WO2021148068A1 - Verfahren zur überprüfung einer anordnung von mindestens drei dehnungsmessstreifen sowie spannungswellengetriebe - Google Patents

Verfahren zur überprüfung einer anordnung von mindestens drei dehnungsmessstreifen sowie spannungswellengetriebe Download PDF

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WO2021148068A1
WO2021148068A1 PCT/DE2020/101018 DE2020101018W WO2021148068A1 WO 2021148068 A1 WO2021148068 A1 WO 2021148068A1 DE 2020101018 W DE2020101018 W DE 2020101018W WO 2021148068 A1 WO2021148068 A1 WO 2021148068A1
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strain gauges
transmission element
output signals
elastic transmission
strain
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Kazuaki Kaneko
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges

Definitions

  • the present invention relates to a method for checking an arrangement of at least three strain gauges.
  • the arrangement comprising the strain gauges is applied to an elastic transmission element of a stress wave transmission and is designed to measure a torque acting on the elastic transmission element.
  • Such stress wave gears are also referred to as harmony drives, wave gears, sliding wedge gears or strain wave gear.
  • the elastic transmission element is also referred to as a flexspline and has external teeth.
  • the strain gauges are placed on the elastic transmission element in order to be able to measure a mechanical tension of the elastic transmission element and to use this to determine the torque acting on the elastic transmission element.
  • the invention also relates to a stress wave transmission.
  • DE 102004041 394 A1 shows a shaft gear device with a torque detection mechanism which comprises a plurality of strain gauges with resistance wire areas on a flexible external gearwheel, which are electrically connected via lead wires.
  • JP 2000320622 A shows a shaft drive with a
  • Torque sensor mechanism which comprises a strain gauge on a flexible external gear, which is electrically connected via lead wires.
  • US 2004/0079174 A1 teaches a torque detection device for a shaft transmission with a strain measuring unit, which is a
  • the strain gauge pattern includes circular arc-shaped detection segments A and B, and three connection areas for external wiring, one of which is formed between the detection segments and the other of which are formed at the opposite ends thereof.
  • JP 2016-045055 A shows the use of a Wheatstone measuring bridge with strain gauges on a rotating shaft of a harmonic drive.
  • a torque measuring method for measuring a torque transmitted in a shaft gear device is known.
  • a flexible, circular external gear is partially meshed with a rigid internal gear.
  • Several sets of strain gauges are mounted on the surface of the flexible external gear.
  • CN 105698992 A relates to a high-precision harmonic drive with a built-in torque sensor.
  • the torque sensor includes a Wheatstone half bridge.
  • RU 2615719 C1 teaches a harmonic drive which is designed to measure a torque.
  • WO 2010/142318 A1 shows a device for measuring a torque in a harmonic drive.
  • the device comprises at least one sensor for measuring forces between an outer ring with internal teeth and a housing.
  • JP 6320885 B2 describes a torque detection element which comprises several strain gauges that form a Wheatstone bridge.
  • the strain gauges are arranged in the form of a pattern-like metallic film on a surface of a flexible foil-like insulation.
  • the object of the present invention is to be able to detect a defect in one of several strain gauges on an elastic transmission element of a stress wave transmission with little effort.
  • the method according to the invention is used to check an arrangement of at least three strain gauges.
  • the one encompassing the strain gauges Arrangement is applied to an elastic transmission element of a stress wave transmission.
  • the elastic transmission element forms a torque-transmitting component of the stress wave transmission.
  • the tension wave gear can also be referred to as harmony drive, wave gear, sliding wedge gear or strain wave gear.
  • the elastic transmission element can also be referred to as a flexspline and is preferably formed by a collar sleeve.
  • the elastic transmission element is preferably designed to derive a torque to be transmitted by the stress wave transmission.
  • the elastic transmission element preferably has an external toothing which is designed to engage in an internal toothing of a rigid outer ring of the stress wave transmission.
  • the external toothing and the internal toothing have a difference in their number of teeth, which is, for example, two.
  • the stress wave transmission according to the invention preferably has a wave generator which comprises an elliptical disk and preferably a deformable raceway.
  • the elliptical disk is preferably made of steel and preferably forms a drive for the stress wave transmission.
  • the arrangement of the at least three strain gauges applied to the elastic transmission element is designed to measure a mechanical tension of the elastic transmission element.
  • This arrangement of the strain gauges is also designed in such a way that it detects a torque acting on the elastic transmission element of the stress wave transmission.
  • the method according to the invention comprises several steps. First, the output signals of the individual strain gauges are measured.
  • the output signals can in particular be measured as a change in resistance or a change in voltage on the respective strain gauge.
  • the output signals are preferably measured simultaneously or preferably at least within a time segment in which the torque acting on the elastic transmission element does not change.
  • the output signal is then at least one of the strain gauges from the measured ones Predicted output signals of the rest of the strain gauges.
  • the output signal of at least one of the strain gauges is both measured and predicted. For the predication, however, the measured output signals from the rest of the strain gauges are used.
  • the predicted output signal or at least one of the predicted output signals deviates from the respective measured output signal by more than a predetermined tolerance, this is viewed as an error in the arrangement comprising the multiple strain gauges and an error message is output.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that no further sensor is required for fault monitoring of the arrangement comprising the at least three strain gauges. In this sense, a self-examination of this arrangement takes place. In particular, a failure of one of the strain gauges can be detected if it is torn, for example. According to the invention, this check is carried out with the rest of the strain gauges of the arrangement.
  • the arrangement preferably comprises at least four of the strain gauges.
  • the arrangement further preferably comprises a multiple of four of the strain gauges.
  • the strain gauges are arranged on the elastic transmission element.
  • the four strain gauges preferably form a Wheatstone bridge by means of a corresponding electrical connection, it also being possible for the connection to be designed as a Flalb bridge or a full bridge.
  • the output signals of all of the strain gauges are predicted from the measured output signals of the respective remaining strain gauges.
  • its output signal is predicted and also measured.
  • the measured output signal and the predicted output signal are therefore available for each of the strain gauges.
  • the number of predictions corresponds to the number N of strain gauges which are arranged on the elastic transmission element.
  • the output signals of the strain gauges are each predicted from the measured output signals of all of the remaining strain gauges.
  • each of the predictions is based on N-1 measured output signals.
  • the degree of tolerance is selected as a function of a speed of the elastic transmission element.
  • the torque acting on the elastic transmission element has fluctuations or a ripple which is dependent on the speed of the elastic transmission element. Accordingly, the degree of tolerance is preferably selected as a function of the speed of the elastic transmission element.
  • the tolerance dimension is also preferably determined by calibration.
  • the method is also designed to perform a measurement of the torque acting on the elastic transmission element in addition to checking the strain gauges.
  • the torque acting on the elastic transmission element is determined or predicted from the measured output signals of the individual strain gauges, provided that all of the predicted output signals do not deviate from the respective measured output signal by more than the predetermined tolerance, i.e. h unless at least one of the predicted output signals deviates from the respective measured output signal by more than the predetermined tolerance, d. H. provided no error message was issued.
  • the strain gauges are used for their original function.
  • the stated condition that all of the predicted output signals do not differ from the respective measured output signal by more than the predetermined tolerance level or that at least one of the predicted output signals does not differ by more than the predetermined tolerance level from the respective one measured output signal deviates, is preferably checked in that a condition inequality is checked.
  • the condition inequality includes, on the one hand, an inequality to be checked as to whether a difference between the predicted output signal of the respective strain gauge and the predetermined tolerance level is smaller than the measured output signal of the respective strain gauge.
  • the condition inequality includes an inequality to be checked as to whether the measured output signal of the respective strain gauge is less than a sum of the predicted output signal of the respective strain gauge and the predetermined tolerance level.
  • condition inequality is preferably checked with a microcontroller.
  • An algorithm based on a mathematical prediction model is preferably used for predicting the output signal of the respective strain gauge from the measured output signals of the remaining strain gauges and preferably also for determining the torque acting on the elastic transmission element.
  • the mathematical prediction model is particularly preferably determined by a finite element analysis or by a method of machine learning.
  • the method of machine learning is preferably formed by deep learning, by random forest and / or by support vector machine.
  • the stress wave transmission according to the invention has an elastic transmission element.
  • An arrangement of at least three strain gauges is arranged on the elastic transmission element.
  • the arrangement comprising the at least three strain gauges is designed to measure a torque acting on the elastic transmission element.
  • the tension wave transmission further comprises a
  • Measurement signal processing unit which is configured to carry out the method according to the invention.
  • the measurement signal processing unit is preferred for Execution of one of the described preferred embodiments of the method according to the invention configured.
  • the stress wave transmission preferably also has features that are described in connection with the method according to the invention.
  • the strain gauges preferably extend at least in their entirety on a circumference of the elastic transmission element.
  • the circumference can be an axially inner circumference or an axially laterally arranged circumference.
  • the circumference can be arranged on an outer or inner jacket surface or on an axial side surface of the elastic transmission element.
  • the circumference encloses at least one radially inner section of the elastic transmission element.
  • the strain gauges extend at least in their entirety, preferably completely around and over this circumference of the elastic transmission element.
  • the strain gauges preferably at least in their entirety enclose an axis of the elastic transmission element in which the elastic transmission element transmits a torque.
  • the strain gauges are preferably each designed as a coating directly on a metallic surface of the elastic transmission element.
  • the coating is firmly applied to the metallic surface.
  • the strain gauges are each arranged and fastened without an intermediate layer, in particular without an adhesive, on the metallic surface of the elastic transmission element. There is a direct bond between the strain gauges and the metallic surface of the elastic transmission element.
  • the strain-sensitive material of the strain gauges is arranged directly on the metallic surface of the elastic transmission element.
  • the stretch-sensitive material forms a direct coating on the metallic surface of the elastic transmission element.
  • the stress wave transmission according to the invention is preferably designed to drive an arm element of a robot arm. To that extent that forms Stress wave gear is a component of a robot arm. The arm element is coupled via the stress wave transmission according to the invention.
  • the stress wave transmission according to the invention can, however, also be designed for applications outside of robotics.
  • FIG. 1 shows a flow chart of a preferred embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows two steps of the method shown in FIG. 1 in detail
  • FIG. 3 shows a conditional inequality similar to that shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a flow chart of a preferred embodiment of a method according to the invention which is used to check an arrangement of at least three strain gauges (not shown).
  • This arrangement preferably comprises four of the strain gauges.
  • This arrangement comprising the four strain gauges is applied to an elastic transmission element (not shown) of a stress wave transmission (not shown).
  • This embodiment of the method also allows the measurement of a torque acting on the elastic transmission element (not shown). This measurement forms the original function of the arrangement comprising the four strain gauges.
  • a first step output signals from all of the four strain gauges (not shown) are recorded. For this purpose, output voltages of the strain gauges (not shown) are converted with an A / D converter (not shown) and processed with a microcontroller.
  • the All four measured output signals determine the torque acting on the elastic transmission element (not shown) (shown in detail in FIG. 2).
  • output signals of the individual strain gauges (not shown) are predicted from the measured output signals of the remaining three strain gauges (not shown) (shown in detail in Fig. 2), so that the measured output signal and the predicted output signal are available for each of the strain gauges .
  • a next step it is checked whether the four measured output signals are each within a tolerance range around the corresponding predicted output signal (shown in detail in FIG. 3). If this is not the case, there is an error in the strain gauges (not shown) and a status byte is set to an error identifier which is, for example, OxFF. The error will mostly be a failure or defect of one of the four strain gauges (not shown). If the four measured output signals are each within a tolerance range around the corresponding predicted output signal, there is no error in the strain gauges (not shown), so that the previously determined value of the torque is output and used and the status byte is set to an okay identifier, which for example is 0x00. The procedure is then repeated.
  • FIG. 2 shows two steps of the method shown in FIG. 1 in detail.
  • the torque Mt acting on the elastic transmission element (not shown) is determined from the four measured output signals K0, K1, K2, K3.
  • an algorithm is used which is based on a mathematical prediction model, which is determined, for example, by a finite element analysis or by a method of machine learning. In the case of machine learning, the algorithm was trained through several training data before it was used. All of the measured output signals are used to determine the torque. It is also shown how the predicted values PkO, Pk1, Pk2, Pk3 of the output signals are determined from the four measured output signals K0, K1, K2, K3.
  • an algorithm is used in each case, which is based on a mathematical prediction model, which, for example, by a finite Element analysis or determined by a method of machine learning.
  • a mathematical prediction model which, for example, by a finite Element analysis or determined by a method of machine learning.
  • the algorithm or algorithms were each taught through a number of training data before they were used.
  • the four predicted values PkO, Pk1, Pk2, Pk3 of the output signals of the four strain gauges are each determined from the measured output signals KO, K1, K2, K3 of the remaining three of the strain gauges (not shown).
  • FIG. 3 shows a condition inequality which is used in the method shown in FIG. 1 in order to decide whether the four measured output signals KO, K1, K2, K3 are each within a tolerance range around the corresponding predicted output signal PkO, Pk1, Pk2, Pk3 lie.
  • For each of the four strain gauges (not shown) it is checked whether its measured output value KO, K1, K2, K3 lies within the tolerance range around the value PkO, Pk1, Pk2, Pk3 of the corresponding predicted output signal.
  • a tolerance value T is predefined for this, so that the tolerance range is ⁇ T. Only if the inequality is satisfied for each of the four strain gauges (not shown) is the conclusion that the arrangement (not shown) comprising the strain gauges is in an error-free state.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen. Die die mindestens drei Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung ist auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufgebracht und zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonie Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. In einem Schritt des Verfahrens werden zunächst die Ausgangssignale der einzelnen Dehnungsmessstreifen gemessen. Daraufhin wird das Ausgangssignal mindestens eines der Dehnungsmessstreifen aus den gemessenen Ausgangssignalen der übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert. Erfindungsgemäß wird eine Fehlermeldung ausgegeben, wenn mindestens eines der prädizierten Ausgangssignale um mehr als ein vorbestimmtes Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweicht. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe.

Description

Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei
Dehnungsmessstreifen sowie Spannunqswellenqetriebe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen. Die die Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung ist auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufgebracht und zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet. Derartige Spannungswellengetriebe werden auch als Harmonie Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspline bezeichnet und weist eine Außenverzahnung auf. Die Dehnungsmessstreifen sind auf dem elastischen Übertragungselement platziert, um eine mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes messen zu können und um daraus das auf das elastische Übertragungselement wirkende Drehmoment zu bestimmen. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Spannungswellengetriebe.
In dem Artikel von Hashimoto, M. et al. : „A joint torque sensing technique for robots with harmonic drives” in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Ausgabe 2, Seiten 1034-1039, April 1991 und in dem Artikel von Hashimoto, M.; Kiyosawa, Y. und Paul, R. P.: „A Torque Sensing Technique for Robots with Harmonic Drives“ in IEEE Transactions on Robotics and Automation, Ausgabe 9, Nr. 1 , Seiten 108-116, 1993 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben. Zur Messung dienen Dehnungsmessstreifen, welche auf einem elastischen Übertragungselement des Spannungswellengetriebes angeordnet sind.
In den weiteren Artikeln von Hashimoto, M. et al.: „Experimental study on torque control using harmonic drive built-in torque sensors” in IEEE Transactions on Robotics and Automation, Ausgabe 9, Nummer 1 , Seiten 108-116, 1993 und von Hashimoto, M.; Shimono, T.; Koreyeda, K. u. a.: „Experimental Study on Torque Control Using Harmonic Drive Built-in Torque Sensors," in IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, Seiten 2026-2031, 1992 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmomentes in einem Spannungswellengetriebe beschrieben, in welchem eine Störmomentreduktion mittels implementierten Vorwärtskompensationen stattfindet.
Die DE 102004041 394 A1 zeigt eine Wellengetriebevorrichtung mit einem Drehmomentdetektionsmechanismus, welcher auf einem flexiblen Außenzahnrad mehrere Dehnungsmesser mit Widerstandsdrahtbereichen umfasst, die über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen sind.
Die JP 2000320622 A zeigt ein Wellengetriebe mit einem
Drehmomentsensormechanismus, welcher an einem flexiblen Außenzahnrad einen Dehnungsmessstreifen umfasst, der über Leitungsdrähte elektrisch angeschlossen ist.
Die US 2004/0079174 A1 lehrt eine Drehmomentdetektionsvorrichtung für ein Wellengetriebe mit einer Dehnungsmesseinheit, welche ein
Dehnungsmesseinrichtungsmuster aufweist. Das Dehnungsmesseinrichtungsmuster umfasst kreisbogenförmige Detektionssegmente A und B sowie drei Anschlussbereiche für eine externe Verdrahtung, von denen der eine zwischen den Detektionssegmenten ausgebildet ist und die anderen an den entgegengesetzten Enden derselben ausgebildet sind.
Die JP 2016-045055 A zeigt die Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke mit Dehnungsmesstreifen auf einer rotierenden Welle eines Wellgetriebes.
Aus der US 6,840,118 B2 ist ein Drehmoment-Messverfahren zum Messen eines in einer Wellengetriebevorrichtung übertragenen Drehmomentes bekannt. In der Wellengetriebevorrichtung steht ein flexibles, kreisförmiges Außenverzahnungsrad teilweise im Eingriff mit einem starren Innenverzahnungsrad. Auf der Oberfläche des flexiblen Außenverzahnungsrades sind mehrere Sätze von Dehnungsfühlern befestigt. Die CN 105698992 A betrifft ein hochgenaues Wellgetriebe mit einem eingebauten Drehmomentsensor. Der Drehmomentsensor umfasst u. a. eine Wheatstonesche Halbbrücke.
Die RU 2615719 C1 lehrt ein Wellgetriebe, welches zur Messung eines Drehmomentes ausgebildet ist.
Die WO 2010/142318 A1 zeigt ein Gerät zur Messung eines Drehmomentes in einem Wellgetriebe. Das Gerät umfasst mindestens einen Sensor zur Messung von Kräften zwischen einem Außenring mit Innenverzahnung und einem Gehäuse.
In der JP 6320885 B2 ist ein Drehmomentdetektionselement beschrieben, welches mehrere Dehnungsmessstreifen umfasst, die eine Wheatstonsche Brücke bilden. Die Dehnungsmessstreifen sind in Form eines musterartigen metallischen Filmes auf einer Oberfläche einer flexiblen folienartigen Isolierung angeordnet.
Im Stand der Technik werden Vorhersagemodelle verwendet, welche das Ausgangsdrehmoment eines Spannungswellengetriebes auf der Basis von Dehnungsspannungswerten von Dehnungsmessstreifen bestimmen. Ein Defekt eines Dehnungsmessstreifens wird hierbei jedoch nicht berücksichtigt, was wiederum zu einem falschen und ungültigen Wert führen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen Defekt eines von mehreren Dehnungsmessstreifen auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufwandsarm erkennen zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch ein Spannungswellengetriebe gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 8.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen. Die die Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung ist auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufgebracht. Das elastische Übertragungselement bildet eine drehmomentübertragende Komponente des Spannungswellengetriebes. Das Spannungswellengetriebe kann auch als Harmonie Drive, Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe oder Strain Wave Gear bezeichnet werden. Das elastische Übertragungselement kann auch als Flexspline bezeichnet werden und ist bevorzugt durch eine Kragenhülse gebildet. Das elastische Übertragungselement ist bevorzugt zur Ableitung eines vom Spannungswellengetriebe zu übertragenden Drehmomentes ausgebildet.
Das elastische Übertragungselement weist bevorzugt eine Außenverzahnung auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Innenverzahnung eines starren Außenringes des Spannungswellengetriebes einzugreifen. Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung weisen eine Differenz ihrer Zähnezahlen auf, die beispielsweise zwei beträgt. Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe weist bevorzugt einen Wellengenerator auf, welcher eine elliptische Scheibe und bevorzugt einen verformbarem Laufring umfasst. Die elliptische Scheibe besteht bevorzugt aus einem Stahl und bildet bevorzugt einen Antrieb des Spannungswellengetriebes.
Die auf dem elastischen Übertragungselement aufgebrachte Anordnung der mindestens drei Dehnungsmessstreifen ist zur Messung einer mechanischen Spannung des elastischen Übertragungselementes ausgebildet. Diese Anordnung der Dehnungsmessstreifen ist im Weiteren so ausgebildet, dass sie ein auf das elastische Übertragungselement des Spannungswellengetriebes wirkendes Drehmoment erfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere Schritte. Zunächst werden Ausgangssignale der einzelnen Dehnungsmessstreifen gemessen. Die Ausgangssignale können insbesondere als eine Widerstandsänderung oder Spannungsänderung am jeweiligen Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Die Ausgangssignale werden bevorzugt gleichzeitig gemessen oder bevorzugt zumindest innerhalb eines zeitlichen Abschnittes, in welchem sich das auf das elastische Übertragungselement wirkende Drehmoment nicht verändert. Daraufhin wird das Ausgangssignal mindestens eines der Dehnungsmessstreifen aus den gemessenen Ausgangssignalen der übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert. Somit wird das Ausgangssignal mindestens eines der Dehnungsmessstreifen sowohl gemessen als auch prädiziert. Für die Prädikation werden aber die gemessenen Ausgangssignale der übrigen der Dehnungsmessstreifen genutzt.
Sofern das prädizierte Ausgangssignal bzw. mindestens eines der prädizierten Ausgangssignale um mehr als ein vorbestimmtes Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweicht, wird dies als ein Fehler der die mehreren Dehnungsmessstreifen umfassenden Anordnung angesehen und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es für die Fehlerüberwachung der die mindestens drei Dehnungsmessstreifen umfassenden Anordnung keines weiteren Sensors bedarf. In diesem Sinne findet eine Selbstüberprüfung dieser Anordnung statt. Es kann insbesondere ein Ausfall eines der Dehnungsmessstreifen erkannt werden, wenn dieser beispielsweise gerissen ist. Erfindungsgemäß erfolgt diese Überprüfung mit den übrigen der Dehnungsmessstreifen der Anordnung.
Die Anordnung umfasst bevorzugt mindestens vier der Dehnungsmessstreifen. Die Anordnung umfasst weiter bevorzugt ein Mehrfaches von vier der Dehnungsmessstreifen. Die Dehnungsmessstreifen sind auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet. Die vier Dehnungsmessstreifen bilden durch eine entsprechende elektrische Verschaltung bevorzugt eine Wheatstonesche Brücke, wobei die Verschaltung auch als eine Flalbbrücke oder eine Vollbrücke ausgeführt sein kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausgangssignale sämtlicher der Dehnungsmessstreifen aus den gemessenen Ausgangssignalen der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert. Somit wird für jeden der Dehnungsmessstreifen dessen Ausgangssignal prädiziert als auch gemessen. Daher liegen für jeden der Dehnungsmessstreifen das gemessene Ausgangssignal und das prädizierte Ausgangssignal vor. Die Anzahl der Prädiktionen entspricht dabei der Anzahl N der Dehnungsmessstreifen, welche auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausgangssignale der Dehnungsmessstreifen jeweils aus den gemessenen Ausgangssignalen sämtlicher der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert. Somit basiert jede der Prädiktionen auf N - 1 gemessenen Ausgangssignalen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Toleranzmaß abhängig von einer Drehzahl des elastischen Übertragungselementes gewählt. Das auf das elastische Übertragungselement wirkende Drehmoment weist Schwankungen bzw. eine Welligkeit auf, welche von der Drehzahl des elastischen Übertragungselementes abhängig ist. Dementsprechend wird das Toleranzmaß bevorzugt abhängig von der Drehzahl des elastischen Übertragungselementes gewählt. Das Toleranzmaß wird zudem bevorzugt durch eine Kalibrierung bestimmt.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren weiterhin dazu ausgebildet, zusätzlich zur Überprüfung der Dehnungsmessstreifen auch eine Messung des auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmoments auszuführen. Hierzu wird das auf das elastische Übertragungselement wirkende Drehmoment aus den gemessenen Ausgangssignalen der einzelnen Dehnungsmessstreifen bestimmt bzw. prädiziert, sofern sämtliche der prädizierten Ausgangssignale um nicht mehr als das vorbestimmte Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweichen, d. h sofern nicht mindestens eines der prädizierten Ausgangssignale um mehr als das vorbestimmte Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweicht, d. h. sofern keine Fehlermeldung ausgegeben wurde. Insoweit werden die Dehnungsmessstreifen für ihre originäre Funktion genutzt.
Die genannte Bedingung, dass sämtliche der prädizierten Ausgangssignale um nicht mehr als das vorbestimmte Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweichen bzw. dass nicht mindestens eines der prädizierten Ausgangssignale um mehr als das vorbestimmte Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweicht, wird bevorzugt dadurch geprüft, dass eine Bedingungsungleichung geprüft wird. Die Bedingungsungleichung umfasst zum einen eine zu prüfende Ungleichung, ob eine Differenz zwischen dem prädizierten Ausgangssignal des jeweiligen Dehnungsmessstreifens und dem vorbestimmten Toleranzmaß kleiner als das gemessene Ausgangssignal des jeweiligen Dehnungsmessstreifen ist. Die Bedingungsungleichung umfasst zum anderen eine zu prüfende Ungleichung, ob das gemessene Ausgangssignal des jeweiligen Dehnungsmessstreifen kleiner als eine Summe aus dem prädizierten Ausgangssignal des jeweiligen Dehnungsmessstreifens und dem vorbestimmten Toleranzmaß ist.
Die Bedingungsungleichung wird bevorzugt mit einem Mikrocontroller geprüft.
Für das Prädizieren des Ausgangssignals des jeweiligen Dehnungsmessstreifens aus den gemessenen Ausgangsignalen der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen und bevorzugt auch für das Bestimmen des auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes wird bevorzugt jeweils ein Algorithmus verwendet, welcher auf einem mathematischen Vorhersagemodell basiert. Das mathematische Vorhersagemodell wird besonders bevorzugt durch eine Finite-Elemente-Analyse oder durch eine Methode des maschinellen Lernens bestimmt. Die Methode des maschinellen Lernens ist bevorzugt durch Deep Learning, durch Random Forest und/oder durch Support Vector Machine gebildet. Bevor der bzw. die Algorithmen zum Prädizieren der Ausgangssignale und ggf. der Algorithmus zum Bestimmen des Drehmomentes verwendet werden, werden diese bevorzugt jeweils durch mehrere Trainingsdaten angelernt.
Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe weist ein elastisches Übertragungselement auf. Auf dem elastischen Übertragungselement ist eine Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen angeordnet. Die die mindestens drei Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung ist zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet. Das Spannungswellengetriebe umfasst weiterhin eine
Messsignalverarbeitungseinheit, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Messsignalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist das Spannungswellengetriebe bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.
Bevorzugt erstrecken sich die Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit auf einem Umfang des elastischen Übertragungselementes. Bei dem Umfang kann es sich um einen axial innen angeordneten Umfang oder um einen axial seitlich angeordneten Umfang handeln. Der Umfang kann auf einer äußeren oder inneren Mantelfläche oder auf einer axialen Seitenfläche des elastischen Übertragungselementes angeordnet sein. Der Umfang umschließt zumindest einen radial inneren Abschnitt des elastischen Übertragungselementes. Die Dehnungsmessstreifen erstrecken sich zumindest in ihrer Gesamtheit bevorzugt vollständig um und über diesen Umfang des elastischen Übertragungselementes. Somit umschließen die Dehnungsmessstreifen bevorzugt zumindest in ihrer Gesamtheit eine Achse des elastischen Übertragungselementes, in welcher das elastische Übertragungselement ein Drehmoment überträgt.
Bevorzugt sind die Dehnungsmessstreifen jeweils als eine Beschichtung unmittelbar auf einer metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes ausgebildet. Die Beschichtung ist fest auf die metallische Oberfläche aufgebracht. Somit sind die Dehnungsmessstreifen jeweils ohne eine Zwischenschicht, insbesondere ohne einen Klebstoff auf der metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes angeordnet und befestigt. Zwischen den Dehnungsmessstreifen und der metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes besteht ein unmittelbarer Stoffschluss. Das dehnungsempfindliche Material der Dehnungsmessstreifen ist unmittelbar auf der metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes angeordnet. Das dehnungsempfindliche Material bildet eine unmittelbare Beschichtung der metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes.
Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe ist bevorzugt zum Antrieb eines Armelementes eines Roboterarmes ausgebildet. Insoweit bildet das Spannungswellengetriebe eine Komponente eines Roboterarmes. Das Armelement ist über das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe angekoppelt. Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe kann aber auch für Anwendungen außerhalb der Robotik ausgebildet sein.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 zwei Schritte des in Fig. 1 gezeigten Verfahrens im Detail; und
Fig. 3 eine Bedingungsungleichung, welche in dem in Fig. 1 gezeigten
Verfahren angewendet wird.
Fig. 1 zeigt einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) dient. Diese Anordnung umfasst bevorzugt vier der Dehnungsmessstreifen. Diese die vier Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung ist auf einem elastischen Übertragungselement (nicht gezeigt) eines Spannungswellengetriebes (nicht gezeigt) aufgebracht. Diese Ausführungsform des Verfahrens erlaubt im Übrigen die Messung eines auf das elastische Übertragungselement (nicht gezeigt) wirkenden Drehmomentes. Diese Messung bildet die originäre Funktion der die vier Dehnungsmessstreifen umfassenden Anordnung.
In einem ersten Schritt werden Ausgangssignale sämtlicher der vier Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) erfasst. Flierzu werden Ausgangsspannungen der Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) mit einem A/D-Wandler (nicht gezeigt) gewandelt und mit einem Mikrocontroller verarbeitet. Im nächsten Schritt wird aus den sämtlichen vier gemessenen Ausgangssignalen das auf das elastische Übertragungselement (nicht gezeigt) wirkende Drehmoment bestimmt (im Detail gezeigt in Fig. 2). In einem weiteren Schritt werden Ausgangssignale der einzelnen Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) aus den gemessenen Ausgangssignalen der jeweils übrigen drei Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) prädiziert (im Detail gezeigt in Fig. 2), sodass für die Dehnungsmessstreifen jeweils das gemessene Ausgangssignal und das prädizierte Ausgangssignal vorliegt. In einem nächsten Schritt wird geprüft, ob die vier gemessenen Ausgangssignale jeweils in einem Toleranzbereich um das entsprechende prädizierte Ausgangssignal liegen (im Detail gezeigt in Fig. 3). Ist dies nicht der Fall, liegt ein Fehler der Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) vor und es wird ein Statusbyte auf einen Fehler-Identifikator gesetzt, welcher beispielsweise auf OxFF lautet. Der Fehler wird zumeist ein Ausfall bzw. Defekt eines der vier Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) sein. Liegen die vier gemessenen Ausgangssignale jeweils in einem Toleranzbereich um das entsprechende prädizierte Ausgangssignal, so liegt kein Fehler der Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) vor, sodass der zuvor bestimmte Wert des Drehmomentes ausgeben und verwendet wird sowie das Statusbyte auf einen Okay- Identifikator gesetzt wird, welcher beispielsweise auf 0x00 lautet. Im Anschluss erfolgt eine Wiederholung des Verfahrens.
Fig. 2 zeigt zwei Schritte des in Fig. 1 gezeigten Verfahrens im Detail. Zunächst ist dargestellt, wie aus den vier gemessenen Ausgangssignalen K0, K1 , K2, K3 das auf das elastische Übertragungselement (nicht gezeigt) wirkende Drehmoment Mt bestimmt wird. Hierfür wird ein Algorithmus angewendet, welcher auf einem mathematischen Vorhersagemodell basiert, welches beispielsweise durch eine Finite- Elemente-Analyse oder durch eine Methode des maschinellen Lernens bestimmt wird. Der Algorithmus wurde im Falle des maschinellen Lernens vor seiner Verwendung durch mehrere Trainingsdaten angelernt. Für das Bestimmen des Drehmomentes werden sämtliche der gemessenen Ausgangssignale verwendet. Weiterhin ist dargestellt, wie aus den vier gemessenen Ausgangssignalen K0, K1 , K2, K3 die prädizierten Werte PkO, Pk1, Pk2, Pk3 der Ausgangssignale bestimmt werden. Hierfür wird wiederum jeweils ein Algorithmus angewendet, welcher auf einem mathematischen Vorhersagemodell basiert, welches beispielsweise durch eine Finite- Elemente-Analyse oder durch eine Methode des maschinellen Lernens bestimmt wird. Der Algorithmus bzw. die Algorithmen wurden im Falle des maschinellen Lernens vor ihrer Verwendung jeweils durch mehrere Trainingsdaten angelernt. Die vier prädizierten Werte PkO, Pk1 , Pk2, Pk3 der Ausgangssignale der vier Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) werden jeweils aus den gemessenen Ausgangssignalen KO, K1, K2, K3 der jeweils übrigen drei der Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) bestimmt.
Fig. 3 zeigt eine Bedingungsungleichung, welche in dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren angewendet wird, um zu entscheiden, ob die vier gemessenen Ausgangssignale KO, K1, K2, K3 jeweils in einem Toleranzbereich um das entsprechende prädizierte Ausgangssignal PkO, Pk1, Pk2, Pk3 liegen. Für jeden der vier Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) wird geprüft, ob dessen gemessener Ausgangswert KO, K1, K2, K3 innerhalb des Toleranzbereiches um den Wert PkO, Pk1, Pk2, Pk3 des entsprechenden prädizierten Ausgangssignals liegt. Hierfür wird ein Toleranzwert T vordefiniert, sodass der Toleranzbereich ±T beträgt. Nur wenn für jeden der vier Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) die Ungleichung erfüllt ist, wird auf einen fehlerfreien Zustand der die Dehnungsmessstreifen umfassenden Anordnung (nicht gezeigt) geschlossen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen, wobei die die mindestens drei Dehnungsmessstreifen umfassende Anordnung auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufgebracht ist und zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Messen von Ausgangssignalen der einzelnen Dehnungsmessstreifen;
- Prädizieren des Ausgangssignals mindestens eines der Dehnungsmessstreifen aus den gemessenen Ausgangsignalen der übrigen der Dehnungsmessstreifen; und
- Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn mindestens eines der prädizierten Ausgangssignale um mehr als ein vorbestimmtes Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens vier der Dehnungsmessstreifen umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale sämtlicher der Dehnungsmessstreifen aus den Ausgangsignalen der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Dehnungsmessstreifen jeweils aus den gemessenen Ausgangssignalen sämtlicher der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen prädiziert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Toleranzmaß abhängig von einer Drehzahl des elastischen Übertragungselementes gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin zur Messung des auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet ist, wofür es folgenden weiteren Schritt umfasst:
- Bestimmen des auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes aus den Ausgangssignalen der einzelnen Dehnungsmessstreifen, wenn sämtliche der prädizierten Ausgangssignale um nicht mehr als das vorbestimmte Toleranzmaß von dem jeweiligen gemessenen Ausgangssignal abweichen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Prädizieren des Ausgangssignals des jeweiligen Dehnungsmessstreifens aus den gemessenen Ausgangsignalen der jeweils übrigen der Dehnungsmessstreifen ein Algorithmus verwendet wird, welcher auf einem mathematischen Vorhersagemodell basiert, wobei das mathematische Vorhersagemodell durch eine Finite-Elemente-Analyse oder durch eine Methode des maschinellen Lernens bestimmt wird.
8. Spannungswellengetriebe mit einem elastischen Übertragungselement und mit einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen, welche auf dem elastischen Übertragungselement aufgebracht ist und zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet ist, wobei das Spannungswellengetriebe weiterhin eine Messsignalverarbeitungseinheit umfasst, welche zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 konfiguriert ist.
9. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dehnungsmessstreifen zumindest in ihrer Gesamtheit um einen Umfang auf einer Mantelfläche oder einer axialen Seitenfläche des elastischen Übertragungselementes erstrecken.
10. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen jeweils als eine Beschichtung unmittelbar auf einer metallischen Oberfläche des elastischen Übertragungselementes ausgebildet sind.
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