JP2003521862A - 反作用のない回転駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多関節プローブヘッドは、それぞれが直交する軸線（Ｚ及びＸ）周りにそれぞれの出力シャフト（１４及び２０）を駆動し、コントローラ（２６）の制御の下で針（２２）を加工片の表面を横断して移動させるモータ（１２及び１８）を含んでいる。モータの少なくとも１つは、モータのステータ（３２）を軸受（４２）に搭載することによって慣性の釣り合いがとられ、該ステータ（３２）がロータ（３４）の回転と反対方向に回転することを可能としている。回転するステータの速度制御は、該ステータをその磁石組立体（４８）がハウジングに連結されている追加された「接地」モータ（４７）の巻線組立体（４６）に連結することにより達成される。該モータ（４７）は、制動装置として作用し、回転可能なステータの過速度を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、例えば、座標位置決め機械の可動アームに搭載されている多関節プ
ローブヘッドの回転部材に反作用のない駆動を提供する機構に関する。

【０００２】 米国特許第５，１８９，８０６号明細書に、プローブが加工片の表面をスキャ
ンニングする操作に使用されることを可能にする２つの自由度をもつプローブの
位置を調整することのできる多関節プローブヘッドが記載されている。

【０００３】 一般に、そのようなプローブヘッドは、相対的に固定された支持構造と該支持
構造の軸線回りに該支持構造に関してモータにより回転可能である回転部材を有
する回転駆動機構を含んでいる。モータは、例えば電動モータの場合において、
支持構造に操作可能に連結されているステータ及び回転部材に操作可能に連結さ
れているロータを含んでいる。モータにより発生され、回転部材に加えられるト
ルクは、また、ステータに、したがって、支持構造に加えられる等しく且つ反対
向きの反作用トルクを生じさせる。

【０００４】 この反作用トルクは、プローブヘッドが搭載されている座標位置決め機械の可
動アームに回転を生じさせ得るものであり、該機械により作成される測定値に誤
差をもたらす。

【０００５】 参照している特許明細書に示される具体例において、第２の回転駆動機構は、
第１の機構の出力シャフトに搭載され、第２の回転部材を、第１の回転機構の軸
線に直角の軸線回りに回転させる。

【０００６】 上記特許明細書に記載されている多関節プローブヘッドは、その上に搭載され
ているプローブを、場合によっては揺動運動を伴なわせて駆動する必要があるの
で、好ましい実施態様の１つにおいて、いわゆるステータは、支持構造及びロー
タに関して自由に回転できるように軸受に搭載されている。それで、ロータの角
運動量は、自由回転ステータにより相殺されている。

【０００７】 したがって、モータが回転部材を加速するために操作される時、自由回転ステ
ータは、出力ロータトルクに反作用して反対方向に加速する。したがって、ロー
タ出力トルクに反作用するために静的構造に戻す固有の軌道（natural path）は
全くないし、したがって、いかなる合成トルクも、ヘッドが搭載されている機械
に戻されない。

【０００８】 しかしながら、回転可能なステータの速度を制御しなければならない場合があ
る。例えば、ステータの角運動量の損失を引き起こし、一定の角速度のロータ運
動中にステータを減速する傾向にある、回転ステータに加えられる抵抗トルクが
ある。これらの損失は、回転ステータの空力抵抗、ステータ組立体のいろんな部
分の摩擦及びステータコイルがモータの磁場を通って回転する時引き起こされる
逆起電力による。回転ステータの相対的角速度を維持するために、これらの損失
を抑えるべく何らかの方法で該ステータに電力が供給されなければならない。

【０００９】 同時に、例えば、重力トルク又はプローブと加工片との間の探針力（the prob
ing force）により生成されるトルクのようなロータ部材に加えられる外力が、
ロータを減速することに作用する。このことは、制御システムに、ロータを駆動
するモータへより多くの電力を供給させ、探針速度（the probing speed）を維
持させる。そして、この追加された電力は、その時、自由回転ステータを過速度
にする傾向にある。これを抑えるために、回転ステータにブレーキ力をかける機
構が設けられなければならない。

【００１０】 これらの問題は、一方は回転可能なステータに取り付けられ、他方は、ハウジ
ングの固定構造に取り付けられている、巻線組立体及び磁石組立体を含んでいる
追加されたモータを提供することによる本発明により克服される。

【００１１】 この方法により、追加されたモータは、自由回転ステータに該ステータの回転
速度が増加するにつれて増加する摩擦のないブレーキ力を提供する。また、損失
を抑えるためにステータに電力を提供しなければならない時、追加されたモータ
に電流を供給することによりこのことが達成される。

【００１２】 したがって、このような形態における反作用のないふるまいは、回転駆動機構
の加速に制限される。外部探針等による反作用は、機構の取付物に伝えられ、回
転加速による反作用はない。

【００１３】 さて、専ら実施例に限り、また添付図面を参照して、本発明が、より詳細に説
明される。

【００１４】 図面を参照すると、図１には、位置決め装置（図示されていない）に取り付け
るために改造されている第１のハウジング部１０を備える多関節プローブヘッド
が示されている。ハウジング部１０は、モータ１２を含み、第１の軸線ｚ回りに
出力シャフト１４の回転を提供する本発明の回転駆動機構を収容している。モー
タ１８を含み、第１の軸線ｚに直交する第２の軸線ｘ回りに第２のシャフト２０
の回転を提供する第２の回転駆動機構を収容する第２のハウジング部１６が軸１
４に取り付けられている。

【００１５】 典型的なスキャンニング操作で加工片表面を駆動され、測定値が加工片表面の
点で作成されることを可能にする表面感知装置２２が、それとともに回転する第
２シャフトに取り付けられている。

【００１６】 電力は、望ましい一連の動きで加工片の表面を横断して移動させるために表面
感知装置を制御するようにプログラムされているコントローラ２６から電気配線
２４を介して回転駆動機構に供給されている。ヘッド内にある変換器が、各軸線
回りの駆動機構の角度位置を表わす信号をコントローラのサーボ制御ループに送
り返す。ヘッドが搭載されている機械の測定装置からの信号とともにこれらの信
号は、表面感知装置と加工片表面の相対的位置が正確に制御されることを可能と
する。

【００１７】 上述したように、表面感知装置及びその回転駆動機構の揺動運動により機械に
引き起こされる振動は、回転駆動機構の少なくとも１つに慣性の釣り合いがとら
れたモータを使用することにより減少される。

【００１８】 図２を参照すると、本発明の追加されたモータを含む回転駆動機構の詳細が、
実施例として概略的に例示されている。しかしながら、以下の説明は、多関節ヘ
ッドの回転駆動機構のどちらか一方又は両方に適用され得ることが理解されるべ
きである。

【００１９】 機構は、ハウジングが測定機械の中空シャフトに又は他の回転駆動機構のハウ
ジングに連結されることを可能とするフランジ３０を含むハウジング内に収容さ
れている。

【００２０】 示されている機構は、主駆動磁石組立体３２及び主駆動巻線組立体３４を有す
る主駆動モータ１２からなっている。電力は、ブラシ組立体３６を介して主駆動
巻線組立体に供給され、この例では主駆動巻線組立体に連結されている主駆動ロ
ータ３８を駆動する。主駆動ロータは、回転用に、軸受４０に搭載されている出
力シャフト１４に連結されている。

【００２１】 通常、モータのステータを形成する主駆動磁石組立体も軸受４２に搭載されて
いる。それで、電力がシャフト３８を駆動するために供給されると、主駆動磁石
組立体の反作用は、このステータ組立体を等しく且つ反対向きの角運動量で軸受
４２上で自由に回転させる。

【００２２】 モータ１２は、回転加速及び減速に関する限り、反作用のない回転駆動機構と
して振舞うことが理解される。

【００２３】 本実施例において、回転ステータ組立体は、シャフト４４を介して、その磁石
組立体４８がハウジングに連結されている追加された「接地（back-to-earth）
」（ＢＴＥ）モータ４７の巻線組立体４６に連結されている。さらに追加された
ブラシ組立体５０が、ＢＴＥ巻線組立体に電力が供給されることを可能とするた
めに設けられている。

【００２４】 モータの両部品は回転可能であるので、該モータ部品への電力配線は、スリッ
プリング組立体５２を介してハウジングの向かい側に導かれる。

【００２５】 追加されたＢＴＥモータは、反力を提供し、自由回転ステータの回転に対抗す
る。この力は、ステータの速度が増加するにつれて増加する。また、ブラシ組立
体５０は、ＢＴＥモータ巻線に電力を供給し、主モータが一定の角速度で運転し
ている時、状況によってはステータを減速する傾向にある損失に対抗するために
使用され得る。

【００２６】 図３は、本発明の好ましい実施態様の断面図である。ここでは、できる限り、
同じ参照番号は、同じ部品を示すために使用されている。

【００２７】 この実施態様において、回転駆動機構は、フランジ３０が機械の中空軸に連結
され、出力シャフト１４が第２の部品１６に連結されることになるように、図１
の多関節ヘッドのハウジング部１０内に搭載されている。

【００２８】 ハウジング部１０は、駆動機構の回転要素を支持する部分球形状軸受支持表面
６０、６２、６４及び６６を備える。

【００２９】 この実施態様において、主駆動モータの主駆動磁石組立体３２は、出力シャフ
ト１４に連結され、一対の対向して向き合っている部分球形状軸受表面７０及び
７２により軸受表面６０及び６２上に回転のために支持されている。表面７０及
び７２は、軸受表面６０及び６２と協力するように形作られ、主空気ダクト８０
からノズルを介して加圧された空気を供給されている空気軸受を形成している。

【００３０】 主駆動モータの主駆動巻線組立体３４は、シャフト８２により、その磁石組立
体８６がハウジング１０に連結されているＢＴＥモータの巻線組立体８４に連結
されている。

【００３１】 シャフト８２に連結されている一対の対向して向き合っている軸受表面７４及
び７６は、軸受表面６４、６６上にシャフトを支持する。さらに、軸受表面７４
及び７６は、軸受表面６４及び６６と協力するように形作られ、主ダクト８４か
ら加圧された空気を供給されている空気軸受を形成している。

【００３２】 主駆動巻線組立体及びＢＴＥモータ巻線組立体両者への電力供給は、この図に
は示されていないブラシ組立体により供給される。

【００３３】 反作用駆動システム用制御方法を実行するコントローラ２６は、図４に示され
る構造を有する。コントローラは、２つの仕事を実行する。１つは、ａ）入力要
求に対して主駆動ロータの位置を制御することであり、もう１つは、ｂ）駆動シ
ステム全体の反作用がない特質を維持するように自由回転ステータの速度を制御
することである。

【００３４】 主駆動ロータ３８の位置制御は、内部駆動ロータ速度フィードバックループ９
０と外部駆動ロータ位置フィードバックループ９２を使用して達成される。制御
動作は、その出力が増幅器９６を介して主駆動モータ１２に送られる比例積分微
分（ＰＩＤ）補償器９４の形で内部速度ループに適用される。比例制御動作は、
また、位置ループゲイン制御８９を含んでいる外部ループの位置的誤差に適用さ
れる。

【００３５】 ＢＴＥモータの制御は、自由回転ステータ速度９８のフィードバックを使用し
て達成される。ＢＴＥ制御ループ１００（その要素は、点線で描かれた境界線内
に囲まれている。）は、主駆動ロータに作用する外部トルクの影響を排除するよ
うに、ＢＴＥモータにトルクを発生させる補正信号を生成する。外部トルクの存
在中、自由回転ステータの速度は、その望ましい速度から逸脱している。ＢＴＥ
制御ループは、ＢＴＥモータにトルクを発生させ、速度差を補正する。ＢＴＥ制
御ループの主要素は、自由回転ステータの望ましい速度を計算する計算機１０２
、ゲイン制御１０４、第２次低域フィルタ１０６及び電力増幅器１０８である。

【００３６】 ＢＴＥモータにより生成されたトルクは、次式に記載されるように、自由回転
ステータの測定速度とその望ましい速度との差に比例する。

【００３７】 Ｔ_rm＝Ｋ_BTE（望ましい自由回転ステータ速度−測定自由回転ステータ速度）

【００３８】 ここで、Ｔ_rmは、ＢＴＥモータにより生成されたトルクを示す。 Ｋ_BTEは、ＢＴＥループゲインを示す。

【００３９】 自由回転ステータの望ましい速度は、次式を使って計算される。

【００４０】 望ましい自由回転ステータ速度＝ （駆動ロータの全慣性／自由回転ステータの全慣性）×駆動ロータ速度

【００４１】 プローブシステムにおいて、駆動モータの全慣性は、静的に（プローブ又は針
が変更される時）及び動的に（直交する回転軸に関するプローブの角度の変化）
両方で変化しそうである。自由回転ステータの慣性は、変化しそうにない。望ま
しい自由回転ステータ速度は、物理系の公知の慣性値を使って、即時に計算され
る。静的慣性値は、プローブ及び針の型に対応する参照用テーブルの形で表わさ
れている。駆動ロータの慣性に対する動的変化は、プローブの動的に変化する角
度を考慮する方程式の形で実行される。

【００４２】 ＢＴＥ制御ループは、早い制御動作が自由回転ステータの速度を制御するのに
必須ではないので、第２次低域フィルタ１０６を介して低帯域幅を有するように
作られている。２つの理由から低帯域幅ＢＴＥ制御を有することが望ましい。第
１に、主駆動モータの加速又は減速中、自由回転ステータで発生される反作用ト
ルクは、ＢＴＥ制御ループの作用を受けるべきではない。ＢＴＥ制御は、自由回
転ステータの速度変化をゆっくり変更することにのみ適応されるべきである。第
２に、ＢＴＥ制御ループは、高帯域幅を有する主駆動モータ制御ループのスレー
ブである。両方の制御ループが同じ帯域幅を有すると、２つのループの間に望ま
れていない相互作用の可能性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の反作用のない回転駆動機構を包含する多関節ヘッドの概略図である。

【図２】 本発明の反作用のない回転駆動機構の断面概略図である。

【図３】 図１の多関節ヘッドに包含されるような反作用のない回転駆動機構の１実施態
様の詳細断面図である。

【図４】 反作用駆動を制御するのに使用されるコントローラの基本要素を示すブロック
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス チャン−ホエ ナイ イギリス イーエイチ９ １イーダブリュ エジンバラ ウォーレンダー パーク ロード 89 (72)発明者 ジェフ マクファーランド イギリス ジーエル11 ５ピージー グロ スターシャー ダースレイ アッパー カ ム チャーチ ロード 22 ザ マンス (72)発明者 デービッド ロバーツ マクマートリー イギリス ジーエル12 ７イーエフ グロ スターシャー ワットン−アンダー−エッ ジ テイバーナックル ロード 20 Ｆターム(参考） 2F069 AA04 AA66 DD30 GG01 GG52 MM32

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のモータと、 前記モータに電力を供給し、それを駆動する電力供給源と、 とを備え、 該モータは、ロータ及び固定構造から軸受に搭載されロータの回転速度に依存
   する速度でロータの方向とは反対方向に回転する回転可能なステータを含み、 巻線組立体及び磁石組立体を含み、その一方は、回転可能なステータに連結さ
   れ、その他方は、前記軸受が搭載されている固定構造に連結されている第２のモ
   ータが設けられていることを特徴とする反作用のない回転駆動機構。
2. 【請求項２】 第２のモータに電力を供給し、第１のモータの回転可能なス
   テータの回転速度を落とす傾向がある損失を打ち消す手段が設けられていること
   を特徴とする請求項１に記載の反作用のない回転駆動機構。
3. 【請求項３】 第１のモータに電力を供給する手段は、スリップリングであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の反作用のない回転駆動機構。
4. 【請求項４】 モータへの電力の供給を制御するコントローラが設けられて
   いることを特徴とする請求項１に記載の反作用のない回転駆動機構。
5. 【請求項５】 第１のモータは、多関節プローブヘッドの駆動モータである
   ことを特徴とする請求項１に記載の反作用のない回転駆動機構。
6. 【請求項６】 第２のモータが連結されている固定構造は、プローブヘッド
   のハウジングであることを特徴とする請求項５に記載の反作用のない回転駆動機
   構。