DE102023102666A1

DE102023102666A1 - Drehmomentsensor, der gekoppelte belastungen und weniger dehnungsmessstreifen verwendet

Info

Publication number: DE102023102666A1
Application number: DE102023102666.6A
Authority: DE
Inventors: Travers Thurman; Andrew Glusiec
Original assignee: ATI Industrial Automation Inc
Current assignee: ATI Industrial Automation Inc
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2023-02-03
Publication date: 2023-08-10
Also published as: CN116577000A; JP2023117402A; US20230251151A1; US11892364B2

Abstract

Ein Drehmomentsensor umfasst eine Wandlerplatte mit einem mittleren Bereich und einem Umfang, die durch mehrere Speichen und Instrumentierungsträger verbunden sind. Die Wandlerplatte zeigt eine mechanische Nachgiebigkeit bei axialem Drehmoment, aber Steifigkeit bei außeraxialer Belastung. An den Instrumentierungsträgern angebrachte Dehnungsmessstreifen erfassen die durch axiale Drehmomente verursachten Verformungen. Die Instrumentierungsträger sind in einigen Ausführungsformen asymmetrisch, was es ermöglicht, die Dehnungsmessstreifen in Bereichen mit hoher Empfindlichkeit gegenüber axialen Drehmomenten und geringer Empfindlichkeit gegenüber außeraxialen Belastungen anzuordnen. Die Dehnungsmessstreifenantworten von einigen außeraxialen Belastungen sind so ausgelegt, dass sie mit den Dehnungsmessstreifenantworten von anderen außeraxialen Belastungen gekoppelt sind oder linear von ihnen abhängen. Dies verringert die Anzahl der Dehnungsmessstreifen, die erforderlich sind, um alle Belastungen zumindest teilweise zu bestimmen. Die Speichen und Träger werden kostengünstig durch Entfernen von angrenzendem Wandlerplattenmaterial in einfachen Formen gebildet. Die Dehnungsmessstreifen können auf verschiedene Weise angeschlossen werden, z. B. in Wheatstone-Viertel-, Halb- oder Vollbrückentopologien.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kraft- und Drehmomentsensoren und insbesondere einen Sensor, der für ein Erfassen eines axialen Drehmoments optimiert ist und der gekoppelte Belastungen außerhalb der Achse ausnutzt, um die minimale Anzahl von Dehnungsmessstreifen, die erforderlich ist, um das axiale Drehmoment zu bestimmen, zu reduzieren.
HINTERGRUND
Roboter sind ein unverzichtbarer Bestandteil beim Herstellen, Testen, Montieren und Verpacken von Produkten, bei unterstützenden und ferngesteuerten chirurgischen Eingriffen, bei der Erforschung des Weltraums, beim Einsatz in gefährlichen Umgebungen und bei vielen anderen Anwendungen. Viele Roboter und Roboteranwendungen erfordern eine Quantisierung der aufgewandten oder erfahrenen Kräfte, wie z. B. Materialabtrag (Schleifen, Schmirgeln und ähnliches), Montage von Teilen, ferngesteuertes Graben oder andere Manipulationen der Umgebung und dergleichen.
Ein Industrieroboter umfasst üblicherweise einen Allzweck-Aktuator oder „Arm“, der aus zahlreichen Segmenten besteht, die durch elektromechanische Gelenke verbunden sind, die sich in verschiedenen Achsen und Ebenen bewegen und drehen, wodurch zahlreiche Freiheitsgrade bereitgestellt werden. Ein Roboterarm mit sechs Freiheitsgraden (six degrees of freedom, 6-DOF) wird üblicherweise in der industriellen Fertigung eingesetzt, z. B. bei Arbeiten wie Schweißen, Materialhandhabung, Materialentfernung, Lackieren und dergleichen. Die 6-DOF-Ausführung stellt eine Bewegung in der x-, y- und z-Ebene sowie die Flexibilität, Kraft und Reichweite für viele Aufgaben bereit. Sie kann Roll-, Neigungs- und Gierbewegungen eines Roboterwerkzeugs oder „Endeffektors“ ausführen, das/der mit einem Werkstück interagiert.
In vielen Anwendungen ist es notwendig oder wünschenswert, die Kräfte zwischen einem Endeffektor und einem Werkstück zu überwachen. Zum Beispiel wird der Endeffektor bei „Kraftsteuerungs“-Aufgaben gesteuert, um eine vorbestimmte Kraft (oder eine Kraft innerhalb eines vorbestimmten Bereichs) aufzubringen, was erfordert, dass die Kontaktkraft und/oder das Drehmoment gemessen und an das Robotersteuerungssystem zurückgemeldet werden. Es gibt zwei herkömmliche Ansätze zum Messen von Kräften und Drehmomenten an dem Ende eines 6-DOF-Roboters: Anordnen eines 6-Achsen-Kraft-/Drehmomentsensors zwischen dem Roboter und dem Endeffektor; und Messen von Drehmomenten an jedem der zahlreichen Gelenke des Roboters und Berechnen der resultierenden Kräfte und Drehmomente an dem Ende.
Das US-Patent Nr. 10,422,707 , das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung zugeordnet ist und hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird, beschreibt einen kompakten 6-Achsen-Kraft-/Drehmomentsensor. Der Sensor basiert auf einer herkömmlichen Ausführung, die eine Nabe (die mit dem Werkzeug verbunden ist) umfasst, die mit einem ringförmigen Ring (der mit dem Roboter verbunden ist) mittels mehrerer verformbarer Träger verbunden ist, die Biegeelemente aufweisen, um die Verformung der Träger unter Belastung zu erhöhen. Dehnungsmessstreifen, die an den verformbaren Trägern befestigt sind, messen Zug und Druck in den Flächen der Träger, wenn diese sich unter der angewandten Belastung verformen, und Ausgaben einer Dehnungsmessstreifenschaltung werden dekodiert und über eine Entkopplungsmatrix, die während eines Kalibrierungsverfahrens gebildet wurde, auf sechs Kräfte (Fx, Fy, Fz) und sechs Momente (Tx, Ty, Tz) abgebildet. Im Allgemeinen sind mindestens sechs Dehnungsmessstreifen erforderlich und bei vielen Ausführungen werden viel mehr Dehnungsmessstreifen verwendet (z. B. werden sie an gegenüberliegenden Seiten oder an allen vier Seiten eines jeden verformbaren Trägers angebracht). Wie im Patent '707 beschrieben, können auch ein oder mehrere unbelastete Dehnungsmessstreifen verwendet werden, um einen Ausgangswert für eine Temperaturkompensation bereitzustellen und so die durch die thermische Drift verursachten Fehler zu reduzieren. Aufgrund der großen Anzahl von Dehnungsmessstreifen und anderer elektronischer Instrumentierung sind herkömmliche 6-Achsen-Kraft-/Drehmomentsensoren teuer.
Drehmomente von Robotergelenken können aus Motorströmen geschätzt werden. Diese Ergebnisse neigen jedoch dazu, verrauscht zu sein. Alternativ kann in jedem von mehreren Gelenken ein Gelenkdrehmomentsensor installiert werden. Gelenkdrehmomentsensoren haben tendenziell eine höhere Genauigkeit und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Herkömmliche Gelenkdrehmomentsensoren können dem oben beschriebenen 6-Achsen-Kraft-/Drehmomentsensoraufbau mit Anpassungen der Sensorgeometrie und/oder der Anordnung der Dehnungsmessstreifen aufgrund der Anforderung, dass nur ein Drehmoment (Tz) gemessen werden muss, folgen.
Bekannte Gelenkdrehmomentsensoren weisen zahlreiche Unzulänglichkeiten auf. Sie sind üblicherweise empfindlich gegenüber außeraxialen Belastungen. Das heißt, andere Kräfte und Drehmomente als das gewünschte Tz bewirken eine Trägerverformung und erzeugen eine Dehnungsmessstreifenausgabe, die sich als Fehler in der Messung des axialen Drehmoments Tz manifestieren kann. Bekannte Gelenkdrehmomentsensoren sind auch gegenüber einer Drehmomentwelligkeit empfindlich, die häufig auftritt, wenn Drehmomente in der Nähe von Getrieben mit unter Last verformten Wellen, auch bekannt als harmonische Antriebe, gemessen werden. Die Drehmomentwelligkeit ist eine periodische Schwankung in der Drehmomentmessung, die nur schwer zu kompensieren ist. Selbst nach einem Modifizieren des 6-Achsen-Kraft-/Drehmomentsensordesigns, um nur ein axiales Drehmoment Tz zu messen, sind die Sensoren mit präzise maschinell hergestellten dünnen Elementen (z. B. Biegeelementen) und zahlreichen Dehnungsmessstreifen immer noch teuer in der Herstellung. Da mehrere dieser Sensoren benötigt werden, um einen 6-DOF-Roboterarm zu instrumentieren, ist dieser Ansatz für viele Anwendungen nach wie vor unerschwinglich.
Der „Hintergrund“-Abschnitt dieses Dokuments wird bereitgestellt, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einen technologischen und betrieblichen Kontext zu stellen, um dem Fachmann zu helfen, ihren Umfang und Nutzen zu verstehen. Die in dem „Hintergrund“-Abschnitt beschriebenen Ansätze könnten weiterverfolgt werden, sind aber nicht notwendigerweise Ansätze, die zuvor erdacht oder verfolgt wurden. Sofern nicht ausdrücklich als solche gekennzeichnet, wird keine der hierin enthaltenen Aussagen allein durch ihre Aufnahme in den „Hintergrund“-Abschnitt als Stand der Technik anerkannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Das Nachfolgende stellt eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung dar, um dem Fachmann ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über die Offenbarung und soll nicht dazu dienen, wichtige/kritische Elemente von Ausführungsformen der Erfindung zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck dieser Zusammenfassung ist es, einige hierin offenbarte Konzepte in vereinfachter Form als Auftakt zu der detaillierteren Beschreibung zu präsentieren, die später gegeben wird.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, die hierin beschrieben und beansprucht werden, umfasst ein Drehmomentsensor eine Wandlerplatte, die einen zentralen Bereich und einen Umfang (Peripherie) umfasst, die durch mehrere Speichen und Instrumentierungsträger verbunden sind. Die Speichen und Instrumentierungsträger der Wandlerplatte sind so ausgelegt, dass sie nur dann eine erhebliche mechanische Nachgiebigkeit aufweisen, wenn ein axiales Drehmoment angewandt wird. Eine Ausführungsform verwendet eine Anbringung von Dehnungsmessstreifen auf einer einzelnen Fläche an den Instrumentierungsträgern, um eine durch axiale Drehmomente hervorgerufene Verformung zu erkennen, während andere Ausführungsformen eine seitliche Anbringung von Dehnungsmessstreifen verwenden. Die Speichen und Instrumentierungsträger verbinden den zentralen Bereich und den Umfang direkt, ohne dazwischen liegende Biegeelemente. Die Instrumentierungsträger können asymmetrisch sein, was es ermöglicht, dass Messstreifen in Bereichen mit hoher Empfindlichkeit gegenüber axialen Drehmomenten und geringer Empfindlichkeit gegenüber außeraxialen Belastungen angebracht werden können, ohne die Dehnungsmessstreifen auf eine neutrale Achse zu legen. Die Dehnungsmessstreifenantworten auf einige außeraxiale Belastungen sind so ausgelegt, dass sie mit Dehnungsmessstreifenantworten auf andere außeraxiale Belastungen gekoppelt oder von diesen linear abhängig sind. Dies verringert die Anzahl der Dehnungsmessstreifen, die erforderlich sind, um alle Belastungen zumindest teilweise aufzulösen (zu bestimmen). Die Speichen werden kostengünstig durch Entfernen von angrenzendem Wandlerplattenmaterial in einfachen Formen, wie z. B. Durchgangslöchern und/oder Bogenschlitzen, gebildet. Die Instrumentierungsträger werden in ähnlicher Weise durch Entfernen von Wandlerplattenmaterial in radialen Schlitzen gebildet. Eine gerade Kante eines radialen Schlitzes benachbart zu einer konvexen, bogenförmigen Kante eines Lochs oder eines Bogenschlitzes ergibt eine asymmetrische Trägerform. Die Dehnungsmessstreifen können in einer Vielzahl von Konfigurationen angeschlossen werden, wie z. B. Wheatstone-Viertel-, Halb- oder Vollbrückentopologien.
Eine Ausführungsform betrifft einen Drehmomentsensor, der ausgestaltet ist, um ein axiales Drehmoment zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt zu messen. Der Sensor weist eine im Allgemeinen kreisförmige, im Allgemeinen ebene Wandlerplatte auf, die einen mittleren Bereich mit einer senkrechten Mittelachse z und einen Umfang aufweist. Ein oder mehrere erste Befestigungslöcher befinden sich in der Nähe des mittleren Bereichs und sind ausgestaltet, um an dem ersten Objekt angebracht zu werden. Ein oder mehrere zweite Befestigungslöcher befinden sich in der Nähe des Umfangs und sind ausgestaltet, um an dem zweiten Objekt befestigt zu werden. Mehrere Hohlräume sind durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang ausgebildet, wobei benachbarte Hohlräume Speichen definieren, die den mittleren Bereich und den Umfang verbinden. Ein oder mehrere radiale Schlitze sind durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang ausgebildet, wobei jeder benachbart zu mindestens einem Hohlraum ist. Die Wandlerplatte zwischen einem radialen Schlitz und einem Hohlraum definiert einen Instrumentierungsträger, der den mittleren Bereich und den Umfang verbindet. Ein Dehnungsmessstreifen ist an einem Instrumentierungsträger angebracht. Eine Dehnungsmessstreifenschaltung ist mit dem Dehnungsmessstreifen verbunden und ausgestaltet, um eine Spannung auszugeben, die von einem verformungsabhängigen Widerstand des Dehnungsmessstreifens abhängt.
Eine weitere Ausführungsform betrifft einen Drehmomentsensor. Der Sensor umfasst eine Wandlerplatte, die eine Achse aufweist und ausgestaltet ist, um zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt angebracht zu werden, sowie vier Dehnungsmessstreifen, die an der Wandlerplatte angebracht sind, wobei jeder Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung verbunden ist. Die Konfiguration der Wandlerplatte, die Anordnung der Dehnungsmessstreifen und die Dehnungsmessstreifenschaltungen sind derart, dass Dehnungsmessstreifenantworten für zwei verschiedene Paare von Kraft und Drehmoment jeweils linear abhängig sind, wobei sich die Dehnungsmessstreifenantwort auf die Kraft eines jeweiligen Paares von der Dehnungsmessstreifenantwort auf das Drehmoment dieses Paares um ein Vielfaches unterscheidet, und die vier Dehnungsmessstreifenschaltungsausgaben ein lineares vier mal vier System umfassen, aus dem zumindest ein Drehmoment um die Achse direkt aus den Dehnungsmessstreifenantworten und einer Entkopplungsmatrix bestimmt wird.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors. Es wird eine im Allgemeinen kreisförmige, im Allgemeinen ebene Wandlerplatte, die einen mittleren Bereich mit einer senkrechten Mittelachse z und einen Umfang aufweist, bereitgestellt. Ein oder mehrere erste Befestigungslöcher sind in der Nähe des mittleren Bereichs ausgebildet, wobei die ersten Befestigungslöcher ausgestaltet sind, um an einem ersten Objekt befestigt zu werden. Ein oder mehrere zweite Befestigungslöcher sind in der Nähe des Umfangs ausgebildet, wobei die zweiten Befestigungslöcher ausgestaltet sind, um an einem zweiten Objekt befestigt zu werden. Eine erste Mehrzahl von Hohlräumen ist durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang gebildet, wobei benachbarte Hohlräume Speichen bilden, die den mittleren Bereich und den Umfang verbinden. Ein oder mehrere radiale Schlitze sind durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang ausgebildet, wobei jeder radiale Schlitz zu mindestens einem Hohlraum benachbart ist, wobei die Wandlerplatte zwischen einem radialen Schlitz und einem Hohlraum einen Instrumentierungsträger definiert, der den mittleren Bereich und den Umfang verbindet. Ein Dehnungsmessstreifen ist an einem Instrumentierungsträger befestigt. Der Dehnungsmessstreifen ist mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung verbunden, die eine Spannung in Abhängigkeit von einem verformungsabhängigen Widerstand des Dehnungsmessstreifens ausgibt.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, ausführlicher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht als auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt auszulegen. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung umfassend und vollständig ist und den Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung den vollen Umfang der Erfindung vermittelt. Gleiche Nummern beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.

1 ist eine Draufsicht auf einen Drehmomentsensor gemäß einer Ausführungsform.
2A-2D sind vereinfachte Draufsichten von Drehmomentsensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Instrumentierungsträgers, die eine Zugverformung unter einem axialen Drehmoment Tz zeigt.
4A ist eine Darstellung eines axialen Drehmoments Tz und eine vergrößerte Ansicht von zwei Instrumentierungsträgern, die Zug- und Druckverformungen zeigen.
4B ist eine Darstellung eines Biegemoments Ty und eine vergrößerte Ansicht von zwei Instrumentierungsträgern, die Zug- und Druckverformungen zeigen.
5 ist eine Draufsicht auf einen Drehmomentsensor, die die Anordnung eines Dehnungsmessstreifens auf einer einzelnen Fläche zeigt.
6 ist eine perspektivische Teilansicht eines Drehmomentsensors, die die Anordnung eines Dehnungsmessstreifens auf einer neutralen Achse auf einer Innenfläche eines radialen Schlitzes zeigt.
7 ist eine perspektivische Teilansicht eines Drehmomentsensors, die die Anordnung eines Dehnungsmessstreifens auf einer nicht neutralen Achse auf der Innenfläche eines radialen Schlitzes zeigt.
8A ist ein elektrisches Schaltbild von vier Wheatstone-Viertelbrücken-Schaltungen für Dehnungsmessstreifen.
8B ist ein elektrisches Schaltbild von zwei Wheatstone-Halbbrücken-Schaltungen für Dehnungsmessstreifen.
8C ist ein elektrisches Schaltbild einer Wheatstone-Vollbrückenschaltung für Dehnungsmessstreifen.
9 ist ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Drehmomentsensors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Der Einfachheit halber und für veranschaulichende Zwecke wird die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es wird jedoch für einen Fachmann leicht ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch ohne Beschränkung auf diese speziellen Details ausgeführt werden kann. In dieser Beschreibung werden bekannte Verfahren und Strukturen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders für den Einsatz als Gelenkdrehmomentsensoren von Robotern geeignet sind, werden Fachleute auf dem Gebiet der Technik leicht erkennen, dass die Anwendung weitgehend unabhängig von der Ausführung und Instrumentierung des Gelenkdrehmomentsensors ist. Dementsprechend beziehen sich die hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einen „Drehmomentsensor“, der ausgestaltet ist, um ein axiales Drehmoment Tz zwischen zwei Objekten zu messen. In der Anwendung als Gelenkdrehmomentsensor für Roboter können die mit dem Drehmomentsensor verbundenen Objekte ein erstes Segment eines 6-DOF-Roboterarms (oder ein beliebiges, starr daran befestigtes Objekt) und ein Aktuator, z. B. ein Motor, sein, der ein zweites Segment des Roboterarms relativ zu dem ersten Segment in eine Drehbewegung versetzt.
Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen in Kraft- und Drehmomentsensoren ist allgemein bekannt. Dehnungsmessstreifen, insbesondere Silizium-Dehnungsmessstreifen, weisen aufgrund von Änderungen ihrer Länge einen verformungsabhängigen Widerstand auf, wenn sie an Flächen angebracht sind, die eine Ausdehnung oder Kompression erfahren. Eine Dehnungsmessstreifenschaltung, wie z. B. eine Wheatstone-Brückenschaltung, gibt eine Spannung aus, die verwendet werden kann, um den Widerstand des Dehnungsmessstreifens zu quantifizieren. Der hier verwendete Begriff einer „Dehnungsmessstreifenantwort“ bezieht sich auf die Differenz der Ausgangsspannung einer Dehnungsmessstreifenschaltung zwischen einem unbelasteten Zustand und unter einer angewandten mechanischen Belastung. Wie in der Technik bekannt, kann der Vergleich der Dehnungsmessstreifenantworten mehrerer Dehnungsmessstreifen, die an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Ausrichtungen an einem Sensorkörper angebracht sind, Informationen über die auf den Sensor wirkenden Belastungen liefern. Das mathematische Konstrukt, das für eine solche Unterscheidung verwendet wird, wird hier als Entkopplungsmatrix bezeichnet. Eine Entkopplungsmatrix wird in der Regel während eines Kalibrierungsverfahrens ermittelt.
Ein bekanntes Problem im Stand der Technik bei der Auslegung von Drehmomentsensoren ist ein Entkoppeln der Dehnungsmessstreifenantwort aufgrund eines axialen Drehmoments von der Dehnungsmessstreifenantwort aufgrund anderer Kräfte und Drehmomente, die hier zusammenfassend als „außeraxiale Belastungen“ bezeichnet werden. Eine solches Entkoppeln wurde im Stand der Technik vor allem durch die Anordnung der Messstreifen, die Verwendung von Biegeelementen, das Schaltungsdesign und die Software versucht.
Ein bekannter Ansatz besteht darin, Dehnungsmessstreifen dort anzubringen, wo sie unempfindlich oder zumindest weniger empfindlich gegenüber außeraxialen Belastungen sind. Dies wird im Allgemeinen erreicht, indem die Dehnungsmessstreifen auf der neutralen Achse von verformbaren Trägern angebracht werden. Bei den meisten Drehmomentsensoren nach dem Stand der Technik werden die Dehnungsmessstreifen an den Seiten der verformbaren Träger angebracht, wo die Flächendehnung und -kompression der Träger unter axialen Drehmomentbelastungen am größten ist. Bei Sensoren, die eine Messung auf einer einzelnen Fläche verwenden - wobei sich alle Dehnungsmessstreifen auf derselben Fläche ihrer jeweiligen verformbaren Träger befinden (wie das oben erwähnte Patent '707) - sind die Dehnungsmessstreifen im Allgemeinen empfindlich gegenüber Verformungen von allen auf den Sensor ausgeübten Kräften und Drehmomenten. Die Messung auf einer einzelnen Fläche ist jedoch attraktiv, weil sie die Anzahl der erforderlichen Dehnungsmessstreifen reduzieren kann und die Herstellungskosten drastisch senkt, da eine Anordnung und Anbringung der Dehnungsmessstreifen viel einfacher ist.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Reihenbiegeelementen. Biegeelemente sind Strukturelemente, die viel weniger steif sind als der Rest des Sensors, was eine Nachgiebigkeit in bestimmten Richtungen ermöglicht und so unerwünschte Verformungen an den Messstreifen reduziert. Bei Drehmomentsensoren werden Reihenbiegeelemente üblicherweise zwischen dem verformbaren Träger (der selbst ein verhältnismäßig steifes Biegeelemente ist), der die Dehnungsmessstreifen trägt, und der äußeren Nabe des Sensors angeordnet. Aufgrund der dünnen Breite von Reihenbiegeelemente und der erforderlichen präzisen Bearbeitung sind Sensoren mit Reihenbiegeelemente tendenziell teuer in der Herstellung.
Bei einigen Drehmomentsensoren werden Dehnungsmessstreifen, die unabhängig außeraxiale Belastungen erfassen, durch Kopplung mit anderen Messstreifen in einer Wheatstone-Halb- oder Vollbrücken-Schaltungstopologie aufgehoben oder zumindest abgeschwächt. Schließlich werden bei Dehnungsmessstreifen, die mehrere Kräfte und Drehmomente erfassen, die Auswirkungen von außeraxialen Belastungen abgeschwächt oder beseitigt, indem die Dehnungsmessstreifensignale unter Verwendung einer Entkopplungsmatrix auf Kraft- und Drehmomentmessungen abgebildet werden.
In 1 ist ein Drehmomentsensor 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drehmomentsensor 10 verwendet ein einzigartiges mechanisches Design ohne Reihenbiegeelemente, eine Messung an einer einzelnen Fläche, eine strategische Anordnung der Dehnungsmessstreifen, eine Viertelbrücken-Schaltungstopologie und eine Entkopplungsmatrix, um das axiale Drehmoment Tz zu messen, während die Wirkungen außeraxialer Belastungen abgeschwächt werden. Der Drehmomentsensor 10 besteht aus einer Wandlerplatte 12, die im Allgemeinen kreisförmig und im Allgemeinen eben ist. Aus Gründen der Kompaktheit und Kosteneffizienz wird sie in einer Ausführungsform gefräst oder auf andere Weise als eine einzelne Metallplatte ausgebildet.
Die Wandlerplatte 12 umfasst einen mittleren Bereich 14, der in der dargestellten Ausführungsform ein zentrales Loch umfasst, das den Durchgang von mechanischen, elektrischen, pneumatischen usw. Versorgungseinrichtungen zwischen den Roboterarmsegmenten erlaubt. In anderen Ausführungsformen kann der mittlere Bereich 14 massiv sein oder nur ein einzelnes Montageloch umfassen. Eine zentrale Achse z, die senkrecht zu der Ebene der Wandlerplatte 12 steht, verläuft durch die Mitte. Die Wandlerplatte 12 weist auch einen Umfang 16 auf. Erste Befestigungslöcher 18 sind in oder nahe dem mittleren Bereich 14 ausgebildet und ausgestaltet, um den Drehmomentsensor 10 an einem ersten Objekt zu befestigen. Zweite Befestigungslöcher 20 sind an oder in der Nähe des Umfangs 16 ausgebildet und ausgestaltet, um den Drehmomentsensor 10 an einem zweiten Objekt anzubringen. Der Drehmomentsensor 10 ist optimiert, um ein axiales Drehmoment Tz zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu messen, während die schädlichen Auswirkungen außeraxialer Belastungen minimiert werden.
Mehrere Speichen 22 verbinden den mittleren Bereich 14 mit dem Umfang 16. In der in 1 dargestellten Ausführungsform werden die Speichen 22 durch Bilden von mehreren Hohlräumen 24 gebildet, so dass das Material der Wandlerplatte 12 zwischen benachbarten Hohlräumen 24 Speichen 22 bildet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Hohlräume 24 durch die Wandlerplatte 12 gebohrte Durchgangslöcher, die bei der Herstellung sehr einfach und kostengünstig herzustellen sind, obwohl die Hohlräume 24 im Allgemeinen nicht auf Durchgangslöcher beschränkt sind. In einer Ausführungsform umfasst jede Speiche 22 zwei konkave, bogenförmige Seiten.
Zwei radiale Schlitze 28 sind auch durch die Wandlerplatte 12 zwischen dem mittleren Bereich 14 und dem Umfang 16 ausgebildet. Jeder radiale Schlitz 28 ist benachbart zu einem oder mehreren Hohlräumen 24, so dass das Material der Wandlerplatte 12 zwischen einem radialen Schlitz 28 und dem benachbarten Hohlraum 24 einen Instrumentierungsträger 26 bildet. In der Ausführungsform von 1, in der die Hohlräume 24 Durchgangslöcher sind, umfasst jeder Instrumentierungsträger 26 auf einer Seite eine gerade Kante und auf der anderen Seite eine konkav gebogene Kante - obwohl diese Konfiguration keine Einschränkung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Instrumentierungsträger 26 weisen keine dünnen Merkmale auf, was die Herstellung des Drehmomentsensors 10 vereinfacht und die Kosten reduziert.
Wie in 5 gezeigt, ist an jedem Instrumentierungsträger 26 ein Dehnungsmessstreifen 30 angebracht. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Instrumentierungsträger 26 asymmetrisch, da die radialen Schlitze 28 im Wesentlichen gerade Seiten (in der radialen Richtung) aufweisen und die benachbarten Hohlräume 24 gekrümmte Seiten aufweisen, und die Verformungen aus den angewandten Belastungen sind radial entlang der Instrumentierungsträger 26 konzentriert oder ungleichmäßig. Wie hierin ausführlicher beschrieben, sind die Dehnungsmessstreifen 30 an den Instrumentierungsträgern 26 in Bereichen angebracht, die große Spannungen durch das axiale Drehmoment Tz, aber nur geringe Spannungen durch außeraxiale Drehmomente Tx, Ty erfahren, wodurch die schädlichen Auswirkungen von außeraxialen Belastungen auf die Messung des axialen Drehmoments Tz abgeschwächt werden.
Die Wandlerplatte 12 - mit Speichen 22 und Instrumentierungsträgern 26, die den mittleren Bereich 14 und den Umfang 16 verbinden - weist eine geringe mechanische Nachgiebigkeit oder Verformung unter dem axialen Drehmoment Tz auf. Bei außeraxialen Belastungen zeigt die Wandlerplatte 12 jedoch eine viel höhere relative Steifigkeit. So widersteht die Wandlerplatte 12 Verformungen aus ihrer Ebene heraus (z. B. unter außeraxialen Drehmomenten Tx, Ty) oder Kräften, die versuchen, den mittleren Bereich 14 in beliebiger radialer Richtung auf den Umfang 16 zu oder von ihm weg zu bewegen (z. B. außeraxiale Kräfte Fx, Fy) oder sie in der axialen Richtung (Fz) auseinander zu bewegen.
Wie Fachleute leicht einsehen werden, kann der Drehmomentsensor 10 zusätzliche Merkmale aufweisen. In 1 sind beispielsweise Elektronik-Befestigungslöcher 32 dargestellt, die geschützte Räume für elektronische Komponenten wie Festwiderstände, Analog-Digital-Wandler, Mikroprozessoren, Speicher und dergleichen bereitstellen. Zusätzlich zeigt 1 Positionierungsstiftlöcher 34, die entsprechende Stifte aufnehmen, um eine korrekte Positionierung und Ausrichtung des Drehmomentsensors 10 sicherzustellen, wenn er z.B. in einen Roboterarm eingebaut wird.
Die Bildung von Speichen 22 durch Bohren benachbarter Hohlräume 24 und die Bildung von Instrumentierungsträgern 26 durch Ausbilden radialer Schlitze 28 neben den Hohlräumen 24 führt zu einer kompakten Wandlerplatte 12, die die gewünschte, angestrebte Nachgiebigkeit und Steifigkeit aufweist, wie oben beschrieben, und gleichzeitig einfach und kostengünstig herzustellen ist. Fachleute werden jedoch leicht erkennen, dass die Ausführungsform des Drehmomentsensors 10 nicht auf die in 1 dargestellte Wandlerplatte 12 beschränkt ist.
In den 2A - 2D sind alternative Ausführungen der Wandlerplatten 12 für verschiedene Ausführungsformen von Drehmomentsensoren 10 dargestellt. Der Einfachheit halber zeigen die 2A - 2D nur die Hohlräume 24, die die Speichen 22 bilden, und die radialen Schlitze 28, die die Instrumentierungsträger 26 zusammen mit den benachbarten Hohlräumen 24 definieren. Die Befestigungslöcher 18, 20 und weitere Merkmale sind weggelassen. Die Hohlräume 24 können einfache Durchgangslöcher sein, wie in den 1, 2A, 2C und 2D dargestellt; sie können bogenförmige Schlitze sein, wie in 2B dargestellt; oder sie können jede beliebige andere Form haben. In ähnlicher Weise können die radialen Schlitze 28 rechteckig sein, mit parallelen radialen Seiten, wie in den 1 und 2B dargestellt. Alternativ dazu können die radialen Seiten nicht parallel sein (z. B. an den tatsächlichen Radien ausgerichtet), wie in 2A dargestellt. Man beachte, dass in 2C beide Arten von radialen Schlitzen 28 dargestellt sind. Andere Formen sind innerhalb des breiten Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich. In 2D sind die radialen Schlitze 28 zum Beispiel Durchgangslöcher, und die Instrumentierungsträger 26 weisen auf beiden Seiten konkav gekrümmte Kanten auf.
Die zwischen den Hohlräumen 24 gebildeten Speichen 22 sind unter dem axialen Drehmoment Tz am flexibelsten. Die Speichen 22 erhöhen die Steifigkeit bei außeraxialen Belastungen (d. h. bei Kräften Fx, Fy, Fz und Drehmomenten Tx, Ty). Dies verringert den Einfluss außeraxialer Belastungen auf die Messung des axialen Drehmoments Tz. Die Speichen 22 sind in den 1, 2A, 2C und 2D als aus Hohlräumen 24 in Form von Durchgangslöchern gebildet dargestellt. Dies trägt zur Kostenreduzierung und leichteren Herstellbarkeit bei. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf diese Form beschränkt. Wie in 2B dargestellt, bieten bogenförmige Schlitze zusätzliche Ausführungsflexibilität, ohne die Kosten für die Herstellung wesentlich zu erhöhen. Das Fehlen von dünnen Merkmalen trägt zusätzlich zur Kostensenkung und einfachen Herstellung bei. Obwohl der Drehmomentsensor 10 ohne Speichen 22 funktioniert - d. h. ohne in der Wandlerplatte 12 ausgebildete Hohlräume 24 -, sorgen etwa vier bis zehn Speichen für eine wünschenswerte Empfindlichkeit bei axialem Drehmoment Tz und Steifigkeit bei außeraxialen Belastungen Fx, Fy, Fz, Tx und Ty.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Instrumentierungsträgers 26. Obwohl die hier dargestellten Instrumentierungsträger 26 im Allgemeinen eine gerade Seite (eine Seite eines radialen Schlitzes 28) und eine gebogene Seite (eine Seite eines Durchgangslochhohlraums 24) haben, ist dies keine Beschränkung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Hohlraum 24 und der radiale Schlitz 28 bilden vorzugsweise einen asymmetrischen Instrumentierungsträger 26. Wie in 3 dargestellt, führt die Asymmetrie des Instrumentierungsträgers 26 in der radialen Richtung zu einer Konzentration der Verformung (schattiert dargestellt) für das aufgebrachte axiale Drehmoment Tz. Der Dehnungsmessstreifen 30 ist an dem Instrumentierungsträger 26 an der Stelle der größten Verformung infolge des axialen Drehmoments Tz angebracht.
4A zeigt die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30 und die Verteilung der Verformung an einem Instrumentierungsträger 26, wenn der Drehmomentsensor 10 ein axiales Drehmoment Tz erfährt. Der mit kleinen Punkten schattierte Bereich befindet sich unter Zugspannung, der mit größeren Punkten schattierte Bereich unter Druck - obwohl die Verformungen bei einem axialen Drehmoment in entgegengesetzter Richtung entgegengesetzt wären. Die Dehnungsmessstreifen 30 sind entlang des Instrumentierungsträgers 26 in den Bereichen angebracht, die unter dem axialen Drehmoment Tz eine maximale Verformung erfahren.
Wie in 4B zu sehen ist, ist die Verteilung der Verformung bei einem Biegemoment Ty in der Ebene deutlich anders. Auch hier befindet sich der mit kleinen Punkten schattierte Bereich unter Zugspannung und der mit größeren Punkten schattierte Bereich unter Druck für die bestimmte dargestellte Richtung von Ty. Die Dehnungsmessstreifen 30 sind so angeordnet, dass sie nur wenig von dieser Verformung erfahren und daher eine minimale Ausgabe für diese außeraxiale Belastung erzeugen.
Dementsprechend sind in einigen Ausführungsformen die Dehnungsmessstreifen 30 an dem Instrumentierungsträger 26 an einer Stelle angebracht, die gleichzeitig die Stelle der größten Verformung unter Tz und der geringsten Verformung unter Tx, Ty ist. Dies ist von Bedeutung, da bei einer Anordnung von Messstreifen auf einer einzelnen Fläche alle Dehnungsmessstreifen dazu neigen, auf alle angewandten Belastungen zu antworten. In diesen Ausführungsformen tragen die Gestaltung der Wandlerplatte 12 und die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30 erheblich dazu bei, die nachteiligen Auswirkungen außeraxialer Belastungen beim Messen des axialen Drehmoments Tz zu vermindern. In der dargestellten Ausführung befindet sich die Stelle für die Anbringung der Dehnungsmessstreifen 30 entlang einer geraden Kante des radialen Schlitzes 28, was auch die Herstellung erleichtert, da es eine Referenz für die Ausrichtung der Dehnungsmessstreifen 30 gibt. Das Fehlen von dünnen Reihenbiegeelementen unterstützt zusätzlich eine Herstellbarkeit und Kostenreduzierung.
5 zeigt die Anordnung von vier Dehnungsmessstreifen 30 an dem Drehmomentsensor 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie in den 4A und 4B sind in dieser Ausführungsform die Dehnungsmessstreifen 30-0, 30-1, 30-2 und 30-3 jeweils an der gleichen (oberen) Seite verschiedener Instrumentierungsträger 26 an Stellen, die eine maximale Verformung bei axialem Drehmoment Tz, aber eine minimale Verformung bei Biegemomenten Tx, Ty erfahren, angebracht. Das Anbringen aller vier Dehnungsmessstreifen 30 an der oberen Fläche erleichtert die Herstellung erheblich. Wie hier ausführlicher beschrieben, führt die Gestaltung der Wandlerplatte 12 und die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30, wie in 5 dargestellt, zu einer linearen Abhängigkeit zwischen außeraxialen Belastungen Fx und Ty sowie zwischen Fy und Tx. Dadurch verringert sich die Anzahl der Dehnungsmessstreifen 30, die erforderlich sind, um Fz zu messen, von sechs, wie sie bei einer Befestigung auf einer einzelnen Fläche im Stand der Technik erforderlich sind, auf nur vier. Dies reduziert die Kosten und die Komplexität der Herstellung weiter.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Anbringen von Dehnungsmessstreifen 30 auf einer einzelnen Fläche beschränkt. 6 zeigt Dehnungsmessstreifen 30-0 und 30-3, die an den Seiten der Instrumentierungsträger 26 angebracht sind, die die Innenseiten der radialen Schlitze 28 bilden (entsprechende Dehnungsmessstreifen 30-1 und 30-2 sind ähnlich an den Innenflächen der radialen Schlitze 28 angebracht, die in 6 nicht sichtbar sind). In dieser Ausführungsform ist jeder Dehnungsmessstreifen 30-0, 30-1, 30-2 und 30-3 an einem anderen Instrumentierungsträger 26 angebracht, und er ist entlang der neutralen Achse der Fläche des Instrumentierungsträgers 26 angebracht. Die neutrale Achse eines Instrumentierungsträgers 26 ist die Linie, die keine Verformung erfährt, wenn eine Seite der Fläche unter Zug steht und die andere Seite unter Druck steht. An dieser Stelle antworten die Dehnungsmessstreifen 30 hauptsächlich auf Verformungen, die in Längsrichtung entlang der Fläche des Instrumentierungsträgers 26 ausgerichtet sind. Dementsprechend ist der Drehmomentsensor 10 in dieser Ausführung weniger empfindlich gegenüber außeraxialen Belastungen (d. h. Fz, Tx, Ty) als in der in den 4A, 4B und 5 dargestellten Ausführung. Die Anbringung der Dehnungsmessstreifen 30 an diesen Stellen ist jedoch schwieriger und verursacht daher zusätzliche Herstellungskosten.
In noch einer weiteren Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, sind zwei Dehnungsmessstreifen 30 an einer inneren Fläche von jedem von zwei Instrumentierungsträgern 26 angebracht, die von der neutralen Achse beabstandet sind. Bei dieser Anordnung erzeugen die Dehnungsmessstreifen 30 Ausgaben für angewandte Belastungen, die unterschiedliche Verformungen auf die inneren Flächen der radialen Schlitze 28 einbringen. Ähnlich wie bei der Ausführungsform der 6 ist der Drehmomentsensor 10 weniger empfindlich für außeraxiale Belastungen (d. h. Fz, Tx, Ty) als bei der in den 4A, 4B und 5 dargestellten Ausführung. Das Anbringen der Dehnungsmessstreifen 30 an diesen Stellen ist jedoch auch schwieriger und verursacht daher zusätzliche Kosten bei der Herstellung.
Im Allgemeinen führt auch nur ein Dehnungsmessstreifen 30 zu einem funktionsfähigen Drehmomentsensor 10; es gibt jedoch keinen Weg, die Ausgabe des Dehnungsmessstreifens 30 aufgrund von außeraxialer Belastung zu kompensieren. Im Allgemeinen erhöht das Hinzufügen weiterer Dehnungsmessstreifen 30 die Genauigkeit und Auflösung des Drehmomentsensors 10 und ermöglicht zusammen mit Betrachtungen zur Gestaltung der Wandlerplatte 12 und der Anordnung der Dehnungsmessstreifen, dass außeraxiale Belastungen bei der Messung des axialen Drehmoments Tz eliminiert oder abgeschwächt werden. Zum Beispiel können mehr als vier Dehnungsmessstreifen 30 zu einer erhöhten Empfindlichkeit führen; andererseits verursachen zusätzliche Dehnungsmessstreifen 30 zusätzliche Kosten. Wie in dem oben einbezogenen Patent '707 erörtert, kann ein Dehnungsmessstreifen 30 an einem nicht belasteten Element des Drehmomentsensors 10 angebracht werden, wobei die Ausgabe davon verwendet werden kann, um Schwankungen in der Ausgabe des Dehnungsmessstreifens 30 bei Veränderungen der Temperatur zu kompensieren.
Ein neues Konzept der vorliegenden Erfindung, das nicht auf Drehmomentsensoren und nicht auf eine bestimmte hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, ist ein Antwortkoppeln von Dehnungsmessstreifen 30. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Koppeln“ auf eine Kraft-/Drehmomentsensor-Konstruktion - einschließlich der mechanischen Merkmale des Sensorkörpers, der Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf dem Sensorkörper und der Dehnungsmessstreifenschaltungen, aus denen die Antworten der Messstreifen erhalten werden -, bei der die Dehnungsmessstreifenantwort bei einer Kraft oder einem Drehmoment linear von der Dehnungsmessstreifenantwort bei einem anderen Drehmoment oder einer anderen Kraft abhängig ist. Zwei Dehnungsmessstreifenantworten sind gekoppelt, wenn der Dehnungsmessstreifenantwortvektor von einer ein Vielfaches des Dehnungsmessstreifenantwortvektors der anderen ist. Dehnungsmessstreifenantworten sind linear abhängig, wenn ein Dehnungsmessstreifenantwortvektor ein Vielfaches von einem oder mehrerer verschiedener Dehnungsmessstreifenantwortvektoren ist.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird durch Koppeln der Dehnungsmessstreifenantworten die Anzahl der Dehnungsmessstreifen 30, die erforderlich sind, um das axiale Drehmoment Tz unabhängig zu messen, von der herkömmlichen Anforderung von sechs Dehnungsmessstreifen 30 auf nur vier reduziert, sogar dann, wenn die vier Dehnungsmessstreifen 30 für alle sechs Kräfte und Drehmomente empfindlich sind (wie z. B. bei einer Anordnung auf einer einzelnen Fläche).

Tabelle 1 stellt ein repräsentatives Beispiel für die Ausgaben der Dehnungsmessstreifen 30-0 bis 30-3 bei allen sechs angelegten Kräften und Drehmomenten dar. Ein Messstreifensignal ist die Ausgangsspannung einer Schaltung eines Dehnungsmessstreifens 30. Eine Messstreifenantwort ist die Änderung der Messstreifensignale zwischen einem unbelasteten Zustand und einer Belastung der angegebenen Größe, die in der angegebenen Achse angewandt wird. Tabelle 1: Dehnungsmessstreifenantwort für repräsentative Beispielbelastungen

Angewandte Belastung		Messstreifenantwort (ΔV)
Achse	Größe	30-0	30-1	30-2	30-3
Fx	1 N	1	1	-1	-1
Fy	1 N	1	-1	-1	1
Fz	1 N	1	1	1	1
Tx	1 Nm	5	-5	-5	5
Ty	1 Nm	-3	-3	3	3
Tz	1 Nm	3	-3	3	-3

Zum Beispiel bedeutet der Fx-Messstreifenantwortvektor <1, 1, -1, -1>, dass die Ausgangsspannung der Messstreifenschaltungen für die Dehnungsmessstreifen 30-0 und 30-1 von einem unbelasteten Zustand bis zu einer angewandten Kraft von 1N entlang der x-Achse um ein Volt anstieg und die Ausgangsspannung der Messstreifenschaltungen für die Dehnungsmessstreifen 30-2 und 30-3 bei der gleichen Änderung der Belastung des Sensors 10 (ohne merkliche Änderung der Temperatur) um ein Volt abnahm.
In diesem Beispiel sind die Messstreifenantworten für Fy und Tx gekoppelt oder linear abhängig. Die Messstreifenantwort für Tx ist fünfmal so groß wie die Messstreifenantwort für Fy für jeden Dehnungsmessstreifen 30. Zum Beispiel kann man bei einem Kraftvektor <5, -5, -5, 5> und ohne Information über die angewandte Belastung nicht unterscheiden, ob eine Kraft von 5N in Fy angewandt wurde, oder ein Drehmoment von 1Nm in Tx angewandt wurde. Die Kraft Fy und das Drehmoment Tx sind linear abhängig oder gekoppelt, indem der Messstreifenantwortvektor für den einen ein Vielfaches des Messstreifenantwortvektors für den anderen ist. Es ist zu beachten, dass in diesem repräsentativen Beispiel die Messstreifenantworten für Fx und Ty ebenfalls gekoppelt sind - sie unterscheiden sich um ein Vielfaches von -1.

Da zwei Paare von Kräften und Drehmomenten gekoppelt sind, können sie jeweils kombiniert werden, und die Messstreifenantworten von allen angewandten Belastungen werden als ein lineares vier mal vier System dargestellt - das heißt, vier Kraft-/Drehmomentbelastungen (einzeln oder gekoppelt) ergeben vier eindeutige Dehnungsmessstreifenantwortvektoren. Dieses System kann invertiert werden, um die Dehnungsmessstreifenantwortvektoren auf die Kräfte und Momente abzubilden. Tabelle 2 zeigt die vier eindeutigen Dehnungsmessstreifenantworten und die direkten oder gekoppelten Kräfte und Momente, die zu ihnen führen. Tabelle 2: Dehnungsmessstreifenantwort mit gekoppelten Kraft-/Drehmoment-Paaren

Angewandte Belastung		Messstreifenantwort (ΔV)
Achse	Größe	30-0	30-1	30-2	30-3
Fx, Ty gekoppelt	unbekannt	1	1	-1	-1
Fy, Tx gekoppelt	unbekannt	1	-1	-1	1
Fz	1 N	1	1	1	1
Tz	1 Nm	3	-3	3	-3

Aufgrund der zwei Paare von gekoppelten Kräften/Drehmomenten stellen die Antworten der Dehnungsmessstreifen 30 ein lineares System vollen Ranges dar, in dem vier Antwortvektoren von Dehnungsmessstreifen 30 vier mechanische Belastungen eindeutig identifizieren und zumindest teilweise quantifizieren: Tz, Fz, FyTx-gekoppelt und FxTy-gekoppelt. Bei einem Drehmomentsensor 10 werden die Lösungen für die axiale Kraft und das gekoppelte Kraft/Drehmoment ignoriert und das gewünschte axiale Drehmoment Tz wird direkt durch eine Entkopplungsmatrix bestimmt. In anderen Anwendungen, in denen Informationen über die Belastungen Fz, FyTx-gekoppelt und/oder FxTy-gekoppelt nützlich sein können, können diese ebenfalls direkt durch die Entkopplungsmatrix bestimmt werden - obwohl in dem Fall der gekoppelten Belastungen die potentielle Kraft oder das Drehmoment identifiziert wird, aber die Größe nicht quantifiziert werden kann. In einigen Fällen können Positionsinformationen über die Roboterarmsegmente verwendet werden, um die gekoppelten Belastungen zu entkoppeln, was eine bessere Lösung ermöglicht. Auch ohne solche Positionsinformationen wird die axiale Kraft Fz direkt und vollständig bestimmt, so dass der Drehmomentsensor 10 tatsächlich ein Kraft-/Drehmomentsensor für die axiale (z) Achse ist.
8A zeigt die vier Dehnungsmessstreifen 30-0, 30-1, 30-2 und 30-3 in einer Wheatstone-Viertelbrückenschaltung. Die Dehnungsmessstreifen 30 sind mit einem festen Widerstand zwischen einer Spannungsquelle und Masse in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung der Messstreifenschaltung wird an dem mittleren Knoten abgenommen. Wie oben beschrieben, kann die so gemessene Messstreifenantwort unabhängig Tz, Fz, FyTx-gekoppelt und FxTy-gekoppelt bestimmen. Wie in dem oben angegebenen Patent '707 beschrieben, kann ein unbelasteter Dehnungsmessstreifen als eine Referenz für temperaturbedingte Änderungen der Messstreifenausgabe einbezogen werden. Die gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung mit dem Titel „Quarter-Bridge Hardware Temperature Compensation for Force/Torque Sensor“, die dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Offenbarung zugeordnet ist und hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, beschreibt ein System und ein Verfahren zum Linearisieren des Betriebs von Dehnungsmessstreifen in Viertelbrückenschaltungen durch Hinzufügen und Einstellen der Werte von Abgleichwiderständen über lasterfassende und unbelastete Dehnungsmessstreifen, was eine im Wesentlichen flache Dehnungsmessstreifenantwort über einen vorgegebenen Temperaturbereich bereitstellt. Die Viertelbrückenkonfiguration ermöglicht auch eine Kompensation einer Vorspannung. Wenn zum Beispiel eine außeraxiale Belastung auf den Drehmomentsensor vor dem zu messenden axialen Drehmoment angewandt wird, können Ausgaben der Messstreifen-Viertelbrückenschaltungen sowohl die Vorspannung als auch das axiale Drehmoment auflösen, was die Genauigkeit der letzteren Messung erhöht.
Die Viertelbrückenkonfiguration ist nicht die einzige Schaltungstopologie, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. 8B zeigt die Dehnungsmessstreifen 30-0, 30-1, 30-2 und 30-3 in Wheatstone-Halbbrückenschaltungen. Diese Schaltung ist temperaturstabiler als die Viertelbrückenschaltungen der 8A. Sie kann jedoch nicht gleichzeitig Tz und Fz unabhängig voneinander auflösen und ist empfindlich gegenüber Verstärkungsänderungen, die durch Vorbelasten des Sensors verursacht werden.
8C zeigt die Dehnungsmessstreifen 30-0, 30-1, 30-2 und 30-3 in einer Wheatstone-Vollbrückenschaltung. Diese Schaltung ist ebenfalls temperaturstabiler als die Viertelbrückenschaltungen der 8A. Sie kann jedoch nicht gleichzeitig Tz und Fz unabhängig voneinander auflösen und ist empfindlich gegenüber Verstärkungsänderungen, die durch Vorbelasten des Sensors verursacht werden.
9 zeigt die Schritte eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines Drehmomentsensors 10 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Eine im Allgemeinen kreisförmige, im Allgemeinen ebene Wandlerplatte 12 wird bereitgestellt (Block 102). Die Wandlerplatte 12 hat einen mittleren Bereich 14 mit einer senkrechten Mittelachse z und einen Umfang 16. Ein oder mehrere erste Befestigungslöcher 18 werden in der Nähe des mittleren Bereichs 14 ausgebildet (Block 104). Die ersten Befestigungslöcher 18 sind ausgestaltet, um an einem ersten Objekt (z. B. einem ersten Segment eines Roboterarms) angebracht zu werden. Ein oder mehrere zweite Befestigungslöcher 20 werden in der Nähe des Umfangs 16 ausgebildet (Block 106). Die zweiten Befestigungslöcher sind ausgestaltet, um an einem zweiten Objekt befestigt zu werden (z. B. an einem Motor, der die Bewegung zwischen dem ersten Segment des Roboterarms und einem zweiten Segment des Roboterarms steuert). Mehrere Hohlräume 24 werden durch die Wandlerplatte 12 zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang ausgebildet (Block 108). Benachbarte Hohlräume 24 bilden Speichen 22, die den mittleren Bereich 14 und den Umfang 16 verbinden. Ein oder mehrere radiale Schlitze 28 werden durch die Wandlerplatte 12 zwischen dem mittleren Bereich 14 und dem Umfang 16 ausgebildet (Block 110). Jeder radiale Schlitz 28 liegt benachbart zu mindestens einem Hohlraum 24. Die Wandlerplatte 12 bildet zwischen einem radialen Schlitz 28 und einem Hohlraum 24 einen Instrumentierungsträger 26, der den mittleren Bereich 14 und den Umfang 16 verbindet. Ein Dehnungsmessstreifen 30 wird an einem Instrumentierungsträger 24 angebracht (Block 112). Der Dehnungsmessstreifen 30 wird mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung verbunden, die eine Spannung in Abhängigkeit von einem verformungsabhängigen Widerstand des Dehnungsmessstreifens 30 ausgibt (Block 114).
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Auslegung der Wandlerplatte 12 ermöglicht einen Drehmomentsensor 10, der nachgiebig gegenüber axialem Drehmoment ist, aber eine hohe relative Steifigkeit gegenüber außeraxialen Belastungen aufweist, was den Sensor 10 viel weniger empfindlich gegenüber den schädlichen Auswirkungen außeraxialer Belastungen macht. In einer Ausführungsform sind die Dehnungsmessstreifen 30 nur an der oberen Fläche der Wandlerplatte 12 angebracht, was ihre Herstellung kostengünstiger macht. Die Wandlerplatte 12 verfügt über eine einfache Geometrie und leicht zu formende Hohlräume 24 und axiale Schlitze 28, was ihre Herstellung erleichtert. Die daraus resultierenden Speichen 22 und Instrumentierungsträger 26 enthalten keine komplexen, teuren, dünnen Merkmale. Die Instrumentierungsträger 26 sind asymmetrisch, was Stellen erzeugt, die unempfindlich gegenüber Verformungen durch außeraxiale Belastungen sind, was eine Messung auf der oberen Fläche ermöglicht, die nahezu unempfindlich gegenüber Biegemomenten Tx, Ty ist. Die Wandlerplatte 12 ermöglicht ein großes zentrales Durchgangsloch für die Durchführung von Hilfsmitteln oder mechanischen Kopplungen zwischen den Roboterarmsegmenten. Die Gestaltung der Wandlerplatte 12, die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30 und in einer Ausführungsform die Topologie der Viertelbrückenschaltung erlauben eine direkte Bestimmung von axialem Drehmoment Tz (und, falls gewünscht, Fz, FyTx-gekoppelt und FxTy-gekoppelt) unter Verwendung von nur vier Dehnungsmessstreifen 30.
Im Allgemeinen sind alle hierin verwendeten Begriffe entsprechend ihrer gewöhnlichen Bedeutung auf dem relevanten technischen Gebiet zu interpretieren, es sei denn, eine andere Bedeutung ist deutlich angegeben und/oder ergibt sich implizit aus dem Kontext, in dem sie verwendet wird. Alle Verweise auf ein Element, eine Vorrichtung, eine Komponente, ein Mittel, einen Schritt usw. sind so offen auszulegen, dass sie mindestens eine Instanz des Elements, der Vorrichtung, der Komponente, des Mittels, des Schritts usw. betreffen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Die Schritte jeglicher hier offengelegter Verfahren müssen nicht in der genauen offengelegten Reihenfolge ausgeführt werden, es sei denn, ein Schritt wird ausdrücklich als einem anderen Schritt folgend oder vorangehend beschrieben und/oder es ist implizit klar, dass ein Schritt einem anderen Schritt folgen oder vorangehen muss. Jedes Merkmal von jeder der hier offenbarten Ausführungsformen kann auf jede andere Ausführungsform angewandt werden, wo immer dies geeignet ist. Ebenso kann jeder Vorteil von jeder der Ausführungsformen auf jede andere Ausführungsform angewandt werden und umgekehrt.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „ausgestaltet, um“ eingerichtet, organisiert, angepasst oder angeordnet, um in einer bestimmten Weise zu arbeiten; der Begriff ist synonym mit „ausgelegt, um“. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ nahezu oder hauptsächlich, aber nicht notwendigerweise vollständig; der Begriff umfasst und berücksichtigt mechanische oder Komponentenwerttoleranzen, Messfehler, zufällige Schwankungen und ähnliche Quellen der Ungenauigkeit. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „im Allgemeinen kreisförmig“ auf eine Form mit einem mittleren Bereich und einem Umfang, der ungefähr gleich weit von der Mitte entfernt ist, ist aber nicht notwendigerweise auf einen geometrischen Kreis beschränkt. Zum Beispiel sind ein Sechseck, Achteck und dergleichen Polygone, die „im Allgemeinen kreisförmig“ sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „im Allgemeinen eben“ auf eine Form mit gegenüberliegenden ebenen Flächen, schließt aber nicht-ebene Merkmale, wie einen Rand, eine Lippe, einen Flansch oder ähnliches, nicht aus.
Die vorliegende Erfindung kann natürlich auf andere Weise als die hierin spezifisch dargelegten ausgeführt werden, ohne von den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, und alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, sollen darin eingeschlossen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10422707 [0005]

Claims

Drehmomentsensor, der ausgestaltet ist, um ein axiales Drehmoment zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt zu messen, umfassend: eine im Allgemeinen kreisförmige, im Allgemeinen ebene Wandlerplatte, die einen mittleren Bereich mit einer senkrechten Mittelachse z und einen Umfang aufweist; ein oder mehrere erste Befestigungslöcher, die sich in der Nähe des mittleren Bereichs befinden und ausgestaltet sind, um an dem ersten Objekt befestigt zu werden; ein oder mehrere zweite Befestigungslöcher, die sich in der Nähe des Umfangs befinden und ausgestaltet sind, um an dem zweiten Objekt befestigt zu werden; mehrere Hohlräume durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang, wobei benachbarte Hohlräume Speichen definieren, die den mittleren Bereich und den Umfang verbinden; einen oder mehrere radiale Schlitze durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang, die jeweils benachbart zu mindestens einem Hohlraum sind, wobei die Wandlerplatte zwischen einem radialen Schlitz und einem Hohlraum einen Instrumentierungsträger definiert, der den mittleren Bereich und den Umfang verbindet; einen Dehnungsmessstreifen, der an einem Instrumentierungsträger angebracht ist; und eine Dehnungsmessstreifenschaltung, die mit dem Dehnungsmessstreifen verbunden ist und ausgestaltet ist, um eine Spannung in Abhängigkeit von einem verformungsabhängigen Widerstand des Dehnungsmessstreifens auszugeben.
Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Hohlraum ein Durchgangsloch ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Hohlraum ein Bogenschlitz ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei zwei Seiten von mindestens einem radialen Schlitz in der radialen Richtung parallel sind.
Sensor nach Anspruch 1, wobei zwei Seiten von mindestens einem radialen Schlitz in der radialen Richtung nicht parallel sind.
Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein radialer Schlitz ein Durchgangsloch ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Wandlerplatte bei einem Drehmoment um die Achse Tz eine größere mechanische Nachgiebigkeit zeigt als bei jeder anderen Kraft Fx, Fy, Fz oder jedem anderen Drehmoment Tx, Ty.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor mindestens vier Dehnungsmessstreifen umfasst, die jeweils an einem separaten Instrumentierungsträger befestigt sind.
Sensor nach Anspruch 8, wobei die Dehnungsmessstreifen alle an derselben Seite ihres entsprechenden Instrumentierungsträgers angebracht sind.
Sensor nach Anspruch 8, wobei jeder Dehnungsmessstreifen an einer Seite seines entsprechenden Instrumentierungsträgers angebracht ist, die eine Innenseite eines radialen Schlitzes ist.
Sensor nach Anspruch 10, wobei jeder Dehnungsmessstreifen an einem entsprechenden Instrumentierungsträger entlang einer neutralen Achse der Innenseite eines radialen Schlitzes angebracht ist.
Sensor nach Anspruch 10, wobei jeder Dehnungsmessstreifen an einem entsprechenden Instrumentierungsträger versetzt von einer neutralen Achse der Innenseite eines radialen Schlitzes angebracht ist.
Sensor nach Anspruch 8, wobei erste zwei Kräfte oder Drehmomente so gekoppelt sind, dass eine Dehnungsmessstreifenantwort auf eins von den ersten zwei Kräften oder Drehmomenten ein Vielfaches der Dehnungsmessstreifenantwort auf das andere von den ersten zwei Kräften oder Drehmomenten ist.
Sensor nach Anspruch 13, wobei andere zweite zwei Kräfte oder Drehmomente so gekoppelt sind, dass die Dehnungsmessstreifenantwort auf eins von den zweiten zwei Kräften oder Drehmomenten ein Vielfaches der Dehnungsmessstreifenantwort auf das andere von den zweiten zwei Kräften oder Drehmomenten ist.
Sensor nach Anspruch 14, wobei die vier Dehnungsmessstreifenantworten und einzelne und gekoppelte Belastungen ein vier mal vier lineares System umfassen und wobei ein Drehmoment um die Achse Tz direkt aus den vier Dehnungsmessstreifenantworten und einer Entkopplungsmatrix bestimmt wird.
Sensor nach Anspruch 15, wobei eine Kraft parallel zu der Achse Fz auch direkt aus den vier Dehnungsmessstreifenantworten und der Entkopplungsmatrix bestimmt wird.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Drehmomentsensor ein Robotergelenk-Drehmomentsensor ist, und wobei das erste Objekt ein Aktuator eines Gelenks zwischen zwei Segmenten eines Roboterarms ist und das zweite Objekt fest mit einem der Segmente verbunden ist.
Drehmomentsensor, umfassend: eine Wandlerplatte, die eine Achse aufweist und ausgestaltet ist, um zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt angebracht zu werden; und vier Dehnungsmessstreifen, die an der Wandlerplatte angebracht sind, wobei jeder Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung verbunden ist; wobei die Gestaltung der Wandlerplatte, die Anordnung der Dehnungsmessstreifen und die Dehnungsmessstreifenschaltungen derart sind, dass eine Dehnungsmessstreifenantwort für zwei verschiedene Paare von Kraft und Drehmoment jeweils linear abhängig sind, wobei sich unter der Kraft die Dehnungsmessstreifenantwort des jeweiligen Paares von der Dehnungsmessstreifenantwort dieses Paares unter dem Drehmoment um ein Vielfaches unterscheidet, und wobei die vier Dehnungsmessstreifenantworten ein vier mal vier lineares System umfassen, aus dem zumindest ein Drehmoment um die Achse direkt aus den Dehnungsmessstreifenantworten und einer Entkopplungsmatrix bestimmt wird.
Sensor nach Anspruch 18, wobei eine Dehnungsmessstreifenantwort eine Differenz in einer Ausgangsspannung einer entsprechenden Dehnungsmessstreifenschaltung zwischen einem unbelasteten und einem belasteten Zustand ist.
Sensor nach Anspruch 18, wobei die Wandlerplatte bei axialem Drehmoment Nachgiebigkeit, aber bei außeraxialen Belastungen Steifigkeit zeigt.
Sensor nach Anspruch 18, wobei jeder Dehnungsmessstreifen an der gleichen Seite eines asymmetrischen Instrumentierungsträgers angebracht ist, der einen mittleren Bereich mit einem Umfang der Wandlerplatte verbindet.
Sensor nach Anspruch 21, wobei eine Fläche eines jeden Instrumentierungsträgers, an dem ein Dehnungsmessstreifen angebracht ist, auf einer Seite eine gerade Kante und auf der gegenüberliegenden Seite eine konkav gebogene Kante umfasst.
Sensor nach Anspruch 21, wobei ein Dehnungsmessstreifen an einem Instrumentierungsträger an einer Stelle angebracht ist, die eine Verformung durch ein angewandtes axiales Drehmoment erfährt, aber wenig oder keine Verformung durch angewandte außeraxiale Belastungen.
Sensor nach Anspruch 18, wobei die linear abhängigen Paare von Kraft und Drehmoment Fx und Ty sowie Fy und Tx sind.
Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors, umfassend: Bereitstellen einer im Allgemeinen kreisförmigen, im Allgemeinen ebenen Wandlerplatte, die einen mittleren Bereich mit einer senkrechten Mittelachse z und einen Umfang aufweist; Ausbilden eines oder mehrerer erster Befestigungslöcher in der Nähe des mittleren Bereichs, wobei die ersten Befestigungslöcher ausgestaltet sind, um an einem ersten Objekt befestigt zu werden; Ausbilden eines oder mehrerer zweiter Befestigungslöcher in der Nähe des Umfangs, wobei die zweiten Befestigungslöcher ausgestaltet sind, um an einem zweiten Objekt befestigt zu werden; Ausbilden mehrerer Hohlräume durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang, wobei benachbarte Hohlräume Speichen definieren, die den mittleren Bereich und den Umfang verbinden; Ausbilden eines oder mehrerer radialer Schlitze durch die Wandlerplatte zwischen dem mittleren Bereich und dem Umfang, wobei jeder radiale Schlitz benachbart zu mindestens einem Hohlraum ist, wobei die Wandlerplatte zwischen einem radialen Schlitz und einem Hohlraum einen Instrumentierungsträger definiert, der den mittleren Bereich und den Umfang verbindet; Anbringen eines Dehnungsmessstreifens an einem Instrumentierungsträger; und Verbinden des Dehnungsmessstreifens mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung, die eine Spannung in Abhängigkeit von einem verformungsabhängigen Widerstand des Dehnungsmessstreifens ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei ein Ausbilden einer ersten Mehrzahl von Hohlräumen durch die Wandlerplatte ein Bohren einer ersten Mehrzahl von Durchgangslöchern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Anbringen eines Dehnungsmessstreifens an einem Instrumentierungsträger ein Anbringen von vier Dehnungsmessstreifen umfasst, die jeweils an einer gleichen Fläche eines anderen Instrumentierungsträgers angebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Stellen der Hohlräume und radialen Schlitze, die Anordnung der Dehnungsmessstreifen und die Gestaltung der Dehnungsmessstreifenschaltungen derart sind, dass eine Dehnungsmessstreifenantwort für zwei verschiedene Paare von Kraft und Drehmoment linear abhängig sind, wobei sich die Dehnungsmessstreifenantwort bei einer Kraft eines jeweiligen Paares von der Dehnungsmessstreifenantwort bei einem Drehmoment dieses Paares um ein Vielfaches unterscheidet, und wobei die vier Dehnungsmessstreifenantworten ein vier mal vier lineares System umfassen, aus dem zumindest ein Drehmoment um die Achse direkt aus den Dehnungsmessstreifenantworten und einer Entkopplungsmatrix bestimmt wird.