DE112018000571T5 - Temperaturkompensation eines kraft-/drehmoment-sensors - Google Patents

Abstract

Dehnungsmesser auf einem Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor werden individuell temperaturkompensiert, bevor die Messerausgaben bestimmt werden, um Kraft- und Drehmoment-Belastungen auf dem Sensor zu schätzen. Thermische Sensoren werden in der Nähe von jedem Dehnungsmesser montiert und die initialen Ausgaben der Dehnungsmesser und thermischen Sensoren werden bei einer bekannten Belastung und Temperatur bestimmt. Der Kraft- / Drehmoment-Sensor erfährt dann eine Erwärmung, und die Ausgaben der Dehnungsmesser und thermischen Sensoren werden erneut bestimmt. Diese Ausgaben der Messer und thermischen Sensoren werden verarbeitet, um Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung zu berechnen, beispielsweise mittels eines Fehlerquadratalgorithmus. Jede Dehnungsmesserausgabe wird mittels der Temperaturkompensationsgleichung kompensiert, und die temperaturkompensierten Ausgaben der Dehnungsmesser werden dann kombiniert, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.

Description

• BEREICH DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Kraft- / Drehmoment-Sensor für Roboteranwendungen, insbesondere auf die thermische Kompensation von Dehnungsmessstreifen bzw. Dehnungsmessern an dem Kraft- / Drehmoment-Sensor eines Roboters.
• HINTERGRUND
• Die Robotik ist ein wachsendes und immer wichtiger werdendes Feld in industriellen, medizinischen, wissenschaftlichen und anderen Anwendungen. In vielen Fällen, in denen ein Roboterarm oder ein daran befestigtes Werkzeug ein Werkstück berührt, muss die aufgebrachte Kraft und/oder das aufgebrachte Drehmoment genau überwacht werden. Dementsprechend ist ein Kraft- / Drehmoment-Sensor ein wichtiger Bestandteil vieler Robotersysteme.
• Ein konventioneller Kraft- / Drehmoment-Sensor verwendet Dehnungsmesser, um die Verformung von kleinen Trägern zu messen, die zwei mechanische Teile verbinden - eines ist mit dem Roboterarm und das andere mit einem Roboterwerkzeug (oder einer mechanischen Kopplung mit dem Werkzeug) verbunden. So ist beispielsweise ein zentraler „Hub“, in der Fachsprache als Werkzeugadapterplatte (Tool Adapter Plate (TAP)) bezeichnet, mit einem Werkzeug verbunden. Ein weiterer Körper, der ringförmig um die TAP herum und von ihr beabstandet angeordnet ist, der in der Technik als Montageadapterplatte (Mounting Adapter Plate (MAP)) bezeichnet wird, ist mit einem Roboterarm verbunden. Die MAP und die TAP sind durch eine Vielzahl von relativ dünnen (und damit mechanisch verformbaren) Trägern miteinander verbunden, die radial um die TAP herum angeordnet sind - in einigen Fällen ähnlich wie Speichen eines Rades. Eine relative Kraft oder ein relatives Drehmoment zwischen Objekten, die jeweils an der TAP und der MAP befestigt sind, versuchen, die MAP relativ zu der TAP zu bewegen, was zu einer leichten Verformung oder Biegung von zumindest einigen der Träger führt.
• Dehnungsmesser, die an einigen oder allen Oberflächen von jedem Träger angebracht sind, erzeugen ein elektrisches Signal, das proportional zur Verformung des Trägers ist. Durch Bestimmen der Größen der Ausgaben des Dehnungsmessers und Berücksichtigen der Positionen der Messer kann die Dehnung der Träger quantifiziert und Kräfte und Drehmomente zwischen der TAP und der MAP geschätzt werden. Zahlreiche Arten von Dehnungsmessern, verschiedene Konfigurationen zur Lokalisierung von Dehnungsmessern auf Trägeroberflächen, verschiedene Topologien, die Dehnungsmesser miteinander verbinden, und verschiedene Mittel zur Kalibrierung ihrer Ausgaben sind nach dem Stand der Technik bekannt.
• Eine primäre Fehlerquelle bei Kraft- / Drehmoment-Sensoren von Robotern ist die Ungenauigkeit durch thermische Drift. Quellen der thermischen Drift sind Umgebungstemperaturänderungen, Umgebungstemperaturgradienten und Selbsterhitzung. Bei Dehnungsmessern aus Silizium können Änderungen der Ausgangsspannung aufgrund von Temperaturänderungen ein Mehrfaches der Größe von Ausgangsspannungsänderungen aufgrund von induzierten Belastungen betragen - die Geräte können als bessere Temperatursensoren als Belastungssensoren betrachtet werden. Der Anschluss von Dehnungsmessern in einer Halbbrückentopologie kann Temperatureffekte kompensieren, aber nur, wenn die Messer gut aufeinander abgestimmt sind und nur, wenn sie sich genau gegenüberliegen. Darüber hinaus können Temperaturänderungen bei einem Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nicht nur die Ausgabe des Dehnungsmessers beeinflussen, sondern auch mechanische Spannungen durch ungleiche Ausdehnung / Kompression von Strukturelementen hervorrufen, die der Sensor als aufgebrachte Last oder Kraft interpretieren kann. Das Verstehen und Kompensieren von Temperaturfehlern stellt eine primäre Herausforderung für das Design und den Betrieb von Kraft- / Drehmoment-Sensoren eines Roboters dar.
• Der Hintergrundabschnitt dieses Dokuments dient dazu, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im technologischen und betrieblichen Kontext bereitzustellen, um dem Fachmann zu helfen, ihren Umfang und Nutzen zu verstehen. Sofern sie nicht ausdrücklich als solche gekennzeichnet ist, gilt keine Aussage hierin lediglich durch die Aufnahme in den Abschnitt Hintergrund als Stand der Technik.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Im Folgenden wird eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung präsentiert, um dem Fachmann ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung stellt keinen umfassenden Überblick über die Offenbarung dar und dient nicht dazu, wesentliche / kritische Elemente von Ausführungsformen der Erfindung zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck dieser Zusammenfassung besteht darin, einige der hierin offenbarten Konzepte in vereinfachter Form als Auftakt zu der später vorgestellten detaillierteren Beschreibung darzustellen.
• Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, die hierin beschrieben und beansprucht werden, werden Dehnungsmesser an einem Kraft- / Drehmoment-Sensor individuell temperaturkompensiert, bevor die Messerausgaben bestimmt werden, um Kraft- und Drehmoment-Belastungen auf den Sensor zu schätzen. Thermosensoren bzw. thermische Sensoren werden in der Nähe jedes Dehnungsmessers montiert, und die anfänglichen Messer- und Temperatur-Sensor-Ausgaben bei einer bekannten Belastung und Temperatur werden erfasst. Der Kraft- / Drehmoment-Sensor wird dann erwärmt, und es werden wieder Dehnungsmesser- und Temperatur-Sensor-Ausgaben erfasst. Diese Messer- und Temperatur-Sensor-Ausgaben werden verarbeitet, um Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung zu berechnen, z.B. durch Verwendung eines Algorithmus der kleinsten Quadrate bzw. einer Fehlerquadratmethode. Jede Dehnungsmesserausgabe wird mit Hilfe der Temperaturkompensationsgleichung kompensiert, und die temperaturkompensierten Ausgaben der Dehnungsmesser werden dann kombiniert, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
• Eine Ausführungsform bezieht sich auf ein temperaturkompensiertes Verfahren zum Betreiben eines Kraft- / Drehmoment-Sensors eines Roboters. Der Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor weist eine Werkzeugadapterplatte (TAP), die betriebsbereit mit einem ersten Objekt verbunden werden kann, und eine Montageadapterplatte (MAP), die betriebsbereit mit einem zweiten Objekt verbunden werden kann, auf. Der Kraft- / Drehmoment-Sensor ist betriebsbereit, um die Richtung und die Größe einer Kraft und eines Drehmoments zwischen dem ersten und zweiten Objekt zu messen. Anfängliche bzw. initiale Ergebnisse von Dehnungsmessern, die an Elementen befestigt sind, die MAP und TAP verbinden, und von thermischen Sensoren, die die Temperatur von MAP und TAP messen, werden bei einer bekannten Belastung und Temperatur erfasst. Dehnungsmesser- und Temperatur-Sensor-Ausgaben werden erfasst, nachdem der Sensor eine Temperaturänderung erfahren hat. Die Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer werden basierend auf den anfänglichen Ausgaben und den Ausgaben nach der Temperaturänderung berechnet. Jede Dehnungsmesserausgabe wird mit Hilfe der Temperaturkompensationsgleichung kompensiert. Die temperaturkompensierten Ausgaben aller Dehnungsmesser werden kombiniert, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
• Eine weitere Ausführungsform bezieht sich auf einen temperaturkompensierten Kraft- / Drehmoment-Sensor eines Roboters. Der Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor weist auf eine Werkzeugadapterplatte (TAP), die betriebsbereit mit einem ersten Objekt verbunden werden kann; eine Montageadapterplatte (MAP), die betriebsbereit mit einem zweiten Objekt verbunden werden kann; einen oder mehrere verformbare Träger, die die TAP mit der MAP verbinden; mindestens einen Dehnungsmesser, der an mindestens einer Seite jedes Trägers befestigt ist, wobei die Dehnungsmesser betriebsbereit sind, um Zug- und Druckkräfte auf einer Oberfläche einer Seite eines Trägers, die durch Verformung des Trägers verursacht werden, in elektrische Signale umzuwandeln; einen ersten Temperatursensor, der an der TAP befestigt ist; einen zweiten Temperatursensor, der an der MAP befestigt ist; und eine Messschaltung, die betriebsbereit ist, um als Reaktion auf elektrische Signale von allen Dehnungsmessern und Temperaturausgaben von allen Temperatursensoren die temperaturkompensierte Richtung und Größe von Kraft und Drehmoment zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu messen.
• Figurenliste
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, näher beschrieben. Diese Erfindung sollte jedoch nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und den Umfang der Erfindung den Fachleuten vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Elemente.
• 1 ist eine Abschnittsdarstellung eines Mittels zur Montage eines auf einer Oberfläche montierten Thermistors.
• 2 ist ein schematischer Schaltplan einer Messung mit Viertelbrückensensortopologie.
• 3 ist ein schematischer Schaltplan bzgl. Spannung und Strom in einer Brückenschaltung.
• 4 ist ein Graph der schlimmsten Min/Max-Temperaturfehler für eine Halbbrückenschaltungstopologie, die anhand der Brückenstrommessung berechnet wurden.
• 5 stellt eine Temperatursensor-Anordnung auf einem Kraft- / Drehmoment-Sensor eines Roboters dar.
• 6 ist eine Darstellung von unkompensierten Kraft- und Drehmoment-Messwerten.
• 7 ist ein Graph der Kraft- und Drehmoment-Messwerte von 5 nach einer Temperaturkompensation. Die 8A - 8C sind Graphen einer Kraft- / Drehmoment-Bestimmung für einen Kraft-/ Drehmoment-Sensor eines Roboters unter verschiedenen Heiz- und Belastungs-Bedingungen ohne Temperaturkompensation (8A), mit Kompensation durch eine unbelastete Ausgabe des Dehnungsmessers (8B) und mit Temperaturkompensation pro Dehnungsmesser (8C).
• 9 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Kraft- / Drehmoment-Sensors eines Roboters, welche ein unbelastetes Element oder die Montage eines Dehnungsmessers bezüglich Temperaturkompensation darstellt.
• 10 ist ein Flussplan eines Verfahrens zum Betreiben eines Kraft- / Drehmoment-Sensors eines Roboters.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Zur Vereinfachung und Veranschaulichung wird die vorliegende Erfindung beschrieben, indem sie sich hauptsächlich auf eine exemplarische Ausführungsform bezieht. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch für einen Fachmann leicht ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung auf diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In dieser Beschreibung werden bekannte Methoden und Strukturen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verdecken.
• Quellen eines Temperaturfehlers
• Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, dass eine Temperaturdrift eine Hauptquelle für Ungenauigkeiten bei Kraft- / Drehmoment-Sensoren eines Roboters ist. Die Erfinder haben vier Hauptquellen für Temperaturfehler identifiziert.
• Erstens führt der Einsatz von Silizium-Dehnungsmessern zu thermischen Fehlern. Silizium-Dehnungsmesser werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit im Vergleich zu Folien-Dehnungsmessern bevorzugt. Sie weisen jedoch ein deutlich schlechteres Temperaturverhalten auf. Es gibt zwei wesentliche Temperatureffekte bei Silizium-Dehnungsmessern - den Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Dehnungsmessers ((Temperature Coefficient of Resistance (TCR)) und den Temperaturkoeffizient des Messfaktors (Temperature Coefficient of Gage Factor (TCGF)). TCR liegt vor, wenn sich der Widerstand eines Silizium-Dehnungsmessers mit seiner Temperatur ändert. Bei einigen Messern kann sich der Widerstand bei einem Temperaturschwankungsbereich von 0-50° C mehr ändern, als er sich aufgrund der Sensorbelastung im gesamten Messbereich ändert. Ein Großteil dieser Temperaturschwankungen kann durch Verdrahtung des Dehnungsmessers in einer Halbbrückenkonfiguration aufgehoben werden; es gibt jedoch immer eine Abweichung, die das Verhalten beeinträchtigt. TCGF liegt vor, wenn sich der Messfaktor (auch bekannt als Empfindlichkeit oder Verstärkung) eines Silizium-Messers mit der Temperatur signifikant ändert.
• Zweitens ist das spezielle Kraft- / Drehmoment-Sensordesign, das für die Temperatur-Bestimmung und Kompensation verwendet wird, anfällig für eine ungleiche Ausdehnung und Kontraktion von Metallen. Der bedeutendste Fehler, der sich aus dem Sensordesign ergibt, ist eine Kraftausgabe bezüglich der Z-Achse, die durch unterschiedliche Ausdehnungsraten zwischen dem Körper des Wandlers und der MAP oder TAP oder durch einen Temperaturgradient zwischen MAP und TAP verursacht wird. Andere mechanische Probleme können zusätzlich zu einem Temperaturfehler beitragen, aber dieses ist bei weitem das schlimmste.
• Drittens führt ein Temperaturgradient über eine Dehnungsmesser-Brücke dazu, dass jeder Messer, z.B. in einer Halbbrückenschaltung, eine andere Temperatur aufweist. Dies führt zu einer signifikanten Brückenausgabe aufgrund des großen Temperaturkoeffizienten des Silizium-Dehnungsmessers. Dieses Problem wird durch eine Viertelbrückentopologie weitgehend gemildert.
• Schließlich kann die Elektronik einen Offsetfehler über der Temperatur; einen Verstärkungsfehler über der Temperatur; und ein niederfrequentes Rauschen, das wie ein Temperaturfehler aussieht, einführen. Die in einem Sensor integrierte Elektronik verursacht auch eine erhebliche Eigenerwärmung, die die oben genannten Temperaturfehler verursacht oder verschlimmert.
• Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Temperatursensoren an einem Kraft- / Drehmoment-Sensor befestigt, um eine Temperaturkompensation der Dehnungsmesser-Ausgaben zu ermöglichen. Im Allgemeinen ist der Begriff „Temperatursensor“ bzw. „thermischer Sensor“ breit auszulegen.
• Typen von Temperatursensoren
• In einer Ausführungsform kann ein Temperatursensor einen Dehnungsmesser umfassen, der die gleiche Art und Größe wie die Dehnungsmesser zum Messen mechanischer Kräfte aufweist und an einem unbelasteten Element des Kraft- / Drehmoment-Sensors befestigt ist. Wie hierin verwendet, wird ein solcher Temperatursensor als „unbelasteter Dehnungsmesser“ oder „thermischer Dehnungsmesser“ bezeichnet. Dagegen werden die an verformbaren Trägern des Kraft- / Drehmoment-Sensors angebrachten Dehnungsmesser - deren Ausgaben zur Messung von Kräften und Drehmomenten am Sensor dienen - im Folgenden als „Messungs-Dehnungsmesser“ oder einfach als „Dehnungsmesser“ bezeichnet.
• Wie im Hintergrund-Kapitel erwähnt ist, sind insbesondere die Ausgaben von Silizium-Dehnungsmessern bekannt dafür, dass sie über der Temperatur stark variieren, unabhängig von der mechanischen Belastung, die mit dem Messer gemessen wird. Die Vorteile der Verwendung eines unbelasteten Dehnungsmessers als Temperatursensor liegen in einer wiederholbaren und im Wesentlichen linearen thermischen Antwort. Darüber hinaus kann für den unbelasteten Dehnungsmesser der gleiche Installationsprozess wie für den Messungs-Dehnungsmesser verwendet werden, und er imitiert damit die Eigenerwärmungseigenschaften der Messungs-Dehnungsmessers. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass der unbelastete Dehnungsmesser natürlich empfindlich gegenüber einer Belastung ist. Dementsprechend sollte er an einem Teil oder Element des Kraft- / Drehmoment-Sensors befestigt werden, das nicht durch die Kräfte und Momente, die bei den Elementen auftreten, an denen die Messungs-Dehnungsmesser befestigt sind, belastet wird. Dies bedeutet, dass der unbelastete Dehnungsmesser in der Regel nicht in der Nähe der Dehnungsmesser angeordnet werden kann und daher seine Temperaturausgabe die Temperaturen des Dehnungsmessers nicht genau widerspiegelt. Darüber hinaus kann der unbelastete Dehnungsmesser auch bei Befestigung an einem unbelasteten Element eine Belastung erfahren, da sich das Element, an dem er befestigt ist, bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Dementsprechend können Anwendungen mit großen, schnellen Änderungen der Sensortemperatur die Verwendung eines unbelasteten Dehnungsmessers als Temperatursensor negativ beeinflussen.
• Eine weitere mögliche Implementierung eines Temperatursensors ist ein Thermoelement - eine Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter, die durch den thermoelektrischen Effekt eine temperaturabhängige Spannung zwischen sich erzeugen. Thermoelemente können sehr klein sein und sind einfach zu installieren (es ist keine elektrische Isolierung erforderlich). Sie haben einen sehr großen Temperaturbereich und sehr schnelle Reaktionszeiten. Andererseits haben Thermoelemente eine relativ schlechte Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Im Vergleich zu resistiven Temperatursensoren sind zum Auslesen von Thermoelementen mehr Schaltungen erforderlich, z.B. auf einer Schnittstellenbaugruppe. Aufgrund ihrer geringen Auflösung würde die Verwendung von Thermoelementen als thermische Sensoren an einem Kraft- / Drehmoment-Sensor die Auflösung des Kraft- / Drehmoment-Sensors negativ beeinflussen. Dementsprechend sind sie für diese Anwendung keine gute Wahl.
• Widerstandstemperaturfühler ((Resistance Temperature Detectors) RTD) sind Temperatursensoren, die typischerweise aus feinem Draht aus reinem Material (z.B. Platin, Nickel oder Kupfer) bestehen, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist. Der RTD hat ein genaues Widerstands-Temperatur-Verhältnis, das zur Temperaturmessung genutzt werden kann. Ihre Reaktion ist sehr linear und weist eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit auf. Sehr einfache Mathematik kann verwendet werden, um ein lineares Auslesen zu ermöglichen, das über einen weiten Temperaturbereich gilt. RTDs haben eine relativ kleine Signalausgabe und sind im Allgemeinen größer und teurer als andere Typen von thermischen Sensoren, wie beispielsweise Thermistoren. Darüber hinaus können RTDs empfindlich auf Belastungen reagieren, was bei dem Versuch, die Temperatur von oder in der Nähe von Dehnungsmessern zu überwachen, problematisch ist. RTDs können sich besonders für Anwendungen außerhalb des Bereichs -20° C bis +60° C eignen. Andernfalls sind sie aufgrund ihrer geringen Auflösung und potenziellen Belastungsempfindlichkeit nicht für den Einsatz als thermische Sensoren an Kraft-/ Drehmoment-Sensoren geeignet.
• Ein Thermistor ist eine Art von Widerstand, bei dem der elektrische Widerstand stark von der Temperatur abhängig ist. Thermistoren haben eine sehr hohe Temperaturempfindlichkeit mit einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen oder Belastungen. Diese Eigenschaften, zusammen mit einer guten Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit sowie einer breiten Verfügbarkeit in kostengünstigen, kleinen Baueinheiten, machen Thermistoren zu einer allgemein guten Wahl für thermische Sensoren an einem Kraft- / Drehmoment-Sensor. Thermistoren haben eine exponentielle Widerstandscharakteristik, die eine umfangreiche mathematische Verarbeitung oder Nachschlagetabellen erfordert, um ihre Messwerte zu linearisieren. Darüber hinaus können sie für sehr weite Temperaturbereiche zu empfindlich sein. Insgesamt stellt die hohe Auflösung der Thermistoren sicher, dass die Temperaturkompensation die Kraft- / Drehmoment-Bestimmung nicht negativ beeinflusst, so dass sie eine gute Wahl für die Temperaturkompensation eines Kraft- / Drehmoment-Sensors sind, zumindest über einen moderaten Temperaturbereich (z.B. -20° C bis +60° C).
• Ein weiterer möglicher Temperatursensor ist eine integrierte Schaltung mit aktivem Sensor, wie beispielsweise LMT70A von Texas Instruments. Dieser Sensor bietet eine hochgenaue und lineare Temperaturausgabe mit hoher Auflösung. Er muss jedoch auf einer Leiterplatte installiert werden und erfordert eine ziemlich strenge Einhaltung des Spannungsbereichs der Stromversorgung. In Anwendungen, in denen die Anforderung an eine Leiterplatte nicht problematisch ist, liefert ein aktiver Sensor gute Ergebnisse und erübrigt die Linearisierung der Temperatursensoren.
• Ein abgesetzter Infrarotsensor (IR) kann in einigen Anwendungen genaue Temperaturmessungen liefern, ohne dass ein physischer Kontakt und damit eine manuelle Verkabelung erforderlich sind. Ein Beispiel ist der kontaktlose Temperatursensor mit Thermosäule TMP006 IR von Texas Instruments. Allerdings kann es aufgrund des IR-Blickwinkels schwierig sein, Temperaturen von bestimmten Punkten zu messen. Darüber hinaus kann die Auflösung der Messung für die Temperaturkompensation bei einer Kraft- / Drehmomenten-Sensoranwendung unzureichend sein. Einige Maßnahmen können die Eignung eines IR-Temperatursensors erhöhen, wie z.B. das Beschichten mindestens eines Teils des Kraft- / Drehmoment-Sensorkörpers mit einem Material, das einen schwarzen Körper nachahmt.
• Montage des Temperatursensors
• Temperatursensoren können auf verschiedene Weise an einem Kraft- / Drehmoment-Sensor montiert sein. Kabelgebundene Temperatursensoren können mit Thermotransferband oder Epoxidharz an einem Sensorkörper montiert sein. Oberflächenmontierte Temperatursensoren können an einem Sensorkörper mit Abstandshaltern oder in einer Aussparung montiert sein.
• Ein drahtgebundener Temperatursensor kann mit einem Thermotransferband am Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper befestigt sein. Ein geeignetes Band ist 1/2-5-5-8810, erhältlich bei 3M Company of Maplewood, MN. Das Band kann auf dem Kraft-/ Drehmoment-Sensorkörper angeordnet sein, an dem der Temperatursensor montiert werden soll, und dann kann der verdrahtete Sensor in das Band gedrückt werden, so dass er an seinem Platz gehalten wird. Das Thermotransferband ermöglicht es dem Temperatursensor, die Temperatur des Kraft-/ Drehmoment-Sensorkörpers zu verfolgen; es ist einfach, den Temperatursensor zu installieren, da es keine Aushärtezeit gibt; und es reduziert den Umfang der Belastung, die der Temperatursensor erfährt. Nach der Installation des Sensors kann eine Schutzschicht wie Silikon-RTV (Raumtemperaturvulkanisation) zum Schutz des Sensors und der Kabel aufgebracht werden.
• Ähnlich wie bei der Verwendung von Thermotransferband kann ein Temperatursensor mit Epoxidharz am Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper befestigt sein. Epoxidharz kann eine robustere Verbindung für Umgebungen mit hohen Vibrationen bieten, jedoch auf Kosten einer längeren Installationszeit und einer erhöhten Belastung des Temperatursensors während des Ladens. Wenn der Temperatursensor nicht isolierte Drähte hat, kann es notwendig sein, eine Isolierschicht aus Epoxidharz aufzutragen, bevor der Temperatursensor installiert werden kann.
• Eine Möglichkeit, die Kosten für die Installation von Temperatursensoren zu senken, besteht darin, oberflächenmontierte Temperatursensoren auf einer PCB (Leiterplatte) zu verwenden, um die Temperatur des Kraft- / Drehmoment-Sensorkörpers zu messen. Dies kann durch die Montage des oberflächenmontierten Temperatursensors auf der Unterseite einer Leiterplatte erreicht werden, die am Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper montiert ist, so dass der Temperatursensor dem Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper zugewandt ist. Ein Abstandhalter, wie beispielsweise Leiterplattenmaterial, kann verwendet werden, um einen Zwischenraum zwischen der Temperatursensorleiterplatte und dem Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper zu erzeugen, in dem sich der Temperatursensor befinden würde. In diesem Hohlraum kann ein Wärmeleit-Band oder eine Paste aufgebracht werden, damit der Temperatursensor die Temperatur des Kraft- / Drehmoment-Sensorkörpers messen kann und um eine gewisse Stapeltoleranz zu erlauben, so dass der Temperatursensor den Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper nicht physisch berühren muss. 1 zeigt ein Beispiel für diesen Montageansatz.
• Alternativ zur Schaffung eines Hohlraums aus PCB-Material kann in den Kraft- / Drehmoment-Sensorkörper, eine Aussparung eingefräst werden, in der der Temperatursensor installiert wird.
• Kategorien von Temperaturfehlern
• Die überwachten Temperaturfehler können in drei Kategorien eingeteilt werden. Erstens gibt es eine Vorspannungsänderung des Dehnungsmessers über der Temperatur. Dies tritt bei einem TCR und bei einer Offsetdrift der Elektronik des Dehnungsmessers auf. Dies tritt auch bei ungleichen Ausdehnungsraten der Adapterplatten auf, wenn kein Temperaturgradient vorhanden ist. Zweitens gibt es eine Verstärkungsänderung über der Temperatur. Dies tritt bei einem TCGF des Dehnungsmessers, bei einem Temperaturkoeffizienten der Erregerspannung der Elektronik und bei einem Temperaturkoeffizienten der Verstärkung der Elektronik auf. Die letzte Kategorie ist der Temperaturgradient von MAP zu TAP. Dies berücksichtigt das mechanische Verhalten von einem Temperaturgradienten vom MAP des Sensors zum TAP des Sensors.
• Die Erfinder haben ein analoges Frontend-Design entwickelt, das elektronisch bedingte Temperaturfehler minimiert. Dadurch konnten sie sich auf die Temperaturkompensation des Kraft- / Drehmoment-Sensors selbst konzentrieren, da die Analogelektronik wesentlich stabiler ist als die Temperatursensoren. Die Erfinder entdeckten, dass die Vorspannungsänderung über der Temperatur und die Verstärkungsänderung über der Temperatur beide als lineare Kurve modelliert werden können. Die Genauigkeit des linearen Modells hängt von dem überwachten Kraft- / Drehmoment-Sensor ab. Unter allen Kraft- / Drehmoment-Sensoren ist ein genaueres mathematisches Modell jedoch eine quadratische Kurve. Die Erfinder entdeckten auch, dass der Temperaturgradient von MAP zu TAP in etwa linear zur Ausgabe einer Kraft entlang der Z-Achse eines Kraft- / Drehmoment-Sensors mit einem stabilen Temperaturgradienten und einer relativ kleinen Temperaturdifferenz zwischen MAP und TAP ist.
• Temperaturkompensation - Unbelastete Dehnungsmesser
• Zwei Verfahren der Temperaturkompensation mit unbelasteten Temperatursensoren sind die Vorspannungskompensation und die Verstärkungskompensation.
• Vorspannungskompensation - In einer Viertel-Brücken-Temperatursensortopologie weist der unbelastete Messer weitgehend das gleiche Temperaturverhalten auf wie die eine Belastung erfassenden Messer. Die eine Belastung erfassenden Messer in einer Viertelbrücke können effektiv bezüglich der Temperatur kompensiert werden, indem die Spannung des unbelasteten Messers von der Spannung des eine Belastung messenden Messers subtrahiert wird. Diese Subtraktion kann in der Software oder direkt durch einen differentiellen Eingang eines DAQ oder ADC erfolgen. Dadurch entsteht effektiv eine Pseudo-Halbbrückenschaltung, die es einem mit einer Viertelbrücke instrumentierten Kraft- / Drehmoment-Sensor ermöglicht, ein akzeptables Temperaturverhalten zu erreichen. 2 stellt eine repräsentative Schaltung dar, in der R1 - R3 feste Brückenabschlusswiderstände sind, SG0 und SG1 eine Belastung erfassende Dehnungsmesser sind und SGU ein unbelasteter Dehnungsmesser (zur Temperatur-Erfassung / Kompensation) ist.
• Verstärkungskompensation - Silizium- Dehnungsmesser ändern die Empfindlichkeit über der Temperatur, so dass eine Verstärkungskompensation dem Sensor ermöglicht, die Empfindlichkeit über weite Temperaturbereiche aufrechtzuerhalten. Diese Änderung der Empfindlichkeit über der Temperatur ist von Messer zu Messer ziemlich konstant und kann mit einigen wenigen repräsentativen Sensoren relativ gut charakterisiert werden. Die Grundkompensationsmathematik sieht wie folgt aus: $${\text{FT}}_{\text{kompensiert}}=\text{k}\cdot {\text{FT}}_{\text{unkompensiert}}$$

  

  wobei k = F(G_unbelastet - G_{unbelastet bei Raumtemperatur}) gilt.
• Die Funktion in dieser Gleichung entspricht einer einfachen quadratischen Anpassung. Die Ausgabe des unbelasteten Dehnungsmessers wird auf seine Ausgabe bei Raumtemperatur bezogen, um die Varianz des verbundenen Widerstands des instrumentierten Dehnungsmessers zu berücksichtigen. Mit diesem Verfahren können Änderungen bezüglich der Verstärkung kompensiert werden, da die Verstärkung an isothermen Punkten über den gesamten Betriebsbereich konstant sein sollte.
• Temperaturkompensation - Überwachen einer Messung von Dehnungsmessertemperaturen
• Temperatureffekte können bei jedem Dehnungsmesser durch eine Matrix kompensiert werden, die quadratische Vorspannungs- und Verstärkungs-Modelle zusammen mit MAP-zu-TAP-Gradienten kombiniert. Das Kompensieren von Messern anstelle von bestimmten Kraft- / Drehmoment-Sensorausgaben vereinfacht das Kompensationsmodell, indem die Anzahl der Temperatursensoren, die in den Algorithmus einfließen, reduziert wird. Ein einfaches Kompensationsmodell erfordert weniger Temperaturcharakterisierung, was es kostengünstiger und konsistenter macht als ein komplexes Modell.
• Die Gleichung für ein temperaturkompensiertes Auslesen eines Messers lautet: $${\text{G}}_{\text{n-kompensiert}}={\text{C}}_0*{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_3*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_5*\left({\text{T}}_{\text{MAP}}-{\text{T}}_{\text{TAP}}\right)+{\text{C}}_6*1$$

  

  wobei G_n der Messwert für den Dehnungsmesser n ist, T_n die Temperatur des Dehnungsmessers ist, T_MAP die Temperatur der MAP ist und T_TAP die Temperatur der TAP ist. Tabelle 1 unten bildet die Kompensationsgleichungskoeffizienten auf die Begriffe ab, auf denen sie wirken: Tabelle 1: Temperaturkompensationsgleichungskoeffizienten

  Koeffizient	C0	C1	C2	C3	C4	C5	C6
  Begriff	Gn	Tn	Tn 2	Gn*Tn	Gn*Tn 2	TMAP-TTAP	1
  Kommentar	Verstärkung	Vorspannung		Empfindlichkeit		MAP/TAP	Konstante c für die quadratische Gleichung

• Die resultierenden kompensierten Messwerte werden dann mit einer standardisierten 6x6-Kalibriermatrix multipliziert, was zu Kraft- / Drehmoment-Sensorwerten bei 6 Achsen führt. Obwohl es möglich ist, alle Temperaturdaten in die Kraft-Drehmoment-Matrizen einzugeben, ist dieser Ansatz rechnerisch komplex. Der optimierte Ansatz besteht darin, jeden einzelnen Dehnungsmesser bezüglich der Temperatur zu kompensieren und dann die temperaturkompensierten Messwerte zu bestimmen, um Kraft- / Drehmoment-Werte zu erhalten.
• Die Kompensationsmatrix wird in einer Ausführungsform unter Verwendung eines Algorithmus der kleinsten Quadrate berechnet. Der Algorithmus der kleinsten Quadrate kann den gesamten Datensatz aus den Charakterisierungstests erhalten, oder er kann spezifische Messwerte nur von den Soak-Punkten erhalten; beide Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse. Eine Voraussetzung für gute Ergebnisse ist das Schätzen eines korrekten Satzes von erwarteten Messwerten für den Algorithmus der kleinsten Quadrate. Jede Prüfung erfordert einen Datenpunkt, bei dem der Sensor bei 22 °C thermisch abgeglichen ist, um zu wissen, wie die Messer für diese Prüfung bei unterschiedlichen Temperaturen zu lesen sind. Während der gesamten Prüfung sollte auch eine konstante Belastung auf den Sensor aufgebracht werden. Dies ermöglicht es, für jeden Charakterisierungstest beliebige Belastungen des Sensors vorzunehmen. Es ist möglich, die zu erwartenden Messer-Messwerte bei 22 °C zu berechnen, indem man die Messer-Messwerte aus den belasteten und unbelasteten Temperaturschwankungen extrapoliert. Dies kann bei einigen Kraft- / Drehmoment-Sensoren sinnvoll sein, wenn eine Prüfung bei 22 °C nicht soaken kann. Siehe Anhang A für ein Beispiel, einschließlich vollständiger Temperatursensordaten und Berechnung der Temperaturkompensationskoeffizienten.
• Ableitung der Temperatur von Dehnungsmessern aus dem Brückenstrom
• Ein Hauptgrund für die Verwendung einer Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungstopologie zur Messung der Dehnungsmesser-Ausgabe ist die Aufhebung des Effekts des großen Temperaturkoeffizienten von Silizium-Dehnungsmessern. Durch die Anordnung der Dehnungsmesser in einer Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung, wobei die Dehnungsmesser die gleiche und die entgegengesetzte Belastung von der Sensorbelastung aufnehmen, wird die Änderung der Brückenausgangsspannung durch die Belastung maximiert, während die Änderung der Brückenausgangsspannung durch die Temperaturänderung minimiert wird.
• Eine Folge der Verwendung einer Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltungstopologie mit Silizium-Dehnungsmessern ist, dass bei einer konstanten Spannungsanregung der Strom durch die Brücke mit der Temperatur variiert, während er mit der Belastung weitgehend konstant bleibt. Dadurch kann der Strom durch die Dehnungsmesser-Brücke einen Temperaturwert anzeigen. Somit können dieselben Silizium-Dehnungsmesser sowohl die Belastung als auch die Temperatur messen - die so abgeleitete Temperatur kann zur Temperaturkompensation des Kraft-/ Drehmoment-Sensors verwendet werden, wie es hier beschrieben ist.
• Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass es schwierig sein kann, Dehnungsmesser so anzuordnen, dass sie tatsächlich gleiche und entgegengesetzte Belastungen erfahren. Diese Belastungsfehlanpassung führt dazu, dass der Brückenstrom mit der Sensorbelastung variiert, was zu einer ungenauen Temperaturberechnung führt.
• Es wurde festgestellt, dass es möglich ist, die Brückenausgangsspannung und den Brückenstrom zu verwenden, um die durchschnittliche Brückentemperatur zu berechnen, solange wie: (1) es gibt mehr als ein eine Belastung erfassendes Element in der Brücke (sonst wären Spannung und Strom der Brücke proportional und würden nicht genügend Informationen liefern), und (2) alle Messer haben dasselbe Vorzeichen bei den Temperaturkoeffizienten (große Temperaturkoeffizientenschwankungen machen dies weniger genau).
• 3 stellt die Schaltungskonfiguration für eine Ausführungsform dar. Lineare und quadratische Kombinationen von Brückenausgabespannung und Brückenstrom werden mit einer Matrix von Koeffizienten multipliziert, um durchschnittliche Temperaturwerte für die Dehnungsmesser-Brücke zu erhalten. Diese Koeffizienten werden unter Verwendung von kleinsten Quadraten abgeleitet, die an Sensor-Belastungsdaten und Sensor-Temperaturdaten angepasst sind. Diese Mathematik kann vereinfacht werden, indem Terme entfernt werden, um die Komplexität des Charakterisierungsprozesses zu reduzieren, oder es können zusätzliche nichtlineare Terme hinzugefügt werden, um die Anpassung des Modells zu verbessern. Die Koeffizienten sind: Tabelle 2: Durchschnittstemperaturkoeffizienten

  Koeffizient	C0	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7
  Term	V	V2	V3	I	I2	V*I	V*I2	1

• Die Gleichung, die die durchschnittliche Brückentemperatur ergibt, lautet: $${\text{TEMP}}_{\text{avg}}=\text{C0}*\text{V}+\text{C1}*{\text{V}}^2+\text{C2}*{\text{V}}^3+\text{C3}*\text{I+C4}*{\text{I}}^2+\text{C5}*\text{V}*\text{I}+\text{C6}*\text{V}*{\text{I}}^2+\text{C7}$$

  
• Natürlich kann in jeder gegebenen Implementierung einer oder mehrere der Koeffizienten Null sein, wodurch der entsprechende Term effektiv aus Gleichung (3) eliminiert wird.
• Eine Monte-Carlo-Simulation einer Silizium-Dehnungsmesser-Brücke zeigt, dass das obige Modell mit geeigneten Kalibrierschritten genaue Temperaturdaten berechnen kann. Die Simulation erzeugt einen Satz von verschiedenen Messerkombinationen, bei denen Anfangswiderstand, Bindungsdehnung, TCR, TCGF und GF mit einer Normalverteilung variieren. Für jede Messerkombination werden mehrere verschiedene Belastungs- und Temperaturkombinationen verwendet, und jede Kombination weist eine Anpassung an die Eingangstemperatur mittels kleinster Quadrate auf. Das Diagramm von 4 und die untenstehende Statistik zeigen den maximalen / minimalen schlimmsten Temperaturfehler für jede Messerkombination, was zeigt, dass dieses Modell gut zum Verhalten eines Silizium-Dehnungsmessers passt.

  Anzahl der Proben:	2000000
  Schlimmster maximaler Temperaturfehler:	0.089296
  Durchschnittlicher maximaler Temperaturfehler:	0.033637
  Standardisierter maximaler Temperaturfehler:	0.008338
  Schlimmster minimaler Temperaturfehler:	-0.075849
  Durchschnittlicher minimaler Temperaturfehler:	-0.027590
  Standardisierter minimaler Temperaturfehler:	0.009062

• Diese Berechnung funktioniert auch dann, wenn ein Dehnungsmesser in einer Halbbrücke eine reduzierte Dehnung oder keine Dehnung aufgrund einer Belastung erfährt, da sich die Spannungs- und Strom-Messwerte zwischen Belastungs- und Temperatur-Änderungen noch deutlich unterscheiden. Die Kompensationskoeffizienten können abgeleitet werden, ohne die tatsächlichen Belastungen der Dehnungsmesser zu kennen; wichtig ist nur die Temperatur, denen die Messer ausgesetzt sind. Die Verwendung der Dehnungsmesser als eigene Temperatursensoren eliminiert jede zeitliche Verzögerung zwischen den Dehnungsmessern und der vom Kraft- / Drehmoment-Sensor gemessenen Temperatur. Die Verwendung der Dehnungsmesser als eigenen Temperatursensor kann ein kostengünstiges Verfahren sein, um einem Kraft- / Drehmoment-Sensor eine Temperaturmessung oder eine Temperaturkompensation hinzuzufügen, ohne zusätzliche Materialkosten zu verursachen.
• Experimente zur Temperaturkompensation
• Es wurden mehrere Experimente mit verschiedenen Temperatursensoren und unterschiedlichen Heiz- und Belastungsbedingungen durchgeführt.
• In einem Experiment wurden 17 Thermistoren an verschiedenen Stellen auf einem bestimmten Kraft- / Drehmoment-Sensor platziert, wie es in 5 dargestellt ist. Bei dem untersuchten Kraft- / Drehmoment-Sensor handelte es sich um einen monolithischen Kraft- / Drehmoment-Sensor Axia 80, der von ATI Industrial Automation, Inc. in Apex, NC, erhältlich ist. Der Axia 80 Kraft- / Drehmoment-Sensor weist nur auf der Oberseite jedes Trägers, der MAP und TAP verbindet, Dehnungsmesser auf, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 2017/0205296 (der 296er Anmeldung) beschrieben, welche auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird. Wie in 1 dargestellt ist, sind die Thermistoren 0, 1 und 2 direkt nebeneinander platziert. Vierzehn weitere Thermistore sind an verschiedenen Stellen sowohl in MAP- als auch in TAP-Abschnitten des Sensors platziert. Die Thermistore mit Zahlen im Kreis sind auf der Ober- oder Seitenwand platziert; Thermistore mit Nummern ohne Kreise sind auf der TAP-Spalte platziert.
• In einem weiteren Experiment werden zwei Thermistore auf einem Nano 25 Kraft- / Drehmoment-Sensor platziert, der bei ATI Industrial Automation, Inc. in Apex, NC, erhältlich ist. Ein geeigneter Thermistor ist der NXFT15XH103FA2B025, der bei Murata Manufacturing Co. Ltd. in Nagaokakyo, Kyoto, Japan, erhältlich ist. Ein Thermistor ist an der MAP und der andere an der TAP befestigt, wodurch ein MAP/TAP-Temperaturgradient entsteht. Die Temperaturen der einzelnen Dehnungsmesser werden nicht gemessen oder kompensiert.
• Alle Tests wurden mit den gleichen Aluminiumplatten durchgeführt, die am Kraft- / Drehmoment-Sensor angebracht sind, da der Kraft- / Drehmoment-Sensor ein Stahlkörper ist und die Aluminiumplatten den Kraft- / Drehmoment-Sensor bei Temperaturänderungen belasten. Durch die Konstanz der Platten kann dieses Verhalten kompensiert werden. Es wurden drei Tests durchgeführt: unbelastete Temperaturschwankung, belastete Temperaturschwankung und MAP/TAP-Temperaturgradient.
• Unbelastete Temperaturschwankung eines Kraft- / Drehmoment-Sensors - Der Sensor wurde auf dem Boden einer Temperaturkammer platziert und durchlief einen Temperaturschwankungsbereich von 0 - 50 °C mit 3 Stunden-Soak-Punkten bei 0 °C, 22 °C und 50 °C.
• Belastete Temperaturschwankung eines Kraft- / Drehmoment-Sensors - Auf den Sensor wurde eine komplexe Last aufgebracht, die eine signifikante Änderung aller Ausgaben des Dehnungsmessers zur Folge hatte. Der Sensor wurde dann durch einen Temperaturschwankungsbereich von 0-50 °C mit 3 Stunden-Soak-Punkten bei 0 °C, 22 °C und 50 °C geführt.
• Ein Aufwärmen der MAP wird mit einem TAP-Kühlkörper bewirkt - Eine große Metallplatte wurde mit einem Thermotransferband an der TAP des Sensors befestigt und die Wärme wurde mit einer Heizplatte auf die MAP des Sensors aufgebracht. Ein Thermoelement wurde verwendet, um sicherzustellen, dass die Heizplatte in der Nähe des Sensors 50 °C erreichte, und der TAP-Kühlkörper stellte sicher, dass die TAP kühler blieb als die MAP. Der Test wurde bei 22 °C gestartet, um sicherzustellen, dass eine Raumtemperaturmessung mit dem TAP-Kühlkörper durchgeführt wurde.
• Die obige Temperaturkompensationsgleichung wurde auf jeden Dehnungsmesser angewendet.
• Der gewöhnliche Algorithmus der kleinsten Quadrate wird verwendet, um die obigen Kompensationskoeffizienten unter Verwendung der folgenden Testdaten zu berechnen. Der gewöhnliche Algorithmus der kleinsten Quadrate benötigt zwei Datensätze, um eine Kompensationsmatrix zu berechnen: (1) Trainingsdaten für jeden Test und (2) Eingabe- oder Wunschdaten für jeden Test.
• Ein Satz von Trainingsdaten eines Messers und eines Thermistors wurden von den Soak-Punkten jedes Test und mindestens einer Probe mit einem signifikanten Temperaturgradienten von MAP zu TAP gesammelt. Die folgenden Daten entsprechen 24-Bit-Zählungen.

  
• Die Thermistorwerte wurden mit den folgenden Gleichungen und der B-Konstante für den verwendeten Thermistor linearisiert. Hinweis: Das DAQ-System hat einen signifikanten Offsetfehler in die Thermistorberechnungen eingeführt, der sich jedoch nicht wesentlich auf die Kompensationsergebnisse auswirkt. $$\begin{array}{l}vpv=\frac{Zählungen}{2^{23}}+0.5\\ R=R_0\ast \frac{1-vpv}{vpv}\end{array}$$

  

  $$T\left(°C\right)=\frac{B}{\text{ln}\left(\frac{R}{R_0\ast e^{\raisebox{1ex}{$-B$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$T_0$}\right.}}\right)}-273.15$$

  

  wobei B=3380, R₀=10 kΩ, T₀=298.15 K für die spezifischen Thermistoren eingesetzt wurde.

  Beschreibung	TAP °C	MAP °C
  0 °C keine Belastung	-1.45	0.56
  22 °C keine Belastung	20.36	22.81
  50 °C keine Belastung	46.77	50.47
  0 °C Belastung	-1.34	0.60
  22 °C Belastung	20.35	22.76
  50 °C Belastung	46.78	50.47
  22 °C MAP-Aufheizen	19.69	21.71
  MAP-Aufheizen 1	26.52	53.26
  MAP-Aufheizen 2	28.71	39.92

• Für jeden Dehnungsmesser wurde der Satz der Trainingsdaten für diesen Dehnungsmesser berechnet. Für die Temperatureingabe wurde ein gewichteter Mittelwert zwischen den Temperatursensoren der MAP und der TAP berechnet (bei größeren Sensoren sollte der Temperatursensor neben dem Messer verwendet werden). In diesem Fall wurde eine Gleichgewichtung zwischen MAP und TAP verwendet. $$\text{T}=0.5*{\text{T}}_{\text{MAP}}+0.5*{\text{T}}_{\text{TAP}}$$

  

  

  

  
• Der Eingabedatensatz besteht aus den Messwerten, die der Sensor für jede der oben genannten Proben im Trainingsdatensatz ausgeben soll. In diesem Fall sollten die Messer die Messwerte bei 22 °C ausgeben, ohne dass ein Temperaturgradient von MAP zu TAP vorliegt.

  

  
• Die Kompensationsmatrizen wurden mit dem Algorithmus der kleinsten Quadrate und den Eingabe- und Trainingsdatensätzen berechnet. Der Algorithmus der kleinsten Quadrate findet für das Kompensationsmodell Koeffizienten, die den Fehler zwischen den kompensierten Ausgaben und dem Eingabedatensatz minimieren. Da der Eingabedatensatz ein idealer Satz von Sensordaten ohne temperaturabhängige Ausgabe ist, weisen die kompensierten Ausgaben ein stark reduziertes Temperaturverhalten auf.
• A bezeichnet eine Matrix, die den Trainingsdatensatz für einen Messer enthält, und B bezeichnet eine Matrix, die den Eingabedatensatz für einen Messer enthält. $$TempCompMatrix={\left({\left(A^T\ast A\right)}^{-1}\ast A^T\ast B\right)}^T$$

  

  
• Kompensierte Daten des Messers wurden aus den Rohdaten des Messers und den Kompensationsmatrizen berechnet, indem jede Matrix des Messers mit der Transponierten jeder Kompensationsmatrix multipliziert wurde. $$G_{comp}=Messe{r}_{matrix}\ast Com{p}_{matrix}^T$$

  
• Beispiel:
• $$\begin{array}{l}{\text{G0}}_{\text{comp}}=\left[-291436-3.149.89916527-2882350.421\right]*\\ {\left[1.016102-1653.0731.89-0.0026496.75\text{E}-054*1936.4815565\right]}^{\text{T}}\\ {\text{G0}}_{\text{comp}}=-276867\end{array}$$

  
• Die aufgelösten Kraft- / Drehmoment-Daten wurden dann aus den kompensierten Daten des Dehnungsmessers unter Verwendung einer linearen 6x6-Matrix berechnet. $$\left[\text{Fx Fy Fz Tx Ty Tz}\right]=\left[\text{G0 G1 G2 G3 G4 G5}\right]*{\left(6\times 6\text{ FT Matrix}\right)}^{\text{T}}$$

  

  
• Um das Leistungsverhalten des kompensierten Kraft- / Drehmoment-Sensors zu überprüfen, wurde ein weiterer Temperaturtest durchgeführt. Der Kraft- / Drehmoment-Sensor wurde in einer Temperaturkammer montiert und bei 0 °C, 12,5 °C, 22 °C, 37,5 °C und 50 °C gesoakt. Bei diesem Temperaturkompensationsverfahren wird der Temperaturfehler des Sensors bei der Kalibrierung auf 1 % des Skalenendwerts reduziert. $$\text{Kalibrierlasten}:\text{Fxy}=125\text{N},\text{ Fz}=500\text{N},\text{ Txyz}=3\text{Nm}.$$

  
• 6 stellt die unkompensierten Ergebnisse und 7 das temperaturkompensierte Ergebnis für die drei Kräfte bzw. Drehmomente (Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Ty, Tx) dar. Das Experiment zeigt eine deutliche Verbesserung des Fz-Driftverhaltens und auch eine gute Verbesserung bei Fx, Fy und Ty. Insbesondere Tz zeigte keine deutliche Verbesserung, lag aber bereits vor der Temperaturkompensation unter 1 % FS-Fehler.
• Experimentelle Ergebnisse
• Die 8A-8C zeigen unterschiedliche Verarbeitungen der Messausgaben eines Dehnungsmessers eines Axia 80 Kraft- / Drehmoment-Sensors für jeden einzelnen einer Reihe von Tests. Die Tests umfassten Temperaturschwankungen ohne Last, Temperaturschwankungen unter Last und Temperaturgradienten von MAP nach TAP sowohl ohne als auch unter Last, wobei sowohl die MAP als auch die TAP mit Wärme beaufschlagt wurden.
• 8A zeigt diese Tests ohne Temperaturkompensation der Messausgaben des Dehnungsmessers. Für die Temperaturschwankung ohne Last - links in 8A dargestellt - wurden vor der ersten vertikalen schwarzen Linie - Messdaten und Temperatursensordaten bei einem Sensor ohne Last für einen Temperaturverlauf von 0-50° C protokolliert. Der Test beinhaltet vier lange „Soak“-Punkte - bei denen eine aufgebrachte Erwärmung über der Zeit aufrechterhalten wird - um sicherzustellen, dass der gesamte Sensor das thermische Gleichgewicht erreicht. Dieser Test dient zur Kalibrierung der Temperatursensoren und zur Kompensation der Biasänderung über der Temperatur.
• Der zweite Graph stellt eine Temperaturschwankung unter Last dar, bei der der Sensor mit einem Gewicht auf der Fz-Oberfläche von etwa 50% der Last belastet wurde, von der erwartet wird, dass sie eine vollständige Skalenauslenkung erzeugt. Der Temperaturverlauf ist derselbe wie im Fall ohne Last (vier Soak-Punkte von 0-50° C). Im Allgemeinen können die Temperaturen unterschiedlich sein, aber es ist wichtig, dass genügend lange Soak-Zeiten zwischen den Temperaturänderungen vorhanden sind, um sicherzustellen, dass die Gewichte auf die gleiche Temperatur wie der Sensorkörper kommen und keine Wärmesenken sind.
• Die letzten beiden Abschnitte von 8A stellen jeweils Zustände sowohl ohne als auch unter Last dar, wenn nur auf einen Teil des Sensors Wärme aufgebracht wird. Im dritten Abschnitt wurde die MAP erwärmt, wenn ein Gewicht auf die TAP aufgebracht wurde. Der vierte Abschnitt zeigt die Zustände ohne und unter Last, wenn Wärme auf eine Seite des Sensors, d.h. auf die TAP, aufgebracht wurde.
• In allen vier Tests war der Fz-Wert unter Verwendung der Viertelbrückentopologie bei den Messgeräten und ohne Temperaturkompensation nutzlos. Die Sensorausgabe variierte über ihren gesamten Bereich von 900 N (Wendepunkte nach flachen Strecken im Diagramm stellen Änderungen der aufgebrachten Wärme dar).
• 8B zeigt die gleichen Testbedingungen, die mit Hilfe der Temperaturkompensation in Form einer Subtraktion von unbelasteten Messwerten wiederholt werden. Wie in der oben beschriebenen Anmeldung '296 beschrieben ist, wird ein Dehnungsmesser ähnlich denen, die an den flexiblen Trägern montiert sind, an einem unbelasteten Element des Sensors montiert, und seine Ausgabe wird auf Temperaturänderungen überwacht. 8 der Anmeldung '296 (hier als 9 dargestellt) zeigt einen Montagepunkt 35, der in die TAP 12 eines Sensors eingearbeitet ist, um einen Dehnungsmesser zur Temperaturkompensation aufzunehmen. Die Ausgabe dieses unbelasteten Messers wird verwendet, um die bestimmten Kräfte und Drehmomente zu kompensieren und den Einfluss der Dehnungsmesser-Drift über der Temperatur zu minimieren. Wie 8B zeigt, verbessert diese Kompensation die Fz-Kraft - was sie geringfügig nützlich macht, wobei sie aber immer noch weit außerhalb des Bereichs liegt und über Temperaturschwankungen und auch dem Erwärmungsumfang variiert.
• 8C stellt diese Testbedingungen noch einmal dar, bei denen die obige quadratische Kompensationsgleichung auf jeden Dehnungsmesser angewendet wird, bevor die Messausgaben kombiniert werden, um die sechs Kräfte und Momente zu bestimmen. Wie 8C zeigt, ist die Fz-Kraftausgabe über alle Testbedingungen hinweg dramatisch stabilisiert.
• Temperaturkompensationsverfahren
• 10 stellt die Schritte eines temperaturkompensierten Verfahrens 100 zum Betreiben eines Kraft- / Drehmoment-Sensors eines Roboters dar. Der Roboter-Kraft-/ Drehmoment-Sensor weist eine Werkzeugadapterplatte (TAP), die mit einem ersten Objekt verbunden werden kann, und eine Montageadapterplatte (MAP), die mit einem zweiten Objekt verbunden werden kann, auf. Der Kraft- / Drehmoment-Sensor dient zum Messen der Richtung und Größe von Kraft und Drehmoment zwischen dem ersten und zweiten Objekt. Am Kraft- / Drehmoment-Sensor sind Thermosensoren angebracht, die mindestens die MAP- und TAP-Temperaturen messen. Einzelheiten zu der Thermosensormontage sind hier als Anhang C beigefügt.
• Zunächst werden bei bekannter Last und Temperatur (Block 102) die Ausgaben von Dehnungsmessern, die an den Verbindungselementen von MAP und TAP befestigt sind, und von thermischen Sensoren, die die Temperatur von MAP und TAP messen, erfasst. So kann beispielsweise der Sensor 22° C aufweisen, wobei keine Last aufgebracht ist (oder eine Nennlast, wie beispielsweise das Gewicht eines Roboterwerkzeugs, das am Kraft- / Drehmoment-Sensor befestigt ist). Der Roboter-Kraft-/ Drehmoment-Sensor erfährt dann eine Temperaturänderung, z.B. durch Aufbringen von Wärme bei einem Kalibriervorgang oder durch Betrieb, wenn Elektronik und dergleichen exotherm werden. Ausgaben der Dehnungsmesser und der thermischen Sensoren werden wieder erfasst, nachdem der Sensor der Temperaturänderung unterzogen worden ist (Block 104). Dieser Schritt kann mehrmals wiederholt werden, wenn sich die Temperatur und/oder die Belastung des Sensors ändert. Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer werden berechnet, basierend auf den initialen Ausgaben der Messer / thermischen Sensoren und denselben Ausgaben nach der Temperaturänderung (Block 106). In einer Ausführungsform werden die Koeffizienten basierend auf einem Algorithmus der kleinsten Quadrate berechnet, wobei die Anfangs- und Folgewerte an die erwarteten Ausgaben angepasst werden. Jede Dehnungsmesserausgabe wird dann mit Hilfe der Temperaturkompensationsgleichung temperaturkompensiert (Block 108). In einer Ausführungsform kann die Temperaturkompensationsgleichung die vorstehend mit Bezug auf Tabelle 1 beschriebene sein, wobei quadratische Terme für den Dehnungsmesser-Bias und die Verstärkungs-Temperaturdrift und ein linearer Term für einen MAP-TAP-Temperaturgradienten verwendet werden. In einer Ausführungsform wird nur der MAP-TAP-Temperaturgradient verwendet (d.h. die anderen Koeffizienten sind Null). Die temperaturkompensierten Ausgaben aller Dehnungsmesser werden dann nach bekannten Techniken kombiniert, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen (Block 110). So beschreibt beispielsweise die oben durch Bezugnahme aufgenommene Anmeldung '296 eine solche Kraft- / Drehmomenten-Verarbeitung.
• Das Verfahren 100 kann auf verschiedene Weise ergänzt werden. So können beispielsweise der Bias und die Verstärkung der Dehnungsmesser, unabhängig von der Kraft-/ Drehmoment-Belastung, über die Temperaturdrift genau geschätzt werden, indem die Ausgabe eines Dehnungsmessers erfasst wird, der an einem nicht belasteten Element des Kraft-/ Drehmoment-Sensors befestigt ist. Ein solcher Dehnungsmesser an einem unbelasteten Element wird in der Anmeldung '296 beschrieben, die oben durch Referenz aufgenommen wurde.
• Transiente Temperaturkompensation
• Die Temperaturkompensation gemäß der ersten oben beschriebenen Ausführungsform ist wirksam bei der Kompensation stabiler Temperaturgradienten, wie beispielsweise eines Gradienten zwischen MAP und TAP. Es gibt jedoch eine signifikante Änderung der Dehnungsmesserausgabe während transienter Gradienten. Ein ausgefeilterer Algorithmus kann verwendet werden, um transiente Temperaturgradienten zu kompensieren.
• In einem dehnungsbasierten Kraft- / Drehmoment-Sensor ist es das Ziel der transienten Temperaturkompensation, die Temperatur an jedem beliebigen Punkt in der Sensorstruktur vorherzusagen. Durch die erfolgreiche Vorhersage der Temperaturverteilung in der gesamten Sensorstruktur können die thermisch induzierten Dehnungen auch vorhergesagt und aus den Messsignalen entfernt werden, um die Empfindlichkeit eines Kraft- / Drehmoment-Sensors für alle Temperaturgradienten zu beseitigen, unabhängig davon, ob sie stationär oder zeitabhängig sind.
• Aus einer differenzierten Perspektive betrachtet (ähnlich wie bei der Finite-Elemente-Analyse, bei der das Kraft- / Drehmoment-Sensorelement in viele kleinere Elemente zerlegt wird), ist jedes Element eines Kraft- / Drehmoment-Sensors Teil einer thermischen Schaltung. Jedes Element verursacht auch eine fehlerhafte Signalausgabe in den Messwerten des Kraft-/ Drehmoment-Sensors, wenn sich dieses einzelne Element aufgrund thermischer Effekte ausdehnt oder zusammenzieht. In Matrixform betrachtet, kann davon ausgegangen werden, dass es eine Matrix von Temperaturänderungen vom letzten Bias-Punkt des Kraft- / Drehmoment-Sensors gibt, an welchem für jedes Element eine Temperatur aufgezeichnet wird. Dies wird im Folgenden als Temperaturmatrix bezeichnet. Es gibt auch eine Matrix von Empfindlichkeiten, welche die Änderung der Ausgabe des Kraft- / Drehmoment-Sensors in Bezug auf die Temperatur jedes Elements beschreiben, die hierin als Temperaturempfindlichkeitsmatrix bezeichnet wird. Diese Matrizen können wie folgt kombiniert werden, was als Gleichung (4) bezeichnet wird: $$\begin{array}{l}\left[Tem{p}_1\dots Tem{p}_n\right]\times \left\{\begin{array}{ccc}EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\end{array}\right\}\\ =\left[Messerausgabe1\cdots Messerausgabem\right]\end{array}$$

  
• Dies gilt für jeden dehnungsbasierten Sensor, über welchem thermische Gradienten existieren. Während es unpraktisch ist, jede Temperatur in einem physikalischen Sensor zu messen, um genau diese Mathematik durchzuführen, ist es sinnvoll, einen Sensor für die folgenden Überlegungen zu konstruieren.
• Ein Wärmestrom wird durch Isolation oder Isolierung gelenkt, so dass seine überwiegende Wirkung auf einer begrenzten Anzahl von Wegen erzeugt wird. Wenn der Wärmestrom nicht entlang bestimmter Wege geleitet wird, werden die zulässigen Wege zu Bereichen des Sensorelements geleitet, die eine geringe Empfindlichkeit der relevanten Messer gegenüber Temperaturänderungen aufweisen.
• Der Sensor kann als eine endliche Anzahl von Elementen approximiert werden, wobei jedes Element eine konstante Temperatur und eine einzige Empfindlichkeit der Messer bezüglich der Temperatur in diesem Element aufweist.
• Der Wärmestrom durch den Sensor wird durch die Wärmegleichung geregelt. $$\frac{\partial u}{\partial t}=\propto {\nabla }^{2}u$$

  

  wobei u die Temperatur als Funktion von Position und Zeit, t die Zeit, x die Position und alpha die Temperaturleitfähigkeit des Materials ist. Oder, einfacher, in einer 1-D-Approximation: $$\frac{\partial u}{\partial t}=\propto \frac{{\partial }^{2}u}{\partial x^2}$$

  
• Die Gleichung (6) kann für ein differenzielles Element mit einer ausreichend kleinen Breite h wie folgt vereinfacht werden (dies ist die zentrale Annäherung 2. Ordnung an die zweite Ableitung der Temperaturverteilung; andere Annäherungen können stattdessen verwendet werden): $$\mathrm{\Delta }u=\propto \left(\frac{u\left(x+h\right)-2u\left(x\right)+u\left(x-h\right)}{h^2}\right)\mathrm{\Delta }t$$

  
• Es ist zu erkennen, dass im stationären Zustand $\left(\frac{\partial u}{\partial t}=0\right)$

  

  die zweite Ableitung der Temperatur in Bezug auf die Position Null sein muss (unter der Annahme, dass keine Konvektion, Strahlung oder innere Wärmeentwicklung stattfindet), was wiederum bedeutet, dass die Temperaturverteilung einfach eine gerade Linie über dem thermischen Widerstand des Kraft- / Drehmoment-Sensors ist.
• Unter Verwendung dieser beiden Überlegungen - Gleichung (7) und der stationären Verteilung - ist es möglich, die Temperatur an jedem beliebigen Punkt in einem Kraft- / Drehmoment-Sensor jederzeit zu bestimmen und so fehlerhafte Messsignale, die durch Temperaturunterschiede über dem Kraft- / Drehmoment-Sensor erzeugt werden, auszugleichen.
• In einer Ausführungsform ist ein einzelner Temperatursensor an beiden Enden eines Kraft- / Drehmoment-Sensors positioniert. Der Sensor ist bei einem bekannten stationären Zustand „vorgespannt“ bzw. „biased“, so dass gemäß dem vorstehend beschriebenen stationären Verhalten zu diesem einen Zeitpunkt die thermische Verteilung über dem gesamten Kraft- /Drehmoment-Sensor bekannt ist, da alle Punkte zwischen den beiden Temperatursensoren lediglich eine Linie zwischen den beiden gemessenen Temperaturen sind. Dieser Bias-Punkt kann verwendet werden, um n virtuelle Temperatursensoren mit genauen Starttemperaturen zu initialisieren. Von dort aus können stationäre Annahmen vernachlässigt werden, da der Wärmefluss durch den Sensor durch die Wärmegleichung bestimmt wird, die zur Laufzeit mit Gleichung (7) approximiert werden kann. Mit Hilfe der Gleichung (7) kann die Wärmeausbreitung durch den Kraft- / Drehmoment-Sensor simuliert werden und sollte der tatsächlichen Temperaturverteilung im gesamten Kraft- / Drehmoment-Sensor entsprechen, soweit die Annahmen über den Kraft- / Drehmoment-Sensor richtig sind. Die Temperaturverteilung über den Kraft- / Drehmoment-Sensor kann dann jederzeit von dem anfänglichen Bias-Punkt genau vorhergesagt und zur Signalkompensation verwendet werden. Diese Gleichung kann auch pro Sensor kalibriert werden, um Variationen der Temperaturleitfähigkeit des Materials sowie der effektiven Länge der Elemente oder beobachtete Wärmeverluste oder Ergänzungen durch Konvektion, Strahlung oder innere Wärmeentwicklung zu berücksichtigen.
• Ist die Temperaturverteilung über die gesamte Struktur zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt, lassen sich die vom Kraft- / Drehmoment-Sensor beobachteten Messereffekte einfach von den Ausgaben des Sensors nach Gleichung (4) abziehen.
• Darüber hinaus kann mit diesem Verfahren die Temperatur der Messer vorhergesagt und Änderungen des Messerverhaltens durch Temperatureinflüsse aufgehoben werden.
• Änderungen der Wärmegleichung, die Konvektion, Strahlung und innere Wärmeentwicklung berücksichtigen, sind leicht verfügbar. Der Fachmann kann diese Änderungen bei diesem Kompensationsverfahren leicht nutzen, um genauere Ergebnisse zu liefern, wenn man die Lehren aus der vorliegenden Offenbarung voraussetzt.
• Bei diesem Verfahren kann eine beliebige Anzahl von Temperatursensoren verwendet werden, um Wärmewege zu charakterisieren, die nicht unbedingt eindimensional sein müssen, oder um Korrekturen an der 1-D-Simulation vorzunehmen.
• Obwohl hier rein lineare Gleichungen beschrieben werden, ist es möglich, Änderungen des E-Moduls, des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Temperaturleitfähigkeit und anderer Eigenschaften über der Temperatur mit zusätzlichen linearen Termen oder mit dem Hinzufügen nichtlinearer Terme zu berücksichtigen. Eine solche Modifikation liegt weit unter der Fähigkeit des Fachmanns, ohne übermäßiges Experimentieren, angesichts der hier beschriebenen Lehren.
• Gemäß dieser Ausführungsform der Temperaturkompensation wird eine Annäherung der Wärmegleichung verwendet, um die Gesamttemperaturverteilung in einem Kraft- / Drehmoment-Sensor mit einem begrenzten Eingangsdatensatz vorherzusagen; die abgeleiteten Daten werden anschließend zusätzlich zu den Messdaten verwendet, um einen Kraft- / Drehmoment-Sensor mit einer Regressionstechnik, wie z.B. linearen kleinsten Quadraten, zu kalibrieren, so dass die Kraft- / Drehmoment -Sensorausgabe über Temperaturänderungen, ob stationär oder transient, stabil bleibt.
• Die Temperatursensoren müssen so platziert werden, dass sie eine Temperaturänderung beobachten, bevor die Temperaturänderung eine Änderung der Ausgabe des Kraft- / Drehmoment-Sensors verursacht, da sonst nicht alle thermischen Effekte kompensiert werden können.
• Als Beispiel wird ein Kraft- / Drehmoment-Sensor mit zwei Dehnungsmessern und drei virtuellen Temperatursensoren angenommen: $$\left[{\text{G}}_{\text{0}}{\text{ G}}_1\right]=\text{G}$$

  

  $$\left[{\text{T}}_{\text{v0}}{\text{ T}}_{\text{v1}}{\text{ T}}_{\text{v2}}\right]={\text{T}}_{\text{v}}$$

  
• Wenn T_v0 die Temperatur von G₀ ist und ein Isttemperatursensor T₂ (unabhängig von den drei virtuellen Temperatursensoren) der Temperatur von G₁ entspricht, dann sind die Kompensationsgleichungen (2) für die beiden Messgeräte: $$\begin{array}{l}{\text{G}}_0={\text{C}}_0{\text{G}}_0+{\text{C}}_1{\text{T}}_{\text{v}0}+{\text{C}}_2{\text{T}}_{\text{v}0}{}^2+{\text{C}}_3{\text{G}}_0{\text{T}}_{\text{v}0}+{\text{C}}_4{\text{G}}_0{\text{T}}_{\text{v}0}{}^2+{\text{C}}_5\left({\text{T}}_{\text{MAP}}-{\text{T}}_{\text{TAP}}\right)+{\text{C}}_6+{\text{C}}_7{\text{T}}_{\text{v0}}+{\text{C}}_8{\text{T}}_{\text{v}1}+\\ {\text{C}}_{\text{9}}{\text{T}}_{\text{v2}}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{G}}_1={\text{C}}_{10}{\text{G}}_1+{\text{C}}_{11}{\text{T}}_2+{\text{C}}_{12}{\text{T}}_{22}+{\text{C}}_{13}{\text{G}}_1{\text{T}}_{\text{2}}+{\text{C}}_{14}{\text{G}}_1{\text{T}}_{\text{22}}+{\text{C}}_{15}\left({\text{T}}_{\text{MAP}}-{\text{T}}_{\text{TAP}}\right)+{\text{C}}_{16}+{\text{C}}_{17}{\text{T}}_{\text{2}}+{\text{C}}_{18}{\text{T}}_2+\\ {\text{C}}_{\text{19}}{\text{T}}_{\text{2}}\end{array}$$

  
• Die letzten drei Terme in jeder Kalibrierungsgleichung stellen die Subtraktion der transienten Effekte gemäß Gleichung (4) dar (man beachte, dass in der Gleichung für G₀ die Terme C₁T_v0 und C₇T_v0 redundant sind).
• Daher ist eine modifizierte Version der Kompensationsgleichung (2), die transiente Temperaturen berücksichtigt,: $${\text{G}}_{\text{n-comp}}={\text{C}}_0{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2{\text{Tn}}_2+{\text{C}}_3{\text{G}}_{\text{n}}{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4{\text{GnT}}_{\text{n2}}+{\text{C}}_5\left({\text{T}}_{\text{MAP}}-{\text{T}}_{\text{TAP}}\right)+{\text{C}}_{6}1+{\text{G}}_{\text{n-transient}}$$

  

  wobei der letzte Term Gn-transient eine Matrix von Kompensationstermen für die virtuellen Temperatursensoren ist, abgeleitet aus Gleichung (4). Eine weitere Möglichkeit, Gleichung (8) auszudrücken, ist also: $$\begin{array}{l}{\text{G}}_{\text{n-comp}}={\text{C}}_0{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2{\text{T}}_{\text{n2}}+{\text{C}}_3{\text{G}}_{\text{n}}{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4{\text{G}}_{\text{n}}{\text{T}}_{\text{n2}}+{\text{C}}_5\left({\text{T}}_{\text{MAP}}-{\text{T}}_{\text{TAP}}\right)+{\text{C}}_{61}+{\text{C}}_7{\text{T}}_{\text{v0}}+\dots +\\ {\text{C}}_{\text{m}+\text{7}}{\text{T}}_{\text{vm}}\end{array}$$

  

  wobei m die Anzahl der virtuellen Temperatursensoren ist, die durch das Wärmegleichungsmodell simuliert werden.
• Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten zahlreiche Vorteile gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensoren. Durch die Temperaturkompensation können die schädlichen Auswirkungen von Temperaturänderungen, wie Änderungen des Widerstands und der Verstärkung eines Dehnungsmessers, gemildert werden. In einigen Ausführungsformen ermöglicht dies den Einsatz von Silizium-Dehnungsmessern, die sich gut für die robotergestützte Kraft-Drehmoment-Sensorik eignen, aber erhebliche temperaturbedingte Fehler aufweisen. Bei einigen Kraft- / Drehmoment-Sensoren sind nur zwei Thermosensoren erforderlich, da die Kompensation nur des MAP-TAP-Thermogradienten gute Ergebnisse liefert. In anderen Anwendungen bieten Temperatursensoren, die in der Nähe von Dehnungsmessern platziert sind, zusätzliche Kompensationsterme, um thermische Effekte aus den bestimmten Kraft- / Drehmoment-Messungen genauer zu entfernen.
• Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch auf andere Weisen als die hierin ausdrücklich beschriebenen durchgeführt 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 aufgenommen 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 2017/0205296 [0051]

Claims (40)

1. Temperaturkompensiertes Verfahren zum Betreiben eines Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensors, welcher eine Werkzeugadapterplatte (12), welche betriebsfähig ist, um mit einem ersten Objekt verbunden zu werden, und eine Montageadapterplatte (14), welche betriebsfähig ist, um mit einem zweiten Objekt verbunden zu werden, aufweist, wobei der Kraft- / Drehmoment-Sensor betriebsfähig ist, um die Richtung und die Größe einer Kraft und eines Drehmoments zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu messen, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen (102) von initialen Ausgaben von Dehnungsmessern, welche an mehreren Elementen befestigt sind, die die Montageadapterplatte (14) und die Werkzeugadapterplatte (12) verbinden, und von thermischen Sensoren, welche die Temperatur der Montageadapterplatte (14) und der Werkzeugadapterplatte (12) messen, bei einer bestimmten Belastung und Temperatur; Erfassen (104) von Ausgaben der Dehnungsmesser und der thermischen Sensoren, nachdem der Sensor eine Temperaturänderung erfahren hat; Berechnen (106) von Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer abhängig von den initialen Ausgaben und den Ausgaben nach der Temperaturänderung; Kompensieren (108) von jeder Dehnungsmesser-Ausgabe mittels der Temperaturkompensationsgleichung; und Kombinieren (110) der temperaturkompensierten Ausgaben von allen Dehnungsmessern, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die thermischen Sensoren einen thermischen Gradienten zwischen der Montageadapterplatte (14) und der Werkzeugadapterplatte (12) des Roboter-Kraft-/ Drehmoment-Sensors messen; und die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer einen Term aufweist, welcher den thermischen Gradienten zwischen der Werkzeugadapterplatte (12) und der Montageadapterplatte (14) repräsentiert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Term des thermischen Gradienten zwischen der Montageadapterplatte (14) und der Werkzeugadapterplatte (12) linear ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer Terme aufweist, welche die Temperatur von jedem Dehnungsmesser repräsentieren.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Roboter-Kraft-/ Drehmoment-Sensor darüber hinaus thermische Sensoren in der Nähe von einem oder von mehreren Dehnungsmessern aufweist, und wobei die thermischen Sensoren die Temperatur von jedem Dehnungsmesser anzeigen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsmesser in einer Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltungstopologie verbunden sind, und wobei die Temperaturen der Dehnungsmesser in jeder Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung von der Beziehung von Strom und Spannung bei dieser Brückenschaltung abgeleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mittlere Temperatur der Dehnungsmesser in einer Brücken-Schaltung bestimmt wird durch: $${\text{Temp}}_{\text{avg}}=\text{C0}*\text{V}+\text{C1}*{\text{V}}^2+\text{C2}*{\text{V}}^3+\text{C3}*\text{I}+\text{C4}*{\text{I}}^2+\text{C5}*\text{V}*\text{I}+\text{C6}*\text{V}*{\text{I}}^2+\text{C7}\text{,}$$

   

   wobei V die Spannungsausgabe der Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung ist, und wobei I der Strom durch die Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer Terme aufweist, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Terme in der Temperaturkompensationsgleichung pro Messer, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren, linear sind.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Terme in der Temperaturkompensationsgleichung pro Messer, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren, quadratisch sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer $$\begin{array}{l}{\text{G}}_{\text{n-kompensiert}}={\text{C}}_0*{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_3*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_5*({\text{T}}_{\text{MAP}}-\\ {\text{T}}_{\text{TAP}})+{\text{C}}_6*1\end{array}$$

    

    ist, wobei G_n der Messer-Messwert ist, T_n die Temperatur des Messers ist, T_MAP die Temperatur der Montageadapterplatte (14) ist, und T_TAP die Temperatur der Werkzeugadapterplatte (12) ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnen (106) der Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer abhängig von den initialen Ausgaben und den Ausgaben, nachdem der Sensor eine Temperaturänderung erfahren hat, ein Berechnen der Koeffizienten mittels einer Fehlerquadratmethode umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, darüber hinaus umfassend: Erfassen von Ausgaben von einem Dehnungsmesser und einem zugehörigen thermischen Sensor, welche auf einem unbelasteten Sensorelement montiert sind; und Verwenden der unbelasteten Ausgaben, um Ausgaben des Dehnungsmessers über der Temperatur nachzuführen, unabhängig von einer Belastung.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsmesser Silicium-Messer sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Sensoren Thermistoren sind.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer darüber hinaus eine Matrix von Termen aufweist, welche virtuellen Temperatursensoren zugeordnet sind, die transiente Temperaturen berücksichtigen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Matrix von Termen, welche virtuellen Temperatursensoren zugeordnet sind, umfasst: $$\begin{array}{l}\left[Tem{p}_1\dots Tem{p}_n\right]\times \left\{\begin{array}{ccc}EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\end{array}\right\}\\ =\left[Messerausgabe1\cdots Messerausgabem\right]\end{array}$$

    
18. Temperaturkompensierter Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor umfassend: eine Werkzeugadapterplatte (12), welche betriebsfähig ist, um mit einem ersten Objekt verbunden zu werden; eine Montageadapterplatte (14), welche betriebsfähig ist, um mit einem zweiten Objekt verbunden zu werden; zwei oder mehrere verformbare Träger, welche die Werkzeugadapterplatte (12) mit der Montageadapterplatte (14) verbinden; mindestens einen Dehnungsmesser, welcher an mindestens einer Seite von jedem Träger befestigt ist, wobei die Dehnungsmesser betriebsfähig sind, um Zug- und Druck-Kräfte auf einer Oberfläche einer Seite eines Trägers, welche durch eine Verformung des Trägers verursacht werden, in elektrische Signale zu wandeln; einen ersten thermischen Sensor, welcher an der Werkzeugadapterplatte (12) befestigt ist; einen zweiten thermischen Sensor, welcher an der Montageadapterplatte (14) befestigt ist; und eine Messschaltung, welche betriebsfähig ist, um abhängig von den elektrischen Signalen von allen Dehnungsmessern und von Temperaturausgaben von allen thermischen Sensoren die temperaturkompensierte Richtung und Größe einer Kraft und eines Drehmoments zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu messen.
19. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 18, darüber hinaus einen thermischen Sensor umfassend, welcher in der Nähe jedes Dehnungsmessers befestigt ist.
20. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Dehnungsmesser Silicium-Messer sind.
21. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 18-20, wobei die thermischen Sensoren Thermistoren sind.
22. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 18-21, darüber hinaus einen Dehnungsmesser und einen thermischen Sensor umfassend, welche auf einem unbelasteten Sensorelement montiert sind.
23. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 18-22, darüber hinaus eine Schaltung umfassend, welche betriebsfähig ist, um: Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer abhängig von initialen Ausgaben der Dehnungsmesser und der thermischen Sensoren zu berechnen, bevor und nachdem der Kraft- / Drehmoment-Sensor eine Temperaturänderung erfahren hat; jede Dehnungsmesser-Ausgabe mittels der Temperaturkompensationsgleichung zu kompensieren; und die temperaturkompensierten Ausgaben von allen Dehnungsmessern zu kombinieren, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
24. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 23, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer einen Term aufweist, welcher den thermischen Gradienten zwischen der Montageadapterplatte (14) und der Werkzeugadapterplatte (12) repräsentiert.
25. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 24, wobei der Term des thermischen Gradienten zwischen der Montageadapterplatte (14) und der Werkzeugadapterplatte (12) linear ist.
26. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-25, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer Terme aufweist, welche die Temperatur von jedem Dehnungsmesser repräsentieren.
27. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 18-26, wobei der Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor darüber hinaus thermische Sensoren in der Nähe von einem oder von mehreren Dehnungsmessern aufweist, und wobei die thermischen Sensoren die Temperatur von jedem Dehnungsmesser anzeigen.
28. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 18-27, wobei die Dehnungsmesser in einer Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltungstopologie verbunden sind, und wobei die Temperaturen der Dehnungsmesser in jeder Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung von der Beziehung von Strom und Spannung bei dieser Brückenschaltung abgeleitet werden.
29. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 28, wobei die mittlere Temperatur der Dehnungsmesser in einer Brücken-Schaltung bestimmt wird durch: $${\text{TEMP}}_{\text{avg}}=\text{C0}*\text{V}+\text{C1}*{\text{V}}^2+\text{C2}*{\text{V}}^3+\text{C3}*\text{I+C4}*{\text{I}}^2+\text{C5}*\text{V}*\text{I}+\text{C6}*\text{V}*{\text{I}}^2+\text{C7},$$

    

    wobei V die Spannungsausgabe der Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung ist, und wobei I der Strom durch die Halb-Brücken- oder Voll-Brücken-Schaltung ist
30. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-29, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer Terme aufweist, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren.
31. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-30, wobei die Terme in der Temperaturkompensationsgleichung pro Messer, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren, linear sind.
32. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-30, wobei die Terme in der Temperaturkompensationsgleichung pro Messer, welche eine Änderung in einem Widerstand eines Dehnungsmessers über der Temperatur und eine Änderung in einer Verstärkung eines Dehnungsmessers über der Temperatur repräsentieren, quadratisch sind.
33. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-32, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer $$\begin{array}{l}{\text{G}}_{\text{n-kompensiert}}={\text{C}}_0*{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_3*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_5*({\text{T}}_{\text{MAP}}-\\ {\text{T}}_{\text{TAP}})+{\text{C}}_6*1\end{array}$$

    

    ist, wobei G_n der Messer-Messwert ist, T_n die Temperatur des Messers ist, T_MAP die Temperatur der Montageadapterplatte (14) ist, und T_TAP die Temperatur der Werkzeugadapterplatte (12) ist.
34. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach einem der Ansprüche 23-33, wobei die Temperaturkompensationsgleichung pro Messer darüber hinaus eine Matrix von Termen aufweist, welche virtuellen Temperatursensoren zugeordnet sind, die transiente Temperaturen berücksichtigen.
35. Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensor nach Anspruch 34, wobei die Matrix von Termen, welche virtuellen Temperatursensoren zugeordnet sind, umfasst: $$\begin{array}{l}\left[Tem{p}_1\dots Tem{p}_n\right]\times \left\{\begin{array}{ccc}EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\end{array}\right\}\\ =\left[Messerausgabe1\cdots Messerausgabem\right]\end{array}$$

    
36. Temperaturkompensiertes Verfahren zum Betreiben eines Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensors, welcher einen Körper mit mehreren Dehnungsmessern, welche an dem Körper befestigt sind, aufweist und welcher betriebsfähig ist, um die Richtung und die Größe einer Kraft und eines Drehmoments zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt zu messen, welche an dem Kraft- / Drehmoment-Sensor angebracht sind, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von initialen Ausgaben von mehreren thermischen Sensoren, welche an dem Körper befestigt sind, bei ersten bekannten Temperaturen und bei einer bekannten aufgebrachten Belastung; abhängig von den initialen Ausgaben der thermischen Sensoren Modellieren eines Temperaturgradienten über dem Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körper; während des Betriebs Modellieren eines Wärmeflusses durch den Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körper durch eine Wärmegleichung, und Ableiten von Temperaturen von mehreren Punkten auf dem Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körper abhängig von dem modellierten Wärmefluss; Erfassen von Ausgaben der Dehnungsmesser, wenn Belastungen auf den Kraft- / Drehmoment-Sensor aufgebracht werden; und Kompensieren von jeder Dehnungsmesser-Ausgabe bezüglich thermischer Effekte mittels der abgeleiteten Temperaturen der mehreren Punkte auf dem Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körper abhängig von dem modellierten Wärmefluss; und Kombinieren der temperaturkompensierten Ausgaben von allen Dehnungsmessern, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Wärmegleichung ist $$\mathrm{\Delta }u=\propto \left(\frac{u\left(x+h\right)-2u\left(x\right)+u\left(x-h\right)}{h^2}\right)\mathrm{\Delta }t,$$

    

    wobei u eine Temperatur als eine Funktion einer Position und einer Zeit ist; t eine Zeit ist, x eine Position ist, h die Breite eines differenziellen Elements ist, und alpha die Temperaturleitfähigkeit des Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körpers ist.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, wobei das Kompensieren von jeder Dehnungsmesser-Ausgabe bezüglich thermischer Effekte mittels der abgeleiteten Temperaturen von jedem zugeordneten virtuellen thermischen Sensor ein Berechnen für jeden Dehnungsmesser umfasst $$\begin{array}{l}{\text{G}}_{\text{n-kompensiert}}={\text{C}}_0*{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_3*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_5*({\text{T}}_{\text{MAP}}-\\ {\text{T}}_{\text{TAP}})+{\text{C}}_6*1+{\text{G}}_{\text{n-transient}}\end{array}$$

    

    ist, wobei G_n der Messer-Messwert ist, T_n die Temperatur des Messers ist, T_MAP die Temperatur der Montageadapterplatte (14) ist, T_TAP die Temperatur der Werkzeugadapterplatte (12) ist, und Gn-transient eine Matrix von Kompensationstermen ist, welche den mehreren Punkten auf dem Kraft- / Drehmoment-Sensor-Körper zugeordnet sind, abhängig von dem modellierten Wärmefluss ist.
39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Matrix Gn-transient gegeben ist durch: $$\begin{array}{l}\left[Tem{p}_1\dots Tem{p}_n\right]\times \left\{\begin{array}{ccc}EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ EmpfindlichkeitvonMesser1beiTemp1& \cdots & EmpfindlichkeitvonMessermbeiTempn\end{array}\right\}\\ =\left[Messerausgabe1\cdots Messerausgabem\right]\end{array}$$

    
40. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, wobei das Kompensieren von jeder Dehnungsmesserausgabe bezüglich thermischer Effekte mittels der abgeleiteten Temperatur von jedem zugeordneten virtuellen thermischen Sensor ein Berechnen für jeden Dehnungsmesser umfasst $$\begin{array}{l}{\text{G}}_{\text{n-kompensiert}}={\text{C}}_0*{\text{G}}_{\text{n}}+{\text{C}}_1*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_2*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_3*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}+{\text{C}}_4*{\text{G}}_{\text{n}}*{\text{T}}_{\text{n}}{}^2+{\text{C}}_5*({\text{T}}_{\text{MAP}}-\\ {\text{T}}_{\text{TAP}})+{\text{C}}_6*1+{\text{C}}_7{\text{*T}}_{\text{v0}}+\dots +{\text{C}}_{\text{m+7}}*{\text{T}}_{\text{vm}}\end{array}$$

    

    ist, wobei G_n der Messer-Messwert ist, T_n die Temperatur des Messers ist, T_MAP die Temperatur der Montageadapterplatte (14) ist, T_TAP die Temperatur der Werkzeugadapterplatte (12) ist, und m die Anzahl der virtuellen Temperatursensoren ist, welche durch das Wärmegleichungsmodell simuliert werden.

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