DE112022000314T5

DE112022000314T5 - Sensor zur erfassung von verschiebungen, steuervorrichtung und steuersystem

Info

Publication number: DE112022000314T5
Application number: DE112022000314.6T
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Murakami
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2024-02-08
Also published as: JPWO2022163536A1; CN116802026A; TW202231431A; JP7469523B2; WO2022163536A1; US20240019278A1

Abstract

Dieser Sensor zur Erfassung von Verschiebungen ist mit zwei Encodern ausgestattet, die an einem ersten und einem zweiten Glied befestigt sind, die so gekoppelt sind, dass sie sich relativ zu einer bestimmten Achse bewegen können, wobei: die beiden Encoder mit zwei Skalenelementen in unterschiedlichen Abständen von der Achse und zwei Detektoren zum Erfassen von Skalen auf den jeweiligen beiden Skalenelementen versehen sind; sich eine Positionsbeziehung zwischen den Skalenelementen und den Detektoren in Abhängigkeit von einer am distalen Ende des zweiten Glieds aufgenommenen äußeren Kraft ändert, wodurch eine Differenz zwischen den beiden von den beiden Encodern erfassten Skalen erzeugt wird; und die Verschiebung des distalen Endes des zweiten Glieds auf der Grundlage der beiden Skalen erfasst werden kann.

Description

FELD
Die vorliegende Erfindung betrifft die Maschinensteuerung, insbesondere einen Sensor zur Erfassung der Verschiebung einer Maschinenspitze, sowie eine Steuerung und ein Steuerungssystem.
HINTERGRUND
Maschinen wie Industrieroboter und Werkzeugmaschinen bestehen aus einer Vielzahl von Gliedern, die so miteinander verbunden sind, dass sie sich relativ zueinander bewegen können. Bei Anwendungen, bei denen die Bearbeitung durch Anbringen eines Bearbeitungswerkzeugs oder Werkstücks an der Maschinenspitze erfolgt, ändert sich die Position der Maschinenspitze aufgrund der Biegung der Glieder und der Verdrehung der Gliedergelenke, die durch die externen Kräfte verursacht werden, da die Maschinenspitze externen Kräften ausgesetzt ist. Da sich die Verschiebung der Maschinenspitze direkt auf die Bearbeitungsgenauigkeit auswirkt, ist eine Maschine mit einer geringen Verschiebung aufgrund äußerer Kräfte erforderlich. Es ist eine Technologie bekannt, die die Auswirkungen der Verdrehung der Gelenke, des Spiels usw. beseitigt, indem die Position der Ausgangswelle mit einem an der Ausgangswelle des Gelenks angebrachten Encoder gesteuert wird. Bei der Steuerung der Position einer Abtriebswelle mit einem an der Abtriebswelle befestigten Encoder ist es jedoch nicht möglich, auf eine Verschiebung der Maschinenspitze aufgrund einer Biegung der Glieder auf der Seite der Spitze von den Gelenken zu reagieren. Technologien, die mit der vorliegenden Anwendung in Zusammenhang stehen, sind beispielsweise aus der folgenden Literatur bekannt.
Patentliteratur 1 offenbart einen Roboterarm, der einen Hauptarm, der die Hauptlast trägt, einen Unterarm, der ein festes Ende, das an einer Basisseite des Hauptarms befestigt ist, und ein freies Ende, das sich zur Spitzenseite des Hauptarms erstreckt, aufweist, und einen Verschiebungsdetektor umfasst, der an der Seite des freien Endes angebracht ist und der eine durch die Last verursachte Durchbiegung des Hauptarms erfasst, wobei die Spitze des Arms durch Korrektur der Durchbiegung unter Verwendung eines Verschiebungsdetektors positioniert wird.
In der Patentliteratur 2 wird ein Knickarmroboter beschrieben, bei dem zusätzlich zu einem Drehwinkeldetektor eines Elektromotors, der rotierende Arme antreibt, an jedem Gelenk entweder direkt oder über ein geschwindigkeitssteigerndes Getriebe Winkeldetektoren zur Erfassung des tatsächlichen Winkels zwischen den rotierenden Armen angebracht sind.
In der Patentliteratur 3 wird eine Kodiervorrichtung beschrieben, die zwei Encoder umfasst, wobei eine erste Skala, die an einer ersten Welle befestigt ist, und eine zweite Skala, die an einer zweiten Welle befestigt ist, nebeneinander angeordnet sind, und die zweite Skala einen lichtdurchlässigen Teil zur Erfassung der ersten Skala umfasst.
[ZITIERLISTE]
[PATENTLITERATUR]

[PTL 1] JP 1986(S61)-125786 A
[PTL 2] JP 1989(S64)-045592 A
[PTL 3] JP 2016-003947 A

ZUSAMMENFASSUNG
[TECHNISCHES PROBLEM]
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund der Probleme des Standes der Technik konzipiert und hat zum Ziel, eine Technologie zur genauen Erfassung der Verschiebung einer Maschinenspitze bereitzustellen.
(LÖSUNG DES PROBLEMS)
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Sensor zur Erfassung einer Verschiebung bereit, der zwei Encoder umfasst, die an einem ersten Glied und einem zweiten Glied angebracht sind, die so verbunden sind, dass sie sich relativ zueinander in Bezug auf eine vorbestimmte Achse bewegen können, wobei die beiden Encoder zwei Skalenelemente mit unterschiedlichen Abständen von der Achse umfassen, und zwei Detektoren zum Erfassen jeweiliger Skalen der beiden Skalenelemente umfassen, und sich die Positionsbeziehungen zwischen den Skalenelementen und den Detektoren in Abhängigkeit von einer externen Kraft, die von einer Spitze des zweiten Glieds aufgenommen wird, ändern, was eine Differenz zwischen den beiden Skalen verursacht, die von den beiden Encodern erfasst werden, wodurch eine Verschiebung der Spitze des zweiten Glieds auf der Grundlage der beiden Skalen erfasst werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht eine Steuerung vor, die eine Maschine steuert, die eine Vielzahl von Gliedern umfasst, an denen der oben beschriebene Sensor zur Erfassung einer Verschiebung angebracht ist, und die eine Betriebsbefehlserzeugungseinheit umfasst, die Betriebsbefehle für die Maschine auf der Grundlage einer Korrektur in Abhängigkeit von der Verschiebung der jeweiligen Spitzen der Vielzahl von Gliedern erzeugt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Steuersystem vor, das den oben beschriebenen Sensor zur Erfassung einer Verschiebung, eine Maschine, die eine Vielzahl von Gliedern umfasst, an denen der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung angebracht ist, und eine Steuerung zum Steuern der Maschine umfasst, wobei die Steuerung eine Betriebsbefehlserzeugungseinheit umfasst, die Betriebsbefehle für die Maschine auf der Grundlage eines Korrekturbetrags in Abhängigkeit von der Verschiebung der jeweiligen Spitzen der Vielzahl von Gliedern erzeugt.
[VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG]
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Verschiebung einer Maschinenspitze genauer erfasst werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht auf eine Maschine, die einen Sensor zur Erfassung von Verschiebungen einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Maschine, die den Sensor zur Erfassung einer Verschiebung der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Seitenansicht einer Maschine, die den Sensor zur Erfassung einer Verschiebung der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 3 gezeigten Sensor zur Erfassung einer Verschiebungs.
5 ist ein geometrisches Diagramm, das ein Beispiel für die Berechnung der Verschiebung der Verbindungsspitze zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems der ersten Ausführungsform.
7 ist eine Seitenansicht einer Maschine, die einen Sensor zur Erfassung einer Verschiebung einer zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein geometrisches Diagramm, das ein Berechnungsbeispiel für die Verschiebung der Verbindungsspitze zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Bestandteile mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Darüber hinaus schränken die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen den technischen Umfang der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung oder die Definitionen der Begriffe nicht ein.
1 und 2 sind eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Maschine 10, die einen Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 einer ersten Ausführungsform zeigt. Bei der Maschine 10 handelt es sich zum Beispiel um eine Maschine wie einen Industrieroboter oder eine Werkzeugmaschine. Die Maschine 10 umfasst ein erstes Glied 11 und ein zweites Glied 12, die so miteinander verbunden sind, dass sie sich relativ zueinander um eine Achse O bewegen können. An dem ersten Glied 11 und dem zweiten Glied 12 ist ein Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 angebracht. Das erste Glied 11 und das zweite Glied 12 sind drehbar miteinander verbunden, beispielsweise um die Achse O. Das zweite Glied 12 wird durch einen Aktuator angetrieben. Der Antrieb besteht beispielsweise aus einem Motor 13 und einem Untersetzungsgetriebe 14. Der Antrieb kann aus einem Direktmotor ohne Untersetzungsgetriebe bestehen.
Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 besteht aus zwei Encodern 21, 22, die an dem ersten Glied 11 und dem zweiten Glied 12 angebracht sind. Bei den beiden Encodern 21, 22 handelt es sich beispielsweise um Drehgeber, die relative Winkel zwischen dem ersten Glied 11 und dem zweiten Glied 12 erfassen. Die beiden Encoder 21, 22 sind beispielsweise optische Encoder, können aber auch andere Arten von Encodern sein, wie z. B. magnetische Encoder. Die beiden Encoder 21, 22 umfassen zwei Skalenelemente 21a, 22a mit unterschiedlichen Abständen von der Achse O zur Erfassungsposition sowie Detektoren 21b, 22b zur Erfassung der Skalen der beiden Skalenelemente 21a, 22a. Die beiden Skalenelemente 21a, 22a sind beispielsweise zwei ringförmige Elemente mit unterschiedlichen Durchmessern, die auf konzentrischen Kreisen um die Achse O angeordnet sind. Die beiden Detektoren 21b, 22b sind an Positionen angeordnet, die den beiden Skalenelementen 21a, 22a gegenüberliegen.
Vorzugsweise umfasst der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 ferner ein Basiselement 23, das die beiden Detektoren 21b, 22b trägt. Das Basiselement 23 ist beispielsweise ein stabförmiges Element und umfasst ein festes Ende 23a, das an der Spitze des zweiten Glieds 12 befestigt ist, und ein freies Ende 23b, das an der Verbindung des ersten Glieds 11 und des zweiten Glieds 12 angeordnet ist und nicht eingespannt ist. Die Detektoren 21b, 22b sind an dem freien Ende 23b des Basisteils 23 befestigt, und die Skalenelemente 21a, 22a sind an dem ersten Glied 11 befestigt. Infolgedessen ändert sich die Positionsbeziehung zwischen den Skalenelementen 21a, 22a und den Detektoren 21b, 22b in Abhängigkeit von der äußeren Kraft, die von der Spitze des zweiten Glieds 12 aufgenommen wird, was zu einer Differenz zwischen den beiden Skalen führt, die von den beiden Encodern 21, 22 erfasst werden.
3 ist eine Seitenansicht der Maschine 10, die den Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 der ersten Ausführungsform zeigt. In dieser Zeichnung ist das zweite Glied 12 vor der Aufnahme der äußeren Kraft mit einer doppelt gestrichelten Linie dargestellt, und das zweite Glied 12, das sich unter der äußeren Kraft gebogen hat, ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Wenn die Spitze des zweiten Glieds 12 eine äußere Kraft erfährt, wie durch den Pfeil angezeigt, bewegt sich die Spitze des zweiten Glieds 12 (das feste Ende 23a des Basiselements 23) aufgrund der Biegung des zweiten Glieds 12, der Verdrehung des Gliedgelenks usw. von Position A zu Position B. Konkret wird die Spitze des zweiten Glieds 12 um δ verschoben. Obwohl das feste Ende 23a des Basiselements 23 an der Spitze des zweiten Glieds 12 befestigt ist, verformt sich das Basiselement 23 selbst nicht (d. h., es verbiegt sich nicht), da das freie Ende 23b nicht eingespannt ist. Somit ändert sich die Positionsbeziehung zwischen den Detektoren 21b, 22b und den Skalenelementen 21a, 22a um den Betrag der Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds 12, was zu einer Differenz zwischen den beiden Skalen führt, die von den beiden Encodern 21, 22 erfasst werden.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 3 gezeigten Sensors zur Erfassung einer Verschiebung 20. Die Positionsbeziehung zwischen den Detektoren 21b, 22b und den Skalenelementen 21a, 22a ändert sich in Abhängigkeit von der Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds 12, und es entsteht eine Differenz zwischen den beiden Skalen, die von den beiden Encodern 21, 22 erfasst werden, d. h. die beiden Winkel θ1, θ2. Bei den beiden Winkeln θ1, θ2 handelt es sich um die Winkeländerungen vor und nach der Einwirkung der externen Kraft. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds 12 anhand der beiden Winkel θ1, θ2 erkennen.
Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 kann ferner eine Einheit zur Berechnung der Verschiebung (nicht dargestellt) umfassen, die die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds 12 auf der Grundlage der beiden Winkel θ1, θ2 sowie zweier unterschiedlicher Abstände r1, r2 von der Achse O zu den Erfassungspositionen C, D (oder C', D') der beiden Skalenelemente 21a, 22a (siehe 4), und der Abstand L von der Spitze des zweiten Glieds 12 (dem festen Ende 23a des Basisteils 23) zur Erfassungsposition C des Skalenelements 22a (siehe 3). Da r1, r2 die Radien der Skalenelemente 21a bzw. 22a sind und L der Abstand vom festen Ende 23a des Basiselements 23 vor dem Aufbringen der äußeren Kraft zur Erfassungsposition C des Skalenelements 22a ist, sind r1, r2 und L bekannte Werte. Obwohl nicht dargestellt, handelt es sich bei der Wegberechnungseinheit beispielsweise um eine Computervorrichtung mit einem Prozessor zur Ausführung von Programmen, einem Speicher, einer Eingabe-/Ausgabeeinheit usw., und sie kann aus einem integrierten Halbleiterschaltkreis wie einem FPGA (Field-Programmable Gate Array) oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) bestehen, der keine Programme ausführt.
5 ist ein geometrisches Diagramm, das ein Beispiel für die Berechnung der Verschiebung δ der Gelenkspitze zeigt. Zunächst speichert der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 die bekannten Werte r1, r2, L und die Skalen der beiden Encoder 21, 22 vor dem Aufbringen der externen Kraft in einem Speicher. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 erfasst dann die beiden Winkelθ 1,θ 2 durch Erfassung der Skalen der beiden Encoder 21, 22 nach dem Aufbringen der äußeren Kraft.
In 5, wenn ein Liniensegment EF, das parallel zu dem Liniensegment AC ist, das die Position A (die Position des festen Endes des Basiselements) der Spitze des zweiten Glieds vor dem Aufbringen der äußeren Kraft und die Erfassungsposition C des Skalenelements verbindet und das durch die Erfassungsposition C' des Skalenelements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft verläuft, gezogen wird, eine senkrechte Linie BE von der Position B des festen Endes des Basiselements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft zu dem Liniensegment EF gezogen wird, der Schnittpunkt des Liniensegments AC und der senkrechten Linie BE als G definiert ist, die Länge des Liniensegments EG als L2 definiert ist und die Länge der senkrechten Linie BE als L3 definiert ist, kann die Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds durch die folgende Formel ausgedrückt werden. $δ = L 3 - L 2$
Wenn der Winkel ∠BC'E des Basiselements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft alsβ definiert ist und die Länge der Seite BC' von der Position B des festen Endes des Basiselements zur Erfassungsposition C' des Skalenelements als L' definiert ist, kann L3 durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$L 3 = L' \times sin β$
Da sich der Abstand zwischen dem Skalenelement und dem Detektor nach dem Aufbringen der äußeren Kraft geringfügig ändert, wird die Länge L' der Seite BC' als L'= L +ΔL definiert. Da ΔL hinreichend kleiner als L ist, kann sie näherungsweise als L'= L angegeben werden.
$L 3 = L \times sin β$
Da L2 gleich der Länge der Seite C'H ist, die eine Senkrechte von der Erfassungsposition C' des Skalenelements zum Liniensegment AO bildet, kann sie durch die folgende Formel aus dem Winkel θ2 und dem Radius r2 des Skalenelements ausgedrückt werden.
$L 2 = r 2 \times sin θ 2$
Wennβ , das kein bekannter Wert ist, anhand der Formeln 3 und 4 bestimmt wird, kann die Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds ermittelt werden. Wenn ∠D'C'Oα ist, kannβ durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$β = α - θ 2$
Wennα, das kein bekannter Wert ist, anhand von Formel 5 bestimmt wird, kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds ermittelt werden. Wenn man sich aufΔ OC'D' konzentriert und die Länge der Seite C'D' als L1 definiert, kann α durch die folgende Formel aus dem Kosinusgesetz ausgedrückt werden. $α = acos (\frac{L 1^{2} + r 2^{2} - r 1^{2}}{2 \times L 1 \times r 2})$
Wenn L1, das kein bekannter Wert ist, aus Formel 6 bestimmt wird, kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds bestimmt werden. Da die Länge der Seite OD' r1 ist, die Länge der Seite OC' r2 ist und der Winkel ∠C'OD' zwischen diesen beiden Seiten die Differenz zwischen den beiden Winkeln θ1, θ2 ist, kann L1 durch die folgende Formel aus dem Kosinusgesetz ausgedrückt werden: ΔOC'D'.
$L 1 = \sqrt{r 1^{2} + r 2^{2} - 2 \times r 1 \times r 2 \times cos (θ 1 - θ 2)}$
Da r1, r2, θ1 und θ2 bekannt sind, kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds bestimmt werden.
Bei der Korrektur der Verschiebung δ der Spitze des zweiten Gliedes ist es notwendig, das zweite Glied um die Achse O von der Position B zur Position A zu drehen. Wenn dieser Drehwinkel als Korrekturbetrag ε definiert ist, kann die Einheit zur Berechnung der Verschiebung weiterhin den Korrekturbetrag ε zur Korrektur der Verschiebung δ der Spitze des zweiten Gliedes berechnen. Der Korrekturbetrag ε kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$ε = atan (\frac{δ}{Side GO})$
Die Seite GO ist die Summe aus der Seite EC' und der Seite CF. Mit Blick auf ΔBCE kann die Seite EC' durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$Side E C' = L \times cos β$
Unter ΔC'OF kann die Seite C'F durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$Side C' F = r 2 \times cos θ 2$
Der Korrekturbetrag ε kann nach den Formeln 9 und 10 berechnet werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems 1 der ersten Ausführungsform. Das Steuerungssystem 1 umfasst Sensoren zur Erfassung von Verschiebungen 20, die Maschine 10 mit einer Vielzahl von Gliedern, an denen die Sensoren zur Erfassung von Verschiebungen 20 angebracht sind, und eine Steuerung 30 zur Steuerung der Maschine 10. Bei der Maschine 10 handelt es sich zum Beispiel um einen vertikalen Knickarmroboter. Die Maschine 10 umfasst einen Motor 13 und einen Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 an jedem Gelenk der Vielzahl von Gliedern. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 ist z. B. ein Dreh-Encoder. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 ermöglicht die Erkennung der Verschiebung δ jeder Spitze der Vielzahl von Gliedern. Wenn die Verschiebung δ jeder Spitze der Vielzahl von Gliedern korrigiert wird, kann die Verschiebung der Spitze der Maschine 10 korrigiert werden.
Die Steuerung 30 umfasst eine Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen 33, die Betriebsbefehle für die Maschine 10 in Übereinstimmung mit einem Lernprogramm erzeugt. Die Betriebsbefehle für die Maschine 10 umfassen zum Beispiel Positionsbefehle, Geschwindigkeitsbefehle und Drehmomentbefehle für den Motor 13. Die Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen 33 erzeugt Betriebsbefehle für die Maschine 10 auf der Grundlage des Korrekturbetrags ε in Übereinstimmung mit der Verschiebung δ jeder Spitze der Vielzahl von Gliedern. Die Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen 33 besteht beispielsweise aus einem Controller zur Steuerung des Motors 13, einem Verstärker usw.
Die Steuereinheit 30 kann ferner einen Speicher 31 umfassen, der θ1, θ2, r1, r2 und L speichert, sowie eine Einheit zur Berechnung der Verschiebung 32, die die Verschiebung δ jeder Spitze der Vielzahl von Gliedern auf der Grundlage von θ1, θ2, r1, r2 und L berechnet. Die Einheit zur Berechnung der Verschiebung 32 ist beispielsweise eine Computervorrichtung, die einen Prozessor, einen Speicher, eine Eingabe/Ausgabeeinheit usw. umfasst, zur Ausführung von Programmen, und kann aus einer integrierten Halbleiterschaltung wie einem FPGA (Field-Programmable Gate Array) oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) bestehen, der keine Programme ausführt. Wenn die Steuereinheit 30 die Einheit zur Berechnung der Verschiebung 32 umfasst, muss der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 keine Wegberechnungseinheit umfassen. In diesem Fall sollte der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 die beiden von den beiden Drehgebern erfassten Winkel θ1, θ2 entsprechend der von der Spitze der Maschine 10 aufgenommenen externen Kraft an die Steuereinheit 30 ausgeben.
Vorzugsweise berechnet die Einheit zur Berechnung der Verschiebung 32 ferner für jedes Glied einen Korrekturbetrag ε zur Korrektur der Verschiebung δ jeder Spitze der Vielzahl von Gliedern. Die Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen 33 erzeugt auf der Grundlage dieser Korrekturbeträgeε Betriebsbefehle für die Maschine 10.
Es ist zu beachten, dass die Konfigurationen und Funktionen des Sensors zur Erfassung einer Verschiebung 20, des Steuergeräts 30 und des Steuersystems 1 der ersten Ausführungsform Beispiele sind und in geeigneter Weise geändert werden können. Zum Beispiel kann das Basiselement 23 die beiden Skalenelemente 21a, 22a tragen, anstatt die beiden Detektoren 21b, 22b zu tragen. Insbesondere können die Skalenelemente 21a, 22a am freien Ende 23b des Basiselements 23 und die Detektoren 21b, 22b an der ersten Verbindung 11 befestigt werden. Beispielsweise kann die Maschine 10 das Basiselement 23 anstelle des Sensors zur Erfassung einer Verschiebung 20 umfassen, der das Basiselement 23 umfasst.
Das erste Glied 11 und das zweite Glied 12 können so verbunden sein, dass sie sich entlang der Achse verschieben können, anstatt so verbunden zu sein, dass sie sich um die Achse O drehen können. Insbesondere können die beiden Encoder 21, 22 eher lineare Encoder als Drehgeber sein.
7 ist eine Seitenansicht der Maschine 10, die den Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 einer zweiten Ausführungsform zeigt. Im Folgenden werden nur die Konfigurationen und Funktionen beschrieben, die sich von denen des Sensors zur Erfassung einer Verschiebung 20 der ersten Ausführungsform unterscheiden. Das erste Glied 11 und das zweite Glied 12 sind z. B. so verbunden, dass sie sich entlang der Achse O verschieben können. Die Messgeräte 21, 22 sind z. B. lineare Messgeräte, die die relativen Positionen des ersten Glieds 11 und des zweiten Glieds 12 erfassen. Die beiden Skalenelemente 21a, 22a sind beispielsweise zwei lineare Elemente, die unterschiedliche Abstände von der Achse O zur Erfassungsposition haben und auf Linien parallel zur Achse O angeordnet sind. Die beiden Detektoren 21b, 22b sind an Positionen angeordnet, die den beiden Skalenelementen 21a, 22a gegenüberliegen. Die Detektoren 21b, 22b sind am freien Ende 23b des Basiselements 23 befestigt, und die Skalenelemente 21a, 22a sind an der ersten Verbindung 11 befestigt. Infolgedessen ändert sich die Positionsbeziehung zwischen den Skalenelementen 21a, 22a und den Detektoren 21b, 22b in Abhängigkeit von der äußeren Kraft, die von der Spitze des zweiten Glieds 12 aufgenommen wird, was zu einer Differenz zwischen den beiden Skalen führt, die von den beiden Encodern 21, 22 erfasst werden.
Die Positionsbeziehung zwischen den Detektoren 21b, 22b und den Skalenelementen 21a, 22a ändert sich in Abhängigkeit von der Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds 12, und es entsteht eine Differenz zwischen den beiden von den beiden Encodern 21, 22 erfassten Skalen, d.h. den beiden Positionen P1, P2. Die beiden Positionen P1, P2 sind Positionsänderungen vor und nach dem Aufbringen der externen Kraft. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 kann die Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds 12 auf der Grundlage der beiden Positionen P1, P2 erkennen.
Vorzugsweise umfasst der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 ferner eine Einheit zur Berechnung der Verschiebung (nicht dargestellt), die die Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds 12 auf der Grundlage der beiden Positionen P1, P2 sowie zweier unterschiedlicher Abstände r1, r2 von der Achse O zu den Erfassungspositionen C, D der beiden Skalenelemente 21a, 22a und des Abstands L von der Spitze des zweiten Glieds 12 (dem festen Ende 23a des Basiselements 23) zur Erfassungsposition C des Skalenelements 22a berechnet. Da r1 und r2 die Abstände von der Achse O zu den Erfassungspositionen C bzw. D der Skalenelemente 21a, 22a sind und L der Abstand vom festen Ende 23a des Basiselements 23 vor dem Aufbringen der äußeren Kraft zur Erfassungsposition C des Skalenelements 22a ist, sind r1, r2 und L bekannte Werte.
8 ist ein geometrisches Diagramm, das ein Beispiel für die Berechnung der Verschiebung δ der Gelenkspitze zeigt. Zunächst speichert der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 die bekannten Werte r1, r2, L und die Skalen der beiden Encoder 21, 22 vor dem Aufbringen der externen Kraft in einem Speicher. Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung 20 erfasst dann die beiden Positionen P1, P2, indem er die Skalen der beiden Encoder 21, 22 nach dem Aufbringen der externen Kraft erfasst.
In 8, wenn ein Liniensegment EF, das parallel zu dem Liniensegment AC ist, das die Position A (die Position des festen Endes des Basiselements) der Spitze des zweiten Glieds vor dem Aufbringen der äußeren Kraft und die Erfassungsposition C des Skalenelements verbindet, und das durch die Erfassungsposition C des Skalenelements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft verläuft, gezogen wird, eine senkrechte Linie BE von der Position B des festen Endes des Basiselements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft zu dem Liniensegment EF gezogen wird, der Schnittpunkt des Liniensegments AC und der senkrechten Linie BE als G definiert ist, die Länge des Liniensegments EG als L2 definiert ist und die Länge der senkrechten Linie BE als L3 definiert ist, kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds durch die folgende Formel ausgedrückt werden. $δ = L 3 - L 2$
Wenn der Winkel ∠BC'E des Basiselements nach dem Aufbringen der äußeren Kraft alsβ definiert ist und die Länge der Seite BC' von der Position B des festen Endes des Basiselements zur Erfassungsposition C' des Skalenelements als L' definiert ist, kann L3 durch die folgende Formel ausgedrückt werden. $L 3 = L' \times sin β$
Da sich der Abstand zwischen dem Skalenelement und dem Detektor nach dem Aufbringen der äußeren Kraft geringfügig ändert, wird die Länge L' der Seite BC' als L'= L +ΔL definiert. Da ΔL hinreichend kleiner als L ist, kann sie näherungsweise als L'= L angegeben werden.
$L 3 = L \times sin β$
Da L2 gleich der Länge von der Erfassungsposition C des Skalenelements bis zur Erfassungsposition C' ist, kann sie durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$L 2 = P 2$
Wenn β, das kein bekannter Wert ist, anhand der Formeln 13 und 14 bestimmt wird, kann die Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds ermittelt werden. Mit Blick auf ΔC'FD' kann β durch die folgende Formel ausgedrückt werden. $β = atan (\frac{Side FD'}{Side C' F}) = atan (\frac{P1 - P2}{r 2 - r 1})$
Da r1, r2, P1 und P2 bekannt sind, kann die Verschiebung δ der Spitze des zweiten Glieds bestimmt werden.
Bei der Korrektur der Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds ist es notwendig, das zweite Glied von der Position B zur Position A entlang der Achse O zu verschieben. Wenn diese lineare Position als Korrekturbetrags definiert ist, kann die Einheit zur Berechnung der Verschiebung weiterhin den Korrekturbetrag ε zur Korrektur der Verschiebungδ der Spitze des zweiten Glieds berechnen. Da der Korrekturbetrag ε gleich der Verschiebungδ ist, kann er durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
$ε = δ$
Gemäß der obigen Ausführungsform kann die Verschiebung der Spitze der Maschine 10 mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Die Verschiebung der Spitze der Maschine 10 kann in Abhängigkeit von verschiedenen Verbindungsstrukturen genau korrigiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vom oben beschriebenen Prozessor auszuführenden Programme durch Aufzeichnung auf einem computerlesbaren, nicht transitorischen Aufzeichnungsmedium wie einer CD-ROM bereitgestellt werden können, oder alternativ von einem Servergerät in einem WAN (Wide-Area-Network) oder LAN (Local-Area-Network) verteilt und drahtgebunden oder drahtlos bereitgestellt werden können.
Obwohl hier verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen innerhalb des in den Ansprüchen beschriebenen Umfangs vorgenommen werden können.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN

1: Steuersystem
10: Maschine
11: erstes Glied
12: zweites Glied
13: Motor
14: Drehzahlminderer
20: Sensor zur Erfassung einer Verschiebung
21, 22: Encoder
21a, 22a: Skalenteil
21b, 22b: Sensor
23: Basisglied
23a: festes Ende
23b: freies Ende
30: Steuerung
31: Speicher
32: Einheit zur Berechnung der Verschiebung
33: Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen
O: Achse
δ: Verschiebung
ε: Korrekturbetrag
L: Abstand vom festen Ende des Basiselements zur Erfassungsposition des Skalenelements
r1, r2: Abstand von der Achse zu den Erfassungspositionen der Skalenelemente
θ1, θ2: zwei von zwei Encodern erfasste Winkel
P1, P2: zwei Positionen, die von zwei Encodern erfasst werden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016003947 A [0005]

Claims

Ein Sensor zur Erfassung einer Verschiebung, der Folgendes umfasst: zwei Encoder, die an einem ersten Glied und einem zweiten Glied angebracht sind, die relativ zueinander in Bezug auf eine vorbestimmte Achse beweglich verbunden sind, wobei die beiden Encoder zwei Skalenelemente mit unterschiedlichen Abständen von der Achse zu einer Erfassungsposition und zwei Detektoren zum Erfassen der jeweiligen Skalen der beiden Skalenelemente umfassen, und wobei die Positionsbeziehungen zwischen den Skalenelementen und den Detektoren sich ändern in Abhängigkeit von einer äußeren Kraft, die auf eine Spitze des zweiten Glieds einwirkt, wodurch eine Differenz zwischen den beiden Skalen entsteht, die von den beiden Encodern erfasst werden, wodurch die Verschiebung der Spitze des zweiten Glieds auf der Grundlage der beiden Skalen erfasst werden kann.
Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung nach Anspruch 1, der ferner ein Basiselement umfasst, das einen der Detektoren und die Skalenelemente trägt, wobei das Basiselement ein festes Ende, das an einer Spitze des zweiten Glieds befestigt ist, und ein freies Ende umfasst, das an einer Verbindung zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied angeordnet ist und nicht eingespannt ist, wobei einer der Detektoren und die Skalenelemente an dem freien Ende angebracht sind und der andere der Detektoren und die Skalenelemente an dem ersten Glied befestigt sind.
Der Sensor zur Erfassung der Verschiebung nach Anspruch 2 umfasst ferner eine Einheit zur Berechnung der Verschiebung, die die Verschiebung der Spitze des zweiten Glieds auf der Grundlage der beiden Skalen sowie zweier unterschiedlicher Abstände von der Achse zu den Erfassungspositionen der beiden Skalenelemente und der Abstände von der Spitze des zweiten Glieds zu den Erfassungspositionen der Skalenelemente berechnet.
Der Sensor zur Erfassung einer Verschiebung nach Anspruch 3, wobei die Einheit zur Berechnung der Verschiebung ferner einen Korrekturbetrag in Abhängigkeit von der Verschiebung der Spitze des zweiten Glieds berechnet.
Der Sensor zur Erfassung der Verschiebung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden Drehgeber Drehgeber sind, die relative Winkel des ersten Glieds und des zweiten Glieds erfassen, die so verbunden sind, dass sie sich um die Achse drehen können.
Der Sensor zur Erfassung der Verschiebung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei den beiden Encodern um lineare Encoder handelt, die relative Positionen des ersten Glieds und des zweiten Glieds erfassen, die so verbunden sind, dass sie sich entlang der Achse verschieben können.
Ein Steuergerät, das eine Maschine steuert, die eine Vielzahl von Gliedern umfasst, an denen der Sensor zur Erfassung der Verschiebung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angebracht ist, mit einer Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen, die Betriebsbefehle für die Maschine auf der Grundlage eines Korrekturbetrags in Abhängigkeit von der Verschiebung der jeweiligen Spitzen der Vielzahl von Gliedern erzeugt.
Das Steuergerät nach Anspruch 7, ferner mit einer Einheit zur Berechnung der Verschiebung, die die Verschiebung der jeweiligen Spitzen der mehreren Glieder auf der Grundlage der beiden Skalen sowie zweier unterschiedlicher Abstände von der Achse zu den Erfassungspositionen der beiden Skalenelemente und Abstände von der Spitze des zweiten Glieds zu den Erfassungspositionen der Skalenelemente berechnet.
Steuergerät nach Anspruch 8, wobei die Einheit zur Berechnung der Verschiebung ferner für jedes Glied den Korrekturbetrag in Abhängigkeit von der Verschiebung der jeweiligen Spitzen der Vielzahl von Gliedern berechnet.
Ein Steuersystem, das Folgendes umfasst: den Sensor zur Erfassung der Verschiebung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, eine Maschine mit einer Vielzahl von Gliedern, an denen der Sensor zur Erfassung der Verschiebung angebracht ist, und eine Steuerung zur Steuerung der Maschine, wobei die Steuerung eine Einheit zur Erzeugung von Betriebsbefehlen umfasst, die Betriebsbefehle für die Maschine auf der Grundlage eines Korrekturbetrags in Abhängigkeit von der Verschiebung der jeweiligen Spitzen der Vielzahl von Gliedern erzeugt.