JP2019518962A - 装置、該装置のための供給ライン体、センサライン体およびねじれ測定方法 - Google Patents

装置、該装置のための供給ライン体、センサライン体およびねじれ測定方法 Download PDF

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Abstract

本発明は装置（２）に関する。該装置は、互いに対して移動可能であり且つ供給ライン体（８）を用いて互いに接続される２つの機械部品（４、６）を有する装置であって、供給ライン体（８）は、供給ライン体（８）のねじれを測定するためのセンサライン体（１０）を有し、センサライン体（１０）は、前記センサライン体の電気的パラメータ（Ｐ）を測定し且つそのねじれがパラメータ（ｐ）を用いて決定するように形成される測定ユニット（１１）に接続される。さらに、本発明は、対応する供給ライン体（８）、センサライン体（１０）及びねじり測定方法に関する。

Description

本発明は、装置、該装置のための供給ライン体およびセンサライン体、ならびに供給ライン体のねじれを測定する方法に関する。
供給ライン体は、２つの機械部品を接続し、かつ２つの機械部品間でエネルギー、信号および／または作動ガスを送るために使用される。２つの機械部品は、多くの場合、互いに対して移動可能であり、その結果、供給ライン体は、特に反復する機械的荷重（特にねじり荷重であるが、また例えば曲げ加重）に曝される。このような供給ライン体の柔軟性に対する特に高い要件は、ロボット部門（例えば、製造におけるロボットアーム）で発生する。供給ライン体は、多くの場合、自動車部門でも潜在的に大きい応力を受ける。
供給ライン体が特定の範囲の変形（特に構築の結果としてのねじれ）のみに耐えることは、この使用全般において危険であり、過大応力が発生した場合に機能故障の危険性がある。原理的に、供給ライン体を剛性の誘導輪郭または限定移動機構にわたって積極的に誘導すること（すなわち、所定の経路のみに沿って前記供給ライン体を誘導すること）、および移動を特定の固定位置に制約することが可能である（例えば、ピボット）。このとき、これらの固定位置において、ねじり荷重は、従来のセンサを用いて測定され得る。しかし、供給ライン体の時折の規則的な位置変化および反復する変形は、最初に述べたような使用領域で特に複雑であり、多くの場合、高度の可変性が要求される。しかし、非積極的に誘導される供給ライン体の場合のねじり荷重の測定は、従来のセンサでは可能でない。
この背景に対し、本発明の目的は、このような応力を加えられた（特に非積極的に誘導された）供給ライン体において、ねじれの信頼できる監視または測定を可能にすることである。このために、そのねじれが測定可能であり、および可能な限り簡単かつ柔軟に測定される供給ライン体を有する装置が規定される。この場合、供給ライン体自体は、可能な限り自由に移動可能である。さらに、ねじれ測定が、特に点毎にのみ実行されるのではなく、供給ライン体全体を考慮することによって実行されることが意図される。加えて、対応する供給ライン体およびセンサライン体、ならびに供給ライン体のねじれを測定する方法を規定することが意図される。
本発明によると、この目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって達成される。加えて、この目的は、請求項９に記載の特徴を有する供給ライン体により、請求項１０に記載の特徴を有するセンサライン体により、および請求項１１に記載の特徴を有する方法により達成される。有利な改良形態、発展形態および変形形態は、従属請求項の主題である。ここで、本装置に関連する説明は、同じ意味で供給ライン体、センサライン体および本方法にも適用され、逆も同様である。
本装置は、通常、互いに対して移動可能であり且つ供給ライン体を用いて互いに接続される２つの機械部品を有する。供給ライン体自体は、通常、多くの（すなわち、１つまたは複数の）供給ストランド（撚り線）を有し、供給ストランドを介して２つの機械部品の１つが供給される。供給ストランドに加えて、供給ライン体は、供給ライン体のねじれを測定するための（すなわち、供給ライン体の（中央）長手軸を中心とした供給軸の回転を測定するための）センサライン体を追加的に有する。ここで、センサライン体は、測定ユニットに接続され、測定ユニットは、センサライン体の電気的パラメータを測定し且つねじれを少なくともこのパラメータを用いて決定するように形成される。したがって、パラメータの測定値から現在のねじり荷重の特徴的変数が導出され、それにより、ねじれは、少なくとも間接的に判断される。特に、この場合、２つの機械部品間の特にその全長に沿った供給ライン体のねじれが判断される。
本発明は、特に、ねじれ測定が慣習的にねじれセンサを取り付けることによって点毎にのみ可能であるという観察に基づく。したがって、供給ライン体は、例えば、特定の方法でのみ装填されるように積極的に誘導されなければならず、その結果、特定の固定位置におけるねじれの測定が可能となる。代わりに、対応する数のセンサが供給ライン体に沿って分散されるように配置されなければならず、その結果、測定は、構造的観点から特に複雑化される。対照的に、好適な構成を有するラインの電気的特性は、移動および／または変形中に測定可能に変化し、その結果、対応するラインがセンサライン体として有利に使用され得ることが認識された。したがって、本発明の本質的利点は、特に、特定のねじれセンサなしで済まされ、代わりに好適なセンサライン体がねじれセンサとして使用されるという事実を含む。これは、センサライン体がセンサへの供給ライン体ではなく、それ自体がセンサ（より正確にはねじれセンサ）であることを意味する。したがって、ねじれは、点毎にではなく、典型的には数十センチメートル〜最大で数メートルの比較的大きい長手部分にわたる（特にセンサライン体の全長にわたる）センサライン体を用いて測定される。
センサライン体の電気的パラメータの測定は、ねじれの判断にとって重要である。このパラメータの１つの特徴は、センサライン体のねじれに応じて変化することである。センサライン体は、供給ライン体に機械的に結合されるため、供給ライン体のねじれは、センサライン体の好ましくは同一のねじれも生じる。センサライン体の同一のねじれは、したがって、パラメータによって特徴付けられる固有の伝送特性を有する。したがって、パラメータの変化は、特にセンサライン体の伝送特性の変化に対応し、これは、伝送特性の測定がパラメータを測定することによって行われることを意味する。したがって、好都合には、パラメータを測定するために電気的試験信号がセンサライン体に印加されるかまたはセンサライン体内に供給され、伝送特性は、試験信号の変化を使用することによって判断される。このために、センサライン体は、測定ユニットであって、好適な試験信号を提供し、かつ特にその変化を測定する測定ユニットに接続される。測定ユニットは、パラメータを測定し、また好ましくは測定結果を評価する（例えば、パラメータの以前に測定された値と比較することにより）。パラメータの測定により、測定ユニットは、その後、センサライン体のねじれと、したがってまた供給ライン体のねじれとを判断する。
したがって、供給ライン体のねじり荷重を測定する原理は、概して、センサライン体の供給ライン体への一体化の結果として、センサライン体もねじり応力に曝され、それによりセンサライン体の構造の機械的変化が生じ、その結果、センサライン体を介して伝達される（センサ）信号の伝送特性が変化し、結果的に信号の特性変化をもたらすという事実に基づく。信号のこの特徴的変化を使用することにより、ねじり荷重に関する結論は、測定ユニットを用いて引き出される。
好ましくは、センサライン体は、ねじれ（特に超えてはならない臨界ねじれ）の複数の測定のために機械的に頑強であるように設計される。「機械的に頑強な」は、特にセンサライン体がねじり応力下で破壊されないことを意味するものと理解される。したがって、センサライン体は、特に犠牲的なラインではなく、機械的に頑強なセンサライン体と考えられる。重要な利点は、特に、センサライン体が、特定量の荷重下で破壊され、その結果、特定のねじり応力を誘起する供給ライン体の最も弱い要素として設計されてはならないことである。代わりに、センサライン体は、有利には、特定の臨界ねじり応力を多数回にわたって検出するために多数回にわたって使用され得る。
センサライン体は、供給ライン体に沿って配置されかつ供給ライン体に接続され、その結果、センサライン体は、供給ライン体と同じまたは少なくとも同様の荷重に曝される。電気的パラメータ（すなわち、センサライン体の電気的特性の１つ）を測定することにより、センサライン体自体の変形およびまたセンサライン体の変形による供給ライン体の変形が特に簡単な方法で測定される。測定中、この原理のために、ここで、全センサライン体のコースと、したがって供給ライン体の細長くかつ特に連続的な部分とが考慮される。センサライン体は、好ましくは、供給ライン体全体に沿って延在し、その結果、供給ライン体全体のねじれが測定される。しかし、代わりに、ねじれは、いくつかの部分においてのみ測定され、この目的のために、センサライン体は、供給ライン体に沿ったいくつかの部分にのみ取り付けられる。
センサライン体は、供給ライン体の一部でありかつ供給ライン体に機械的に接続される。特に、センサライン体は、供給ライン体の個々の供給ストランドと複合体を形成し、その複合体は、好ましくは、共通の外側シースによって囲まれる。
センサライン体を用いて、特に供給ライン体が延在する１メートル当たりのその長手軸を中心とした供給ライン体の１回を超える（１メートル当たり２０回転までの）完全な回転の領域におけるねじれが測定され得る。しかし、原理的に、これより少ないまたは多い回転も、本明細書で説明するセンサライン体によって測定可能である。測定範囲は、ここで、主としてセンサライン体の特定の設計および寸法決めによって判断される。センサライン体の適切な適応を用いて、ねじれ測定を既存の用途に最適に適合させることが可能である。
供給ライン体は、２つの機械部品間のエネルギー、信号および／または作動ガスの伝送のために主として使用される。したがって、供給ライン体の個々の供給ストランドは、任意選択的にまたは任意の所望の用途に依存した組み合わせにおいて、機械部品の電源の電力ケーブル、データケーブル、ホース（例えば、機械部品に油圧液、作動剤もしく平滑剤、ガス、または圧搾空気を供給するための油圧または空気圧ホース）である。加えて、ハイブリッドケーブル、ワイヤハーネスが供給ストランドとして使用され得る。供給ストランドは、通常、特にロボット部門では、ホースによって囲まれ、ホースパックを形成する。機械部品は、必ずしも追加的に互いに結合される必要はないが、それにもかかわらず、例えば継手を介して互いに接続され得る。機械部品は、例えば、ロボットの２つの部品（例えば、ベースおよびベースに対して移動可能なマニュピレータ）である。本明細書での供給ライン体は、例えば、エネルギーおよび制御信号をマニュピレータに供給する。変形形態では、２つの機械部品は、車両および特に充電ステーションであり、供給ライン体は、電気エネルギーを車両のエネルギー蓄積器に伝送するための充電ケーブルである。
一般論として、２つの機械部品は、ねじれ（すなわち、供給ライン体の回転）が発生するかまたは少なくとも可能であるように互いに対して移動可能である。特に、ねじれは、オンライン監視に関連して連続的にまたは規定の時間間隔で測定される。測定されたねじれに基づきおよびそれに応じて、供給ライン体が所定の限度を超えて回転される場合、例えば、警報信号が出力される。代わりにまたは追加的に、測定されたねじれは、摩耗予測のために使用される、すなわち、ねじれは、供給ライン体の実際の使用と、したがって摩耗とを監視するために定期的に測定され、特に測定ユニットのメモリ内に格納される。
測定ユニットは、好都合には、測定されたキャパシタンスに基づいてねじれを判断するために好適な評価回路を有する。アナログおよびディジタルの両方の手法がこの目的のために好適である。測定されたキャパシタンスは、例えば、テーブルを介して供給ライン体のねじれ（１メートル当たりの角度または回転における）に変換されるか、またはねじれの値として直接使用される。
好適な改良形態では、センサライン体は、導体対を形成する２つの導体を有する。ここで、パラメータは、導体対のキャパシタンスである。これは、２つの導体が２つの導体間の間隔に依存するキャパシタンスを有するキャパシタを形成するという発見に特に基づく。導体対のねじれが発生した場合、導体対は、それに応じて回転され、導体間の間隔は変化する、特に、導体対は互いに近づく。ねじれ依存キャパシタンスを測定することにより、センサライン体と、したがって供給ライン体とのねじれが簡単な方法で判断され得る。この場合の導体は、必ずしも撚り合わせられた導体として設計される必要はないが、好都合には、その個々の伝送特性がねじれによって特に影響を受けない個々のソリッドワイヤである。代わりに、導体自体の伝送特性と、したがって電気的パラメータとが測定される。
２つの導体は、通常、センサ信号のための伝送対を形成する。一般的に、導体は、それぞれ絶縁シースによって囲まれ、それぞれ例えば１つのリードを形成する。センサ信号の伝送を可能な限り乱さないようにすることに関し、伝送対は、好ましくは、互いに対して配置される。伝送対は、通常、ツイストペアまたは非ツイストペアとして、かつペアシールドありまたはなしで形成され得る。
２つの並列導体が使用される場合、キャパシタンスは、原理の結果として両方のねじれの方向に等しく変化する。有利な変形形態では、ねじれの方向を判断するために、導体対は、製造中にこのようにして撚り合わせられるため、回転およびしたがって間隔の拡大も起こり得る。ねじれの方向に応じて、間隔は、拡大または低減される。
測定ユニットは、好都合には、キャパシタンスを測定するキャパシタンス測定ユニットとして形成される。例えば、測定ユニットは、導体対に印加される交流電圧を、二極接続を介して試験信号として供給する。キャパシタンスは、導体対の応答挙動を測定することによって判断される。ねじれは、例えば、格納されたテーブルを用いた割り当てを用いて判断される。特に、０〜１００ｋＨｚの範囲内の周波数を有する信号が試験信号として好適である。
ねじれ中のセンサライン体の好適な変形と、導体の間隔の変化とを特に許容するために、好適な改良形態では、ケーブルのねじれが発生した場合に圧縮または拡大される軟質材料が２つの導体間に配置される。ここで、特に発泡プラスチックが材料として好適である。例えば、センサライン体は、導体が埋め込まれたプロファイルまたはプロファイル化要素を有し、プロファイル化要素は、２つの導体間に配置された中核要素を有する。少なくとも中核要素は軟質材料で作られる。プロファイルは、例えば、ほぼＨ字状または二重Ｖ字状である。
好適な改良形態では、軟質材料は、１０〜３０の範囲内のショアＡ硬度を有する。しかし、実際には、最適な硬度はセンサライン体の寸法に依存する。例えば、軟質発砲体（例えば、ＰＵＲで作られた）が好適である。いずれの場合にも、材料は、好ましくは、ねじれによって生じる幾何学的変化が可逆的であるように選択される。このような材料は、ねじれが発生した場合に導体の互いに対する間隔の好適な変化を保証するために十分に柔らかい。
２つの導体は、好都合には、絶縁材料で作られるプロファイル内に一緒に埋め込まれ、かつプロファイルを用いて互いに離間される。特に、絶縁材料は、同時に、２つの導体の共通シースまたはラインシースを形成する。プラスチック（例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ、またはＰＡ）が材料として第１に好適である。前述の軟質材料のウェブは、このプロファイルによって好都合に形成され、かつしたがって特にこのプロファイルの構成要素である。
有利な改良形態では、２つの導体は、それぞれ同軸導体（すなわち、誘電体およびシールドを個々に備えた）として形成される。その結果、伝送特性がより規定され、周囲からの破壊的影響が効率的に遮蔽される。
特に環境影響（とりわけ電波干渉）から導体全体を保護するために、好適な改良形態では、両方の導体は、共通シールドによって囲まれる。その結果、供給ライン体との複合体全体でも、センサライン体の導体が供給ライン体の他のラインに対して有利に遮蔽される。
センサライン体の構成に関し、一般論として、ねじり荷重の所望の評価に対する前述の要件を考慮すると、データラインの場合、従来の構成に依存し得る。センサライン体はまた、（データ）ライン複合体（例えば、（四方向）撚り合わせ複合体）に一体化され得る。さらに、センサライン体を、追加的なデータ送信および／または供給電圧もしくは電気出力の伝送のためにも使用する可能性もある。最後に挙げたケースでは、センサ信号は、例えば、変調される。
本発明の例示的な実施形態は、添付図を使用することによって以下でさらに詳細に説明される。
供給ライン体とセンサライン体とを含む装置を示す。 センサライン体を示す。
図１は、装置２（ここではロボットである）を示す。装置２は、２つの機械部品４、６（ここではベース４およびマニュピレータ６）を有する。機械部品４、６は、供給ライン体８を用いて互いに接続される。エネルギー、データ、信号および／または作動ガスを伝送するために、供給ライン体は、通常、電気的、油圧または空気圧ライン体などの形態の複数の供給ストランド（撚り線）、特に、ここではより詳細に示されない様々なタイプの供給ストランドを有する。図１では、供給ライン体８を用いて、例えば制御信号がベース４からマニュピレータ６に送信される。示されない変形形態では、２つの機械部品４、６は、例えば、車両および充電ステーションであり、供給ライン体８は、車両のエネルギー蓄積器を充電するための充電ケーブルである。
機械部品４、６は、互いに対して移動可能であり、したがって供給ライン体８も可能な限り柔軟に移動可能である。その結果、いくつかの状況下では、供給ライン体８の複雑な機械的荷重（特にねじれ（すなわち、回転）を含む）が結果として生じる。供給ライン体８のねじれは、センサライン体１０であって、供給ライン体８の一部であり且つその結果として供給ストランドに機械的に結合されるセンサライン体１０を用いて判断される。供給ライン体８のねじれが発生した場合、センサライン体１０は、それに応じて同様に回転する。別の供給ストランドと共に、センサライン体１０は、好ましくは、供給ライン体８の共通の外側シースによって囲まれるか、または代替的にこのような外側シースの外側にも、もしくはそうでなければ供給ストランドにも取り付けられる。
センサライン体１０自体は、センサ（特にねじれセンサ）としての役割を果たし、その結果、２つの機械部品４、６間のねじれは、点毎にのみ判断され得るのではなく、供給ライン体全長８に沿って判断され得る。センサライン体１０は、センサライン体１０のねじれに依存する伝送特性を有する。これらの伝送特性は、測定ユニット１１を用いて測定される少なくとも１つの電気的パラメータによって特徴付けられる。この目的のため、試験信号が測定ユニット１１を用いてセンサライン体１０内に送出され、特に変更された伝送特性に起因する試験信号の変化が検査される。
センサライン体１０の１つの例示的な実施形態が、センサライン体１０の長手方向に対して直角な断面で図２に示される。センサライン体１０は、２つの導体１２を有し、これを用いてねじれの測定が行われる。２つの導体１２は、間隔Ａで互いに離間される。センサライン体１０のねじれが発生した場合、２つの導体１２は、互いに対して回転され、間隔Ａは変更される。２つの並列導体１２から出発して、間隔Ａは低減される。１つの変形形態では、２つの導体１２は、初期位置において互いに既に撚り合わされており、その結果、一方向のねじれが間隔の低減をもたらし、別の方向のねじれが間隔の拡大をもたらす。２つの導体１２は、中核要素１６を有するプロファイル１４内に埋め込まれる。中核要素１６は、導体１２間に配置され、間隔Ａを予め定義する。間隔Ａの変化を許容するために、中核要素１６は、柔らかくかつしたがって変形可能な材料で作られる。その結果、中核要素１６は、圧縮されるかまたは引き離され得る。
ねじれ測定は、２つの導体１２が、間隔Ａと、したがってねじれとに依存するキャパシタンスを有するキャパシタを形成するという発見に基づく。したがって、このとき、測定ユニット１１は、好都合にはキャパシタンス測定ユニットとして形成され、導体対のキャパシタンスを電気的パラメータとして測定する。測定されたキャパシタンスを用いてねじれが判断される。
図２のセンサライン体１０は、シールド１８であって、２つの導体１２を囲み、かつ外部からの破壊的影響から２つの導体１２を遮蔽するシールド１８を追加的に有する。ラインシース２０は、シールド１８の周囲に配置される。導体１２は、それぞれ絶縁シース２２によって囲まれる。示されない変形形態では、導体１２がそれぞれ絶縁シース２２によって囲まれるわけではない。同様に示されない変形形態では、２つの導体１２は、同軸導体として形成され、シールド１８の代わりにまたはそれに加えて、それぞれがそれ自体のシールドを有する。

Claims (11)

  1. 互いに対して移動可能であり且つ供給ライン体を用いて互いに接続される２つの機械部品を有する装置であって、前記供給ライン体は、前記供給ライン体のねじれを測定するためのセンサライン体を有し、前記センサライン体は、前記センサライン体の電気的パラメータを測定し且つ前記ねじれを前記パラメータを用いて決定するように形成される測定ユニットに接続される、装置。
  2. 前記センサライン体は、前記ねじれの複数の測定のために機械的に頑強であるように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 前記センサライン体は、導体対を形成する２つの導体を有することと、前記パラメータは、前記導体対のキャパシタンスであることとを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
  4. ケーブルのねじれが発生した場合に圧縮または拡大される軟質材料が、前記２つの導体間に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
  5. 前記軟質材料は、１０〜３０の範囲内のショアＡ硬度を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
  6. 前記２つの導体は、絶縁材料で作られたプロファイル内に一緒に埋め込まれ且つ前記材料を用いて互いに対して離間されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記２つの導体は、それぞれ同軸導体として形成されることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記２つの導体は、共通シールドによって囲まれることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置のための供給ライン体、特にケーブルであって、多くの供給ストランドを有し、かつ前記供給ライン体のねじれを測定するためのセンサライン体を有し、前記ねじれは、前記センサライン体の電気的パラメータを使用することによって判断され得、およびこの目的のために、前記センサライン体は、導体対を形成する２つの導体を有し、かつ前記パラメータは、前記導体対のキャパシタンスである、供給ライン体、特にケーブル。
  10. センサライン体であって、前記センサライン体のねじれを測定するためのものであり、前記ねじれは、前記センサライン体の電気的パラメータを使用することによって判断され得、およびこの目的のために、前記センサライン体は、導体対を形成する２つの導体を有し、かつ前記パラメータは、前記導体対のキャパシタンスである、センサライン体。
  11. 請求項１０に記載のセンサライン体のねじれを測定する方法。
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