationswinkel des Wellengenerators basierend auf den Zwei-Phasen-Sinussignalen berechnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Rotationswinkel des Wellengenerators basierend auf den Ausgaben von Dehnungsdetektionselementen zu detektieren. Es ist daher möglich, den Rotationswinkel einer Motorwelle eines AC-Servomotors oder dergleichen, mit dem der Wellengenerator verbunden ist, zu detektieren. Dies bedeutet, dass ein Winkeldetektor für die Motorwelle nicht an der Motorseite benötigt wird, so dass ein Antriebsmechanismus, der aus einem Motor und einer Wellengetriebevorrichtung zusammengesetzt ist, kleiner und kompakter gemacht werden kann und bei geringen Kosten erreicht werden kann.
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Hierbei kann das flexible außen verzahnte Zahnrad einen zylindrischen Rumpfteil, eine ringförmige Membran, die sich von einem Ende des zylindrischen Rumpfteils auswärts oder einwärts in einer radialen Richtung erstreckt, eine verdickte Nabe, die entweder an einen äußeren Umfangsrand oder einen inneren Umfangsrand der Membran angrenzt, und externe Zähne, welche an einer äußeren Umfangsfläche des anderen Endbereichs des zylindrischen Rumpfteils, an der eine Öffnung ausgebildet ist, ausgebildet sind, aufweisen.
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Das erste, zweite und dritte Dehnungsdetektionselement können auch an dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad angeordnet sein.
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Außerdem kann eine Mehrzahl von Dehnungsmessern als die genannten Dehnungsdetektionselemente verwendet werden.
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Als Nächstes weist ein Antriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung einen Servomotor, eine Wellengetriebevorrichtung und eine oben genannte Rotationswinkeldetektionsvorrichtung für die Wellengetriebevorrichtung auf, wobei eine Motorwelle des Servomotors an einem Wellengenerator der Wellengetriebevorrichtung befestigt ist und ein Rotationswinkel der Motorwelle durch die Rotationswinkeldetektionsvorrichtung detektiert wird.
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Andererseits ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Rotationswinkeldetektionsverfahren vorgesehen zum Detektieren eines Rotationswinkels eines Wellengenerators einer Wellengetriebevorrichtung mit einem ringförmigen, starren innen verzahnten Zahnrad, einem flexiblen außen verzahnten Zahnrad und einem Wellengenerator mit einer elliptischen Form zum Biegen des flexiblen außen verzahnten Zahnrads in eine elliptische Form, so dass es teilweise mit dem starren innen verzahnten Zahnrad in Eingriff ist und Eingriffspositionen der zwei Zahnräder in Umfangsrichtung bewegt, aufweisend die folgenden Schritte:
Anordnen eines ersten, eines zweiten und eines dritten Dehnungsdetektionselements in Intervallen von 120° in der Umfangsrichtung entweder an dem starren innen verzahnten Zahnrad oder dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad;
Extrahieren von Signalkomponenten aus Ausgaben der genannten Dehnungsdetektionselemente, die als zwei Zyklen einer Sinuswelle pro Rotation des Wellengenerators erscheinen und synchron mit einem Rotationswinkel des Wellengenerators sind;
Erzeugen von Zwei-Phasen-Sinussignalen, die 90° außer Phase sind, durch Ausführen einer Koordinatentransformation an den Drei-Phasen-Sinussignalen, die 120° außer Phase sind und aus den Ausgaben der Dehnungsdetektionselemente extrahiert wurden; und
Berechnen eines Rotationswinkels des Wellengenerators basierend auf den Zwei-Phasen-Sinussignalen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Antriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein erklärendes Diagramm, welches Positionen von Drehmomentsensoren zeigt, welche an einem Wellengenerator der Wellengetriebevorrichtung aus 1 angebracht sind;
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3 ist ein Graph, welcher aus den Ausgaben der Drehmomentsensoren extrahierte Drei-Phasen-Sinussignale zeigt;
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4 ist ein Graph, der Zwei-Phasen-Sinussignale zeigt, welche durch Ausführen einer Koordinatentransformation an Drei-Phasen-Sinussignalen erhalten wurde; und
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5A bis 5C sind Graphen, welche Beispiele von Drei-Phasen-Sinussignalen, Zwei-Phasen-Sinussignalen und Berechnungsergebnissen für einen Winkelausgabewert, der aus Ausgaben aufgefunden ist, welche von Drehmomentsensoren der Wellengetriebevorrichtung aus 1 erhalten wurden, zeigen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Beispiel eines Antriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein erklärendes Diagramm, welches den Antriebsmechanismus zeigt. Der Antriebsmechanismus 1 ist ein Beispiel, bei dem ein Drehmomentsensor und ein Winkeldetektor integral ausgeführt sind.
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Der Antriebsmechanismus 1 weist einen AC-Servomotor 2, eine als eine Untersetzungsvorrichtung dienende Wellengetriebevorrichtung 3 und eine Antriebssteuerschaltung 4 auf. Die Antriebssteuerschaltung 4 empfängt Übertragungsdrehmomentinformation für die Wellengetriebevorrichtung 3 und Rotationswinkelinformation für einen Wellengenerator daran von einer Signalverarbeitungsschaltung 7, die ein Drehmomentdetektionsteil 5 und ein Rotationswinkeldetektionsteil 6 aufweist. Detektionssignale von drei Sätzen von Drehmomentsensoren 11 bis 13 werden in das Drehmomentdetektionsteil 5 und das Rotationswinkeldetektionsteil 6 eingegeben. Eine Drehmomentdetektionsvorrichtung ist durch diese Drehmomentsensoren 11 bis 13 und das Drehmomentdetektionsteil 5 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform bilden die Drehmomentsensoren 11 bis 13 und das Rotationswinkeldetektionsteil 6 auch eine Rotationswinkeldetektionsvorrichtung.
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Die Wellengetriebevorrichtung 3 hat ein ringförmiges, starres innen verzahntes Zahnrad 21, ein becherförmiges, flexibles außen verzahntes Zahnrad 22 und einen Wellengenerator 23 mit einer elliptischen Form. Der Wellengenerator 23 ist in das flexible außen verzahnte Zahnrad 22 eingepasst, um es in eine elliptische Form zu biegen. Als Ergebnis greift das flexible außen verzahnte Zahnrad 22 in das starre innen verzahnte Zahnrad 21 an beiden Enden der Hauptachse der Ellipse ein. Der Wellengenerator 23 ist an einer Motorwelle 1a des AC-Servomotors 2 befestigt. Wenn der Wellengenerator 23 rotiert, bewegen sich Eingriffspositionen der Zahnräder 21, 22 in einer Umfangsrichtung, und aufgrund der Differenz in der Anzahl der Zähne zwischen diesen Zahnrädern wird eine Relativrotation zwischen ihnen erzeugt. Als ein Beispiel ist das starre innen verzahnte Zahnrad 21 fixiert, und die Relativrotation der Zahnräder wird von dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad 22 als eine Rotationsausgabe reduzierter Drehzahl ausgegeben und an eine Lastseite (nicht gezeigt) übertragen.
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Das flexible außen verzahnte Zahnrad 22 hat einen zylindrischen Rumpfteil 221, eine scheibenförmige Membran 222, welche ein Ende des zylindrischen Rumpfteils 221 schließt, eine verdickte Nabe 223, welche in einem Zentralteil der Membran 222 ausgebildet ist, und externe Zähne 224, welche an einem äußeren Umfangsflächenteil eines Öffnungsbereichs an dem anderen Ende des zylindrischen Rumpfteils 221 ausgebildet sind.
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2 zeigt die Positionen der drei Sätze von Drehmomentsensoren 11 bis 13, welche an der Membran 222 des flexiblen außen verzahnten Zahnrads 22 der Wellengetriebevorrichtung 3 angeklebt sind. Die Drehmomentsensoren 11 bis 13 sind bei Intervallen von 120° um die Vorrichtungsachse 2a angeordnet. Die jeweiligen Drehmomentsensoren 11 bis 13 weisen zwei Dehnungsmesser (11a, 11b), (12a, 12b) und (13a, 13b) auf, welche an die Membran 222 angeklebt sind, wobei jedes Paar von Dehnungsmessern so angebracht ist, dass sich die Dehnungsmesser bei 90° miteinander schneiden. Diese Dehnungsmesser 11a bis 13b sind derart verbunden, dass sie eine Brückenschaltung bilden, deren Ausgaben in das Drehmomentdetektionsteil 5 eingegeben werden, so dass das Übertragungsdrehmoment über die Wellengetriebevorrichtung 3 berechnet wird.
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Andererseits extrahiert das Rotationswinkeldetektionsteil 6 die Fehlerkomponenten (Variationen in der Rotationsgeschwindigkeit), welche als eine Zwei-Zyklen-Sinuwelle pro Rotation des Wellengenerators 23 auftreten, aus den Ausgaben der drei Sätze von Drehmomentsensoren 11 bis 13. Mit anderen Worten extrahiert das Rotationswinkeldetektionsteil 6 eine Signalkomponente in Synchronisation mit dem Rotationswinkel des Wellengenerators 23. Wie in 3 gezeigt, werden die aus den Ausgaben der jeweiligen Drehmomentsensoren 11 bis 13 extrahierten Fehlerkomponenten als die Drei-Phasen-Sinussignale 11S, 12S, 13S, die 120° außer Phase sind, erhalten. Die horizontale Achse des Graphen in 3 zeigt den Rotationswinkel des Wellengenerators 23. Durch Ausführen einer Koordinatentransformation an den Drei-Phasen-Sinussignalen 11S, 12S, 13S erzeugt das Rotationswinkeldetektionsteil 6 als Nächstes Zwei-Phasen-Sinussignale A und B, die 90° außer Phase sind. Diese Zwei-Phasen-Sinussignale A und B sind in 4 gezeigt. Durch Ausführen einer Arctan-Berechnung, basierend auf diesen Zwei-Phasen-Sinussignalen A und B, die 90° außer Phase sind, berechnet das Rotationswinkeldetektionsteil 6 den Rotationswinkel des Wellengenerators 23.
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Das Rotationswinkeldetektionsteil 6 liest nämlich die Spannungsausgaben der Drehmomentsensoren 11 bis 13 (d. h. Spannungswerte der jeweiligen Sinussignale 11S bis 13S in 3) zu einem gegebenen Moment aus, erzeugt zwei Werte (die Werte der jeweiligen Sinussignale A und B in 4) aus diesen drei Werten über eine Koordinatentransformation und führt eine Arctan-Berechnung für diese Werte aus, um den Rotationswinkel des Wellengenerators 23 zu berechnen.
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Auf diese Weise werden in dem Antriebsmechanismus 1 dieser Ausführungsform Fehlerkomponenten, welche in der Ausgabe der Drehmomentsensoren 11 bis 13 der als eine Untersetzungsvorrichtung dienenden Wellengetriebevorrichtung 3 in dem Rotationswinkeldetektionsteil 6 verwendet, um den Rotationswinkel des Wellengenerators 23 zu detektieren. Der Wellengenerator 23 ist an der Motorwelle 1a befestigt, so dass der Rotationswinkel der Motorwelle 1a detektiert werden kann, ohne einen Rotationswinkeldetektor für die Motorwelle 1a separat bereitzustellen.
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5A bis 5C zeigen experimentelle Daten, welche durch Verwendung der wie oben aufgebauten Wellengetriebevorrichtung 3 erhalten wurden. 5A zeigt die Drei-Phasen-Sinussignale 11S bis 13S, welche aus den Ausgaben der jeweiligen Drehmomentsensoren 11 bis 13 extrahiert wurden. Wenn diese Drei-Phasen-Sinussignale 11S bis 13S in einem dreidimensionalen Raum gezeichnet werden, wird ein perfekter Kreis in einer Ebene gezogen, die durch einen Normalenvektor definiert ist, der durch den Ursprung verläuft und die Koordinaten (1, 1, 1) hat. Durch zweifaches Ausführen einer Rotationskoordinatentransformation in einem dreidimensionalen Raum ist es möglich, die Ebene, auf der der Kreis gezogen ist, auf die X-Y-Ebene der räumlichen Koordinaten zu superponieren. Die notwendigen Rotationstransformationen sind eine Rotation von –45° um die Y-Achse und eine Rotation von arcsin (1/√3)° um die X-Achse. Um die berechneten Werte an die tatsächlichen Werte anzupassen, ist auch eine Rotationstransformation um die Z-Achse notwendig zur Ausrichtung mit dem Anfangspunkt für die Datenmessung. 56 zeigt die Zwei-Phasen-Sinussignale A, B, welche durch Koordinatentransformationen der Drei-Phasen-Sinussignale 11S bis 13S erhalten wurden, wobei diese Signale aus einer Rotationskonversion von 24,74° um die Z-Achse resultieren.
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5C ist ein Graph, welcher berechnete Winkelwerte zeigt, welche durch Berechnen eines Arcus tangens aus den Zwei-Phasen-Sinussignalen A und B erhalten wurden.
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Andere Ausführungsformen
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In der obigen Ausführungsform ist das flexible außen verzahnte Zahnrad ein becherförmiges, aber die vorliegende Erfindung kann auch angewendet werden, wenn ein flexibles außen verzahntes Zahnrad einer anderen Form, wie einer Zylinderhutform (silk hat-shape), verwendet wird.
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Die Drehmomentsensoren können an Teilen des flexiblen außen verzahnten Zahnrads abseits von der Membran angeordnet sein. Die Drehmomentsensoren können auch an dem starren innen verzahnten Zahnrad anstatt an dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad angeordnet sein.
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Außerdem ist es möglich, neben Dehnungsmessern vom Kontakttyp Magnetostriktionsdetektionselemente vom Nicht-Kontakttyp als die Drehmomentsensoren zu verwenden.
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Andererseits sind in dem obigen Beispiel die Drehmomentsensoren und der Rotationswinkeldetektor integral zusammengesetzt. Selbst wenn ein Rotationswinkeldetektor separat montiert ist, sind Dehnungsdetektionselemente, wie Dehnungsmesser, an dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad oder dem starren innen verzahnten Zahnrad angeordnet. Es ist z. B. möglich, die Dehnungsdetektionselemente an die Membran des flexiblen außen verzahnten Zahnrads zu kleben. Da in diesem Fall Dehnung und Kompression durch die angebrachten Dehnungsmesser gemessen werden, ist ein Paar von Dehnungsmessern mit einem Messer parallel zu der radialen Richtung der Membran und dem anderen Messer senkrecht zu diesem Messer angebracht.
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Gemäß der Rotationswinkeldetektionsvorrichtung und dem Rotationswinkeldetektionsverfahren für eine Wellengetriebevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Rotationswinkel des Wellengenerators wie oben beschrieben mittels Signalkomponenten detektiert, welche in der Ausgabe der Dehnungsdetektionselemente enthalten sind, welche synchron mit dem Rotationswinkel eines Wellengenerators sind und welche in der Form von zwei Zyklen einer Sinuswelle in einer Rotation des Wellengenerators variieren. Bei einem Antriebsmechanismus, welcher so aufgebaut ist, dass eine Wellengetriebevorrichtung, die diese Rotationswinkeldetektionsvorrichtung aufweist, mit einer Motorwelle verbunden ist, ist es demgemäß möglich, den Rotationswinkel der Motorwelle zu detektieren, ohne einen Rotationswinkeldetektor für die Motorwelle vorzusehen. Es ist daher möglich, einen Antriebsmechanismus zu realisieren, der klein, kompakt und kostengünstig ist.
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Zusammenfassend weist ein Antriebsmechanismus einen Motor und eine Wellengetriebevorrichtung auf. Drei Sätze von Drehmomentsensoren sind bei Intervallen von 120° an einer Membran eines flexiblen außen verzahnten Zahnrads der Wellengetriebevorrichtung angebracht. In dem Rotationswinkeldetektionsteil der Signalverarbeitungsschaltung werden Signalkomponenten, welche in den Ausgaben der Drehmomentsensoren enthalten sind und welche in der Form zweier Zyklen einer Sinuswelle pro Rotation des Wellengenerators variieren und synchron mit einem Rotationswinkel des Wellengenerators sind, extrahiert, und eine Koordinatentransformation wird für die erhaltenen Drei-Phasen-Sinussignale durchgeführt, um Zwei-Phasen-Sinussignale zu berechnen, die 90° außer Phase sind, wobei der Rotationswinkel des Wellengenerators basierend auf diesen Signalen berechnet wird. Es ist ohne separates Bereitstellen eines Rotationswinkeldetektors möglich, den Rotationswinkel des Wellengenerators mittels der Ausgaben der Drehmomentsensoren zu detektieren.
